CH643601A5 - Installation pour la production d'aluminium, comportant des cuves d'electrolyse a haute intensite connectees en serie avec leur champ magnetique vertical symetrique. - Google Patents
Installation pour la production d'aluminium, comportant des cuves d'electrolyse a haute intensite connectees en serie avec leur champ magnetique vertical symetrique. Download PDFInfo
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Description
La présente invention concerne une installation pour la production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans la cryolithe fondue, cette installation comportant des cuves d'électrolyse à haute intensité, connectées en série et placées en travers par rapport à l'axe de la série, la composante verticale du champ magnétique de ces cuves étant rendue symétrique.
Pour la bonne compréhension de ce qui suit, on rappelle que la production industrielle de l'aluminium s'opère par électrolyse ignée, dans des cuves connectées électriquement en série, d'une solution d'alumine dans de la cryolithe portée à une température de l'ordre de 950 à 1000° C par l'effet Joule du courant traversant la cuve.
Chaque cuve comprend une cathode rectangulaire formant creuset, dont le fond est constitué par des blocs de carbone scellés sur des barres d'acier, dites barres cathodiques, qui servent à évacuer le courant de la cathode vers les anodes de la cuve suivante.
Les anodes, également en carbone, sont scellées sur des tiges fortement serrées sur des barres en aluminium, dites barres anodiques, fixées sur une superstructure qui surplombe le creuset de la cuve. Ces barres anodiques sont reliées par des conducteurs en aluminium dits montés aux barres cathodiques de la cuve précédente.
Entre les anodes et la cathode se trouve le bain d'électrolyse, c'est-à-dire la solution d'alumine dans de la cryolithe. L'aluminium produit se dépose sur la cathode, un volant d'aluminium étant constamment maintenu au fond du creuset cathodique.
Le creuset étant rectangulaire, les barres anodiques supportant les anodes sont, en général, parallèles à ses grands côtés, alors que les barres cathodiques sont parallèles à ses petits côtés, dits têtes de cuve.
Les cuves sont rangées selon des files, en long ou en travers, suivant que leur grand côté ou leur petit côté est parallèle à l'axe de la file. Les cuves sont branchées électriquement en série, les extrémités de la série étant reliées aux sorties positive et négative d'une sous-station électrique de redressement et de régulation. Chaque série de cuves comprend un certain nombre de files branchées en série, le nombre des files étant, de préférence, pair afin d'éviter des longueurs inutiles de conducteurs.
Le courant électrique qui parcourt les différents conducteurs, électrolyte, métal liquide, anodes, cathodes et conducteurs de liaison, crée des champs magnétiques importants. Ces champs induisent, dans le bain d'électrolyse et dans le métal fondu contenu dans le creuset, des forces dites de Laplace qui, par les mouvements qu'elles engendrent, sont nuisibles à la bonne marche de la cuve. Le dessin de la cuve et de ses conducteurs de liaison est étudié pour que les champs magnétiques créés par les différentes parties de la cuve et les conducteurs de liaison se compensent: on aboutit ainsi à une cuve ayant pour plan de symétrie le plan vertical parallèle à la file de cuves et passant par le centre du creuset.
Cependant, les cuves sont également soumises à des champs magnétiques perturbateurs provenant de la ou des files voisines.
Dans ce qui suit, les mots amont et aval s'entendent par rapport au sens général du courant électrique dans la file de cuves considérée. On entend par file voisine la file la plus proche de la file considérée, et par champ de la file voisine, la résultante des champs de toutes les files autres que la file considérée.
Le but de l'invention est de réaliser une cuve dont le système anodique soit alimenté par des arrivées de courant placées sur les petits côtés de la cuve et dont le dessin des conducteurs entre cuves soit tel qu'on réalise une excellente symétrie du champ magnétique vertical suivant la règle suivante:
— la valeur absolue de la composante Bz est la même dans les quatre angles,
— le signe de Bz est alternativement positif et négatif quand on passe d'un angle de la cuve à l'autre en suivant son périmètre.
Ce résultat est obtenu a) compte tenu du champ magnétique créé par les files de cuves voisines,
b) compte tenu de la modification du champ magnétique due à la présence des pièces ferromagnétiques situées à proximité de la cuve.
Bz désigne la composante du champ magnétique selon l'axe vertical Oz, dans un trièdre trirectangle de référence dont l'axe Ox est parallèle à l'axe de la série dans le sens du courant, le point O étant fixé au centre du plan cathodique.
Dans le brevet français N° 2333060 et le certificat d'addition N° 2343826 à ce brevet, on a décrit des moyens visant à compenser le champ magnétique créé par les files de cuves voisines en plaçant une boucle de courant sous la tête extérieure, c'est-à-dire sous le petit côté de la cuve le plus éloigné de la file la plus proche. Le dispositif utilisé consiste à dévier une partie du courant contournant la tête extérieure de la cuve en la faisant passer par un conducteur situé sous la cuve.
Dans le brevet US-A N° 3617454, on décrit une disposition de conducteurs visant à égaliser la composante verticale du champ magnétique sur l'ensemble de la cuve en plaçant en diagonale les barres reliant les extrémités des collecteurs cathodiques amont au centre des collecteurs cathodiques aval. Dans le brevet US-A N° 3969213, les barres reliant les collecteurs cathodiques amont aux collecteurs aval ont une forme en L et sont, sur une partie de leur trajet, parallèles au grand côté de la cuve. Aucun de ces deux dispositifs ne permet d'obtenir la symétrie de la composante verticale du champ magnétique dans les quatre angles de la cuve.
L'installation objet de l'invention, dans laquelle la composante verticale du champ magnétique des cuves d'électrolyse placées en travers est rendue symétrique de manière à amener le champ magnétique vertical à avoir sensiblement la même valeur absolue dans les quatre angles de la cuve, avec des signes alternativement positif et négatif quand on décrit le périmètre de la cuve, par modification de la répartition du courant dans les conducteurs d'alimentation de l'anode d'une cuve aval à partir de la cathode de la cuve amont voisine, en superposant à la cuve deux boucles électriques produisant un champ magnétique vertical supplémentaire sensiblement
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égal au champ magnétique vertical moyen de la cuve sur son petit côté, et de sens contraire, est caractérisée en ce que ces boucles électriques de compensation sont disposées sous chacun des petits côtés ou têtes de la cuve.
Avantageusement, on peut, en outre, faire passer dans un conducteur supplémentaire une fraction ou la totalité du courant qui parcourt le collecteur négatif amont, ce conducteur supplémentaire rejoignant le même collecteur amont en longeant le grand côté aval de la cuve, de façon à former une boucle de courant sous chaque tête de cuve.
De préférence, les conducteurs supplémentaires sont placés le plus haut possible sous la cuve, horizontalement et parallèlement aux petits côtés de la cuve, de façon telle que les plans passant par le conducteur intérieur et extérieur et par l'arête intérieure de l'anode sur les petits côtés intérieur et extérieur, respectivement, fassent avec la verticale un angle sensiblement égal à 45°.
L'invention sera mieux comprise grâce à la description détaillée qui va suivre, en se référant au dessin annexé dans lequel:
les fig. 1 et 2 illustrent, de manière schématique, la position du conducteur de compensation sous les têtes de la cuve;
la fig. 3 montre la disposition géométrique réelle de la boucle de compensation sous l'une des têtes de la cuve, et la fig. 4 illustre schématiquement, en plan, la position des conducteurs de liaison entre deux cuves successives et la position des boucles de compensation sous les têtes de l'une des cuves (la cuve amont).
Pour la mise en œuvre de l'invention, il faut d'abord déterminer les intensités Ii et le dans les boucles de compensation.
On calcule le champ magnétique vertical dans chacun des angles Blt B2, B3 et B4 de la cuve, soit (fig. 4)
Bz! dans l'angle intérieur amont Bz2 dans l'angle intérieur aval Bz3 dans l'angle extérieur aval Bz+ dans l'angle extérieur amont
Les équations amont/aval étant entendues par rapport au sens général du courant dans la file de cuve. Le calcul de ces champs est fait en tenant compte du champ magnétique créé par les files voisines et de l'action sur le champ des masses ferromagnétiques situées au voisinage de la cuve.
On écrit alors les deux équations suivantes
Bzi + Bz2 = 0 m
Bz3 + BZ4 = 0
Les équations 1 sont linéaires en Ii et le (le champ magnétique étant proportionnel à l'intensité) et permettent donc de déterminer Ii et le.
Or, on sait que, en l'absence des files voisines, la composante verticale Bz'!, Bz'2, Bz'3, Bz'4 du champ magnétique dans les quatre angles de la cuve est antisymétrique en y, la cuve étant, par construction, symétrique par rapport au plan xOz; on a donc
Bz'j = — Bz'4 Bz'2 = — Bz'3
Le champ vertical créé par les files voisines, d'une part, et par les boucles magnétiques, d'autre part, est pratiquement indépendant de l'abscisse x, c'est-à-dire qu'il a une valeur constante bz sur tout le petit côté intérieur et une valeur constante bz' sur tout le côté extérieur.
On a donc
Bz! = Bz'j + bz Bz2 = Bz'2 + bz Bz3 = Bz'3 + bz' = — Bz'2 + bz'
Bz4 = Bz'4 + bz' = — Bz'j + bz'
Les équations 1 entraînent et
Bz\
-
Bz'2
2
Bz'2
—
Bz'!
2
Bz',
—
Bz'2
2
Bz'2
-
Bz'!
et
Bz, = — Bz2 = Bz3 = — Bz4 (2)
Le but étant de modifier, en l'améliorant, le champ magnétique vertical sur le petit côté de la cuve, on placera le conducteur passant sous la cuve de façon qu'il ait une action maximale sur cette zone.
Sur la fig. 1, C représente la section du conducteur de compensation vue en bout, et M le point où le champ magnétique à compenser est le plus intense; a est l'angle que fait le plan contenant le conducteur de compensation C et le point M avec la verticale. Si on appelle I l'intensité du courant dans le conducteur C, le champ magnétique B au point M vaut
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B = — cosa h
Si on appelle Bz la composante verticale du champ au point M,
on a r> t> •
Bz - Bxsina
= — x 2 cosa sina h
1
= — sin2a h
Bz est maximal pour sin2a = 1, donc pour a = 45°.
Le conducteur de compensation doit donc être placé, comme on le voit fig. 2, de façon telle que le plan défini par le conducteur et par l'angle extérieur de l'anode fasse un angle sensiblement égal à 45° avec la verticale.
Sur cette fig. 2, qui schématise une coupe verticale de la tête extérieure d'une cellule d'électrolyse, 1 est l'anode, 2 l'électrolyte fondu, 3 la couche d'aluminium liquide, 4 le bloc cathodique, 5 l'angle inférieur de l'anode au voisinage duquel le champ magnétique vertical à compenser est maximal, et 6 le conducteur de compensation.
La fig. 3, qui est une vue schématique en perspective d'une tête d'une cellule d'électrolyse, précise la position et le tracé du conducteur de compensation 7. Il comporte une descente 8 à partir du conducteur négatif extérieur amont 9 jusqu'au niveau du fond de la cuve 10, un passage horizontal 11 sous la cuve parallèlement à son petit côté 12, une remontée 13 jusqu'au niveau du collecteur négatif extérieur aval 14, placée entre ce dernier et le caisson de la cuve, et un retour 15, parallèlement au grand côté 16 de la cuve, pour rejoindre le collecteur extérieur amont 9. Le tracé en pointillé fléché indique comment se forme la boucle électrique génératrice du champ de compensation. Les barres cathodiques sont désignées par le repère 17. Une boucle identique et symétrique par rapport à l'axe de la série est disposée sur l'autre tête de la cuve, comme le montre la fig. 4.
Sur une série de cuves de 90 kA, avec 14 m de distance entre files de cuves, on utilise le dispositif indiqué ci-dessus et on calcule à partir des équations 1
Ii = 9 kA environ le = 22,5 kA environ
On a mesuré sur ces cuves les champs magnétiques verticaux suivants, dans les angles
Bz„ = 31 G
Bz2 = -40 G
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Bz, = 55 G Bzz = -25 G
La symétrie est donc réalisée de façon tout à fait satisfaisante. ~ ^ ^
Sur une série de cuves identiques, mais non compensées, on a 4
mesuré par comparaison les champs magnétiques verticaux suivants, 5 Un tel équilibre affecte la bonne marche des cuves et se traduit dans les angles par un rendement Faraday insuffisant.
R
2 feuilles dessins
Claims (3)
1. Installation pour la production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans la cryolithe fondue, cette installation comportant des cuves d'électrolyse à haute intensité connectées en série, la composante verticale du champ magnétique des cuves placées en travers étant rendue symétrique de manière à amener le champ magnétique vertical à avoir sensiblement la même valeur absolue dans les quatre angles de la cuve, avec des signes alternativement positif et négatif quand on décrit le périmètre de la cuve, par modification de la répartition du courant dans les conducteurs d'alimentation de l'anode d'une cuve aval à partir de la cathode de la cuve amont voisine, de façon à superposer à la cuve deux boucles électriques produisant un champ magnétique vertical supplémentaire sensiblement égal au champ magnétique vertical moyen de la cuve sur son petit côté, et de sens contraire, caractérisée en ce que les boucles électriques sont situées sous chacun des petits côtés de la cuve.
2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte une boucle de courant, sous chaque tête de la cuve, formée par un conducteur supplémentaire qui rejoint le collecteur négatif amont longeant le grand côté aval de la cuve, ce conducteur supplémentaire étant parcouru par au moins une fraction du courant provenant du collecteur négatif amont.
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REVENDICATIONS
3. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les conducteurs supplémentaires sont placés le plus haut possible sous la cuve, horizontalement et parallèlement aux petits côtés de la cuve, de façon telle que les plans passant par le conducteur intérieur et extérieur et par l'arête intérieure de l'anode sur les petits côtés intérieur et extérieur respectivement fassent avec la verticale un angle sensiblement égal à 45°.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PL | Patent ceased |