EP0814181A1 - Process for regulating the alumina content of bath in cells for producing aluminium - Google Patents
Process for regulating the alumina content of bath in cells for producing aluminium Download PDFInfo
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- EP0814181A1 EP0814181A1 EP97420090A EP97420090A EP0814181A1 EP 0814181 A1 EP0814181 A1 EP 0814181A1 EP 97420090 A EP97420090 A EP 97420090A EP 97420090 A EP97420090 A EP 97420090A EP 0814181 A1 EP0814181 A1 EP 0814181A1
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
- C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
- C25C3/20—Automatic control or regulation of cells
Definitions
- the present invention relates to a process for precise regulation of the alumina content in igneous electrolysis cells for the production of aluminum according to the Hall-Héroult process, with a view not only to maintaining the Faraday yield at a high level, but also to reduce emissions of fluorocarbon gases which are particularly harmful and polluting for the environment, this following on from anomalies in the operation of electrolytic cells known as the anode effect.
- an excess of alumina creates a risk of fouling of the bottom of the tank by undissolved alumina deposits which can transform into hard plates electrically insulating part of the cathode. This then promotes formation in the metal of very strong horizontal electric currents which, by interaction with the magnetic fields stir the sheet of metal and cause instability of the bath-metal interface.
- an alumina defect causes the appearance of the anode effect, resulting in a loss of production and a sudden increase in the voltage at the terminals of the tank, which can increase from 4 to 30 or 40 volts.
- This overconsumption of energy also has the effect of degrading the energy yield of the tank but also the Faraday yield following the redissolution of the aluminum in the bath and the rise in temperature of the electrolysis bath.
- a variation curve of R can be plotted as a function of the alumina content and by measurement of R (at a frequency determined according to well known methods), the concentration of alumina [Al 2 O 3 ] can be known at any time. . It is this detection principle that the document FR 1457746 (GB 109133) adopts for controlling an alumina dispenser associated with a means for piercing the electrolyte crust frozen on the surface of the bath.
- US 3400062 implements a measurement of the variation in resistance of the bath using a pilot anode to detect an alumina defect and a tendency to the anode effect and thus act on the rate of introduction of alumina from a hopper fitted with a device for piercing the frozen electrolyte crust.
- the range of alumina contents to be respected is between 2 and 8%.
- the tank is fed for a predetermined time t1 with an amount of alumina greater than its theoretical consumption until a fixed alumina concentration is obtained (for example 7%, therefore a little less than the admissible maximum of 8%), then the supply is switched to a rate equal to the theoretical consumption for a predetermined time t2, finally the supply is stopped until the appearance of the first symptoms of anode effect.
- the feeding cycle is then resumed at a rate higher than the theoretical consumption.
- the Alumina concentration in the bath can vary during a cycle of 3 to 8%, which is still insufficient to regulate the alumina content of an acid bath in a range as low and narrow as 1 to 3 or 4%.
- EP 044794 US 4431491
- This regulation mode therefore makes it possible to maintain the alumina content of the bath in a narrow and low range and thus to obtain Faraday yields of the order of 95% with acid baths, simultaneously and significantly reducing the quantity ( or frequency) of anode effects on the tanks which are counted as the number of anode effects per tank and per day (EA / tank / day) under the name “anode effect rate”.
- the anode effect rate was greater than 2 or even 3 EA / tank / day, while on more recent tanks with punctual stitching this rate is between 0.2 and 0 , 5 EA / tank / day. At this stage, the overconsumption of energy and the Faraday yield loss linked to the anode effects are low and until recent years this level of performance could be considered sufficient.
- the anode effect is a phenomenon of electrolysis of fluoride ions which occurs when there is a defect in oxygen ions in contact with the anodes due in particular to a lack of alumina.
- the tank produces fluorocarbon gases whose trapping by the usual means is impossible because of their chemical inertness and their great stability.
- the method according to the invention makes it possible to solve this pollution problem by lowering the anode effect rate on average to 0.02 EA / tank / day, that is to say well below the rate of 0 , 05 EA / tank / day targeted and a fortiori rates of 0.2 to 0.5 EA / tank / day of the prior art; this even improving the Faraday yield to more than 95%.
- the Applicant was able to observe that it was possible to dramatically reduce the rate of anode effect by switching to a fast-rate feeding regime without waiting that the resistance R has left the setpoint range according to the prior art previously described as soon as the resistance slope P becomes very high, an indication of a very low alumina content in the bath (1 to 2%) and a very high risk of appearance of anode effect.
- Figure 1 in the appendix which represents the variation of the resistance R at the terminals of an electrolysis cell as a function of the alumina content of the bath for different increasing anode-metal distances DAM 1 to DAM 3 , clearly shows that in regulating the alumina content of the bath between 1 and 3.5% we are in the best possible conditions, on the one hand to use acid electrolysis baths at lowered temperature guaranteeing excellent Faraday yields, on the other hand for detect the slightest variation in resistance since we are in the area with the steepest variation slope of R, i.e. in the area of greatest sensitivity.
- the counterpart of this double advantage implies a very rapid and quantitatively significant reaction capacity in terms of the alumina bath supply regime to prevent the very significant risks of triggering an anode effect which appear as soon as the alumina content of the bath is around 1%.
- This new procedure for regulating the alumina content does not exclude the implementation of additional safety procedures.
- the regulation procedure is initiated only when the tank is in normal operating conditions (that is to say correctly adjusted, stable and excluding disturbing operations of operation or adjustment such as change of anode, casting of metal or specific regulation procedures) authorizing the transition to phase 1.
- the supply of alumina is at theoretical rate CT or waiting phase until what it finds normal operating conditions to go to phase 1.
- the supply phase 1 carried out in the normal framework of the regulation procedure is prolonged beyond a predetermined duration and if the number of release orders during this phase 1 exceeds a predetermined threshold of security, we detect that the bath is too rich in alumina and then the alumina supply is very greatly reduced or completely interrupted to purge the bath of its excess alumina.
- the supply phase 2 is started regardless of the values of the resistance slope and the extrapolated slope .
- phase 2 of alumina feeding is started regardless of the values of the resistance slope P (i) and the extrapolated slope PX (i).
- the average resistance r (k) of this elementary cycle is also calculated at the end of each elementary cycle k of duration t.
- These r (k) values are stored during the entire supply phase 1 for calculating the slope P (i) keeping the last N values (N being a predetermined number).
- the resistance slope P (i), the extrapolated slope PX (i) and the curvature C (i) determined at the end of each regulation cycle i of duration T are calculated from the history of average resistances r (k) of the elementary cycles stored since the start of phase 1 of undernourishment within the limit of the last N values and this by any calculation method implementing a smoothing of the raw data r (k) with elimination of the variations of resistance due to adjustment orders of the anode frame.
- the computation of the resistance slope and of the auxiliary parameters can be carried out by parabolic regression on the resistances, or by linear regression on the resistance variations, or by any other method equivalent to a nonlinear regression on the resistances.
- This linear regression on the instantaneous slopes dr (k) is equivalent to a parabolic regression on the resistances r (k) after elimination of the variations of resistance due to orders of adjustment of the anode frame.
- the new slope calculation method used in the implementation of the present invention is based on the principle of a parabolic regression, which allows a much better approach to the real curve of rise in resistance than a conventional linear regression like the shows the diagram of FIG. 3. If for considerations of complexity and calculation means outside the scope of the invention, the applicant has not implemented exactly this type of regression for the slope calculation, it nevertheless uses a method akin to a parabolic regression consisting in calculating a linear regression line on instantaneous slopes, and the value of the resistance slope P (i) is provided by the ordinate at time t (i) of the line of linear regression on instantaneous slopes.
- This new slope calculation procedure also provides additional and new information which is used as auxiliary adjustment parameters in order to optimize the regulation of alumina content.
- reference thresholds Po, PXo and Co can take different predetermined or calculated values depending on the operating conditions of the tank (acidity of the bath, temperature, resistance for example).
- the value of the reference slope Po is between 10 and 150 p ⁇ / s
- that of the extrapolated slope of reference PXo is between 10 and 200 p ⁇ / s
- that of the reference curvature Co is between 0.010 and 0.200 p ⁇ / s 2 ..
- the method according to the invention was implemented for several months on prototypes of electrolysis cell with precooked anodes supplied with 400,000 amperes under the following conditions:
- the alumina is introduced directly into the electrolysis bath fqndu in successive doses of constant mass through several introduction orifices, kept open permanently by a crust breaker.
- the average hourly consumption of alumina for a tank of 400,000 amperes is of the order of 230 kg of Al 2 O 3 / hour corresponding to the reference rate or theoretical rate of CT supply.
- CL slow rate CT - 25% or 173 Kg Al 2 O 3 / hour used in feed phase 1.
- CR fast rate CT + 25% or 288 Kg Al 2 O 3 / hour
- CUR ultra-fast rate 4 CT or 920 Kg Al 2 O 3 / hour used in the feed phase 2.
- phase 2 of feeding is started with first of all supply in ultra-rapid rate for a predetermined duration of 2 minutes (the duration of feeding in CUR is generally fixed between 1 and 5 minutes to ensure rapid recharging of the bath in alumina without risking its saturation and consequently the clogging of the tank). After 2 minutes phase 2 of feeding goes into rapid rate for a calculated duration of 15 min [0.083 x P (i + 10) + 6 rounded up to the nearest minute].
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Abstract
Description
La présente invention concerne un procédé de régulation précise de la teneur en alumine dans les cuves d'électrolyse ignée pour la production d'aluminium selon le procédé Hall-Héroult, en vue non seulement de maintenir le rendement Faraday à un niveau élevé, mais aussi de réduire les émissions de gaz fluorocarbonés particulièrement nocifs et polluants pour l'environnement et cela consécutivement aux anomalies de fonctionnement des cuves d'électrolyse connues sous le nom d'effet d'anode.The present invention relates to a process for precise regulation of the alumina content in igneous electrolysis cells for the production of aluminum according to the Hall-Héroult process, with a view not only to maintaining the Faraday yield at a high level, but also to reduce emissions of fluorocarbon gases which are particularly harmful and polluting for the environment, this following on from anomalies in the operation of electrolytic cells known as the anode effect.
Au cours des dernières années on a progressivement automatisé le fonctionnement des cuves de production d'aluminium, d'abord pour en améliorer la régularité de marche et par le fait le bilan énergétique et le rendement Faraday, mais aussi, dans un but ergonomique et écologique, pour limiter les interventions humaines pénibles et augmenter le rendement de captage des effluents fluorés.In recent years, the operation of aluminum production tanks has been progressively automated, firstly to improve regularity of operation and thereby the Faraday energy balance and yield, but also, with an ergonomic and ecological aim , to limit painful human intervention and increase the yield of fluorinated effluents.
Un des facteurs essentiels permettant d'assurer la régularité de marche d'une cuve de production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans un bain d'électrolyse fondu à base de cryolithe, est le maintien d'une teneur appropriée en alumine dissoute dans cet électrolyte et par conséquent l'adaptation à tout moment des quantités d'alumine introduites dans le bain à la consommation d'alumine de la cuve.One of the essential factors ensuring the regularity of operation of an aluminum production tank by electrolysis of alumina dissolved in a molten electrolysis bath based on cryolite, is the maintenance of an appropriate content of dissolved alumina in this electrolyte and therefore the adaptation at any time of the quantities of alumina introduced into the bath to the consumption of alumina from the tank.
Ainsi, un excès d'alumine crée un risque d'encrassement du fond de la cuve par des dépôts d'alumine non dissoute pouvant se transformer en plaques dures isolant électriquement une partie de la cathode. Ceci favorise alors la formation dans le métal des cuves de courants électriques horizontaux très forts qui, par interaction avec les champs magnétiques brassent la nappe de métal et provoquent une instabilité de l'interface bain-métal.
A l'inverse un défaut d'alumine provoque l'apparition de l'effet d'anode, se traduisant par une perte de production et par une augmentation brutale de la tension aux bornes de la cuve, qui peut croître de 4 à 30 ou 40 volts. Cette surconsommation d'énergie a par ailleurs pour effet de dégrader le rendement énergétique de la cuve mais aussi le rendement Faraday consécutivement à la redissolution de l'aluminium dans le bain et à l'élévation de température du bain d'électrolyse.Thus, an excess of alumina creates a risk of fouling of the bottom of the tank by undissolved alumina deposits which can transform into hard plates electrically insulating part of the cathode. This then promotes formation in the metal of very strong horizontal electric currents which, by interaction with the magnetic fields stir the sheet of metal and cause instability of the bath-metal interface.
Conversely, an alumina defect causes the appearance of the anode effect, resulting in a loss of production and a sudden increase in the voltage at the terminals of the tank, which can increase from 4 to 30 or 40 volts. This overconsumption of energy also has the effect of degrading the energy yield of the tank but also the Faraday yield following the redissolution of the aluminum in the bath and the rise in temperature of the electrolysis bath.
La nécessité de maintenir la teneur en alumine dissoute dans l'électrolyte dans des limites précises et relativement étroites, donc d'introduire l'alumine avec la plus grande régularité possible, a donc conduit l'homme de l'art à développer des procédés automatiques d'alimentation et de régulation en alumine des cuves d'électrolyse. Cette nécessité est devenue une obligation avec l'utilisation des bains d'électrolyse dits « acides » (à teneur élevée en AIF3) permettant d'abaisser la température de fonctionnement de la cuve de 10 à 15°C (950°C environ au lieu de 965°C habituellement) et d'atteindre ainsi des rendements Faraday d'au moins 94%. En effet il est alors indispensable de pouvoir régler la teneur en alumine dans une plage de concentration très précise et très étroite (1% à 3,5%), compte tenu de la diminution du taux de solubilité de l'alumine liée à la nouvelle composition ainsi qu'à l'abaissement de température du bain.The need to keep the content of alumina dissolved in the electrolyte within precise and relatively narrow limits, and therefore to introduce alumina with the greatest regularity possible, has therefore led those skilled in the art to develop automatic processes. supply and regulation of alumina in electrolytic cells. This need has become an obligation with the use of so-called "acid" electrolysis baths (with a high content of AIF 3 ) which makes it possible to lower the operating temperature of the tank from 10 to 15 ° C (approximately 950 ° C at instead of 965 ° C usually) and thus achieve Faraday yields of at least 94%. Indeed it is then essential to be able to adjust the alumina content in a very precise and very narrow concentration range (1% to 3.5%), taking into account the decrease in the solubility rate of alumina linked to the new composition as well as the lowering of the bath temperature.
La mesure directe de la teneur en alumine des bains par analyse d'échantillons prélevés périodiquement ne s'étant pas avérée suffisante industriellement, la plupart des procédés industriels connus ont eu recours à une évaluation indirecte des teneurs en alumine en suivant un paramètre électrique représentatif de la concentration en alumine dudit électrolyte. Ce paramètre est généralement la variation de la résistance R aux bornes de la cuve alimentée sous une tension U, incluant une force contre-électromotrice e évaluée par exemple à 1,65 volt et traversée par un courant I de sorte que R = (U - e) /I.Since the direct measurement of the alumina content of the baths by analysis of samples taken periodically has not proven to be sufficient industrially, most of the known industrial processes have resorted to an indirect evaluation of the alumina contents by following an electrical parameter representative of the alumina concentration of said electrolyte. This parameter is generally the variation of the resistance R across the terminals of the tank supplied with a voltage U, including a counter-electromotive force e evaluated for example at 1.65 volts and traversed by a current I so that R = (U - e) / I.
Par étalonnage on peut tracer une courbe de variation de R en fonction de la teneur en alumine et par mesure de R (à fréquence déterminée selon des méthodes bien connues) on peut connaître à tout moment la concentration d'alumine [ Al2O3 ]. C'est ce principe de détection qu'adopte le document FR 1457746 (GB 1091373) pour commander un distributeur d'alumine associé à un moyen de perçage de la croûte d'électrolyte figé à la surface du bain. De même US 3400062 met en oeuvre une mesure de la variation de résistance du bain à l'aide d'une anode pilote pour détecter un défaut d'alumine et une tendance à l'effet d'anode et ainsi agir sur la cadence d'introduction de l'alumine à partir d'une trémie munie d'un dispositif de perçage de la croûte d'électrolyte figé.By calibration, a variation curve of R can be plotted as a function of the alumina content and by measurement of R (at a frequency determined according to well known methods), the concentration of alumina [Al 2 O 3 ] can be known at any time. . It is this detection principle that the document FR 1457746 (GB 1091373) adopts for controlling an alumina dispenser associated with a means for piercing the electrolyte crust frozen on the surface of the bath. Likewise US 3400062 implements a measurement of the variation in resistance of the bath using a pilot anode to detect an alumina defect and a tendency to the anode effect and thus act on the rate of introduction of alumina from a hopper fitted with a device for piercing the frozen electrolyte crust.
Plus récemment, des procédés de régulation précis basés sur le contrôle de la teneur en alumine entre une limite supérieure et une limite inférieure ont fait l'objet de nouveaux brevets dont US 4126525 et EP 044794 (US 4654129), ce dernier étant déjà au nom de la demanderesse.More recently, precise regulation methods based on the control of the alumina content between an upper limit and a lower limit have been the subject of new patents including US 4126525 and EP 044794 (US 4654129), the latter already being in the name of the plaintiff.
Dans le premier de ces brevets, la plage des teneurs en alumine à respecter est comprise entre 2 et 8%. On alimente la cuve pendant un temps t1 prédéterminé avec une quantité d'alumine supérieure à sa consommation théorique jusqu'à l'obtention d'une concentration en alumine fixée (par exemple 7% donc un peu inférieure au maximum admissible de 8%), puis on commute l'alimentation sur une cadence égale à la consommation théorique pendant un temps t2 prédéterminé, on arrête enfin l'alimentation jusqu'à apparition des premiers symptômes d'effet d'anode. On reprend alors le cycle d'alimentation à cadence supérieure à la consommation théorique. Selon ce procédé, et plus précisément les résultats de ses exemples d'application, la concentration en alumine du bain peut varier au cours d'un cycle de 3 à 8%, ce qui demeure insuffisant pour réguler la teneur en alumine d'un bain acide dans une plage aussi basse et étroite que 1 à 3 ou 4%. C'est ce que réalise le procédé selon EP 044794 (US 4431491), au nom de la demanderesse qui fait appel au côté de la mesure de la résistance R aux bornes de la cuve d'électrolyse à un second paramètre de réglage qu'est la pente P = dR/dt représentative de la variation de résistance R provoquée par un changement volontaire du régime d'alimentation en alumine du bain pendant un temps déterminé. En effet la seule connaissance de la résistance R aux bornes de la cuve d'électrolyse n'est pas suffisante pour maîtriser avec précision la teneur en alumine du bain et par voie de conséquence pour contrôler la quantité ou la fréquence des effets d'anode, car le paramètre R à température du bain constante est fonction de 2 variables, d'une part la teneur en alumine image de la résistivité p du bain, d'autre part la distance anode-métal (DAM). Il faut donc trouver un autre paramètre discriminant que l'on obtient par la pente P = dR/dt, appelée pente de résistance, seul paramètre vraiment représentatif de l'appauvrissement ou de l'enrichissement du bain en alumine. En créant par exemple une sous-alimentation momentanée du bain en alumine par rapport à la consommation théorique, on enregistre une augmentation de la résistivité p avec l'abaissement de teneur en alumine du bain selon une loi d'évolution connue alors que dans le même temps la DAM d'évolution beaucoup plus lente n'a pratiquement pas varié.In the first of these patents, the range of alumina contents to be respected is between 2 and 8%. The tank is fed for a predetermined time t1 with an amount of alumina greater than its theoretical consumption until a fixed alumina concentration is obtained (for example 7%, therefore a little less than the admissible maximum of 8%), then the supply is switched to a rate equal to the theoretical consumption for a predetermined time t2, finally the supply is stopped until the appearance of the first symptoms of anode effect. The feeding cycle is then resumed at a rate higher than the theoretical consumption. According to this process, and more precisely the results of its application examples, the Alumina concentration in the bath can vary during a cycle of 3 to 8%, which is still insufficient to regulate the alumina content of an acid bath in a range as low and narrow as 1 to 3 or 4%. This is what the process according to EP 044794 (US 4431491) achieves, in the name of the applicant who calls on the side of the measurement of the resistance R at the terminals of the electrolysis cell with a second adjustment parameter which is the slope P = dR / dt representative of the variation in resistance R caused by a voluntary change in the alumina supply regime of the bath for a determined time. Indeed, the mere knowledge of the resistance R at the terminals of the electrolytic cell is not sufficient to precisely control the alumina content of the bath and consequently to control the quantity or the frequency of the anode effects, because the parameter R at constant bath temperature is a function of 2 variables, on the one hand the image alumina content of the resistivity p of the bath, on the other hand the anode-metal distance (DAM). It is therefore necessary to find another discriminating parameter which is obtained by the slope P = dR / dt, called resistance slope, the only parameter truly representative of the depletion or enrichment of the bath in alumina. By creating, for example, a momentary undernourishment of the alumina bath compared to the theoretical consumption, an increase in the resistivity p is recorded with the lowering of the alumina content of the bath according to a known law of evolution while in the same the DAM of much slower evolution practically did not vary.
C'est sur le réglage de ces 2 paramètres R et dR/dt qu'est basé le procédé selon EP 044794 que l'on peut résumer ainsi : partant d'une phase de sous-alimentation du bain en alumine, on ordonne le passage en phase de suralimentation pour une durée prédéterminée T si la résistance R dépasse la limite supérieure Ro+r où Ro est la résistance de consigne et si la pente de résistance P est supérieure à une pente de consigne Po.It is on the adjustment of these 2 parameters R and dR / dt that the process according to EP 044794 is based which can be summarized as follows: starting from a phase of undernourishment of the bath in alumina, the passage is ordered in the supercharging phase for a predetermined duration T if the resistance R exceeds the upper limit Ro + r where Ro is the setpoint resistance and if the resistance slope P is greater than a setpoint slope Po.
En revanche si la pente P reste inférieure à la pente de consigne Po témoin d'une teneur suffisante en alumine du bain, on conserve le régime de sous-alimentation du bain, mais on donne si nécessaire un ordre de descente du cadre anodique ou « serrage » pour réduire la DAM et ramener ainsi R Dans la plage de consigne Ro ± r.On the other hand, if the slope P remains lower than the setpoint slope Po indicating a sufficient content of alumina in the bath, the underfeeding regime of the bath is kept, but an order of descent of the anode frame or if necessary is given. tightening ”to reduce the DAM and thereby bring R into the setpoint range Ro ± r.
Enfin, partant de la phase de suralimentation de durée T, on passe en cadence de sous-alimentation au terme de cette durée T et si R est devenue inférieure à la limite inférieure Ro-r de la plage de consigne, on donne un ordre de montée du cadre anodique ou « desserrage » pour augmenter la DAM et ramener R dans la plage de consigne Ro ± r.
On recommence alors un nouveau cycle.Finally, starting from the supercharging phase of duration T, we go on to a rate of undernourishment at the end of this duration T and if R has become less than the lower limit Ro-r of the setpoint range, an order of rise of the anode frame or "loosening" to increase the DAM and bring R into the setpoint range Ro ± r.
We then start a new cycle.
Ce mode de régulation permet donc de maintenir la teneur en alumine du bain dans une plage étroite et faible et ainsi d'obtenir des rendements Faraday de l'ordre de 95% avec des bains acides, en réduisant simultanément et de façon notable la quantité (ou fréquence) des effets d'anode sur les cuves que l'on décompte en nombre d'effets d'anode par cuve et par jour (EA/cuve/jour) sous l'appellation « taux d'effet d'anode ».This regulation mode therefore makes it possible to maintain the alumina content of the bath in a narrow and low range and thus to obtain Faraday yields of the order of 95% with acid baths, simultaneously and significantly reducing the quantity ( or frequency) of anode effects on the tanks which are counted as the number of anode effects per tank and per day (EA / tank / day) under the name “anode effect rate”.
Sur les anciennes générations de cuve à piquage latéral le taux d'effet d'anode était supérieur à 2 voire à 3 EA/cuve/jour, alors que sur les cuves plus récentes à piquage ponctuel ce taux se situe entre 0,2 et 0,5 EA/cuve/jour. A ce stade la surconsommation d'énergie et la perte de rendement Faraday liées aux effets d'anode sont faibles et jusqu'à ces dernières années ce niveau de performance pouvait être considéré comme suffisant.On older generations of side-stitching tanks, the anode effect rate was greater than 2 or even 3 EA / tank / day, while on more recent tanks with punctual stitching this rate is between 0.2 and 0 , 5 EA / tank / day. At this stage, the overconsumption of energy and the Faraday yield loss linked to the anode effects are low and until recent years this level of performance could be considered sufficient.
Récemment toutefois, avec le développement des cuves d'électrolyse de très haute intensité et la recherche de performances toujours plus élevées notamment en matière de rendement Faraday et de rendement énergétique, mais aussi avec la prise en compte des problèmes de pollution par les composés fluorocarbonés (CFx), en particulier par le tétrafluorure de carbone CF4, dont le fort potentiel d'absorption des rayons infrarouges favorise l'effet de serre, la réduction, voire la suppression, des effets d'anode générateurs de gaz fluorocarbonés est devenue une priorité. A cet égard, il convient de rappeler que l'effet d'anode est un phénomène d'électrolyse des ions fluorures qui survient lorsqu'il y a un défaut d'ions oxygène au contact des anodes du fait notamment d'un manque d'alumine. Au lieu de produire selon le processus normal du gaz carbonique et du monoxyde de carbone, la cuve produit des gaz fuorocarbonés dont le piégeage par les moyens habituels est impossible en raison de leur inertie chimique et de leur grande stabilité.Recently, however, with the development of very high intensity electrolysis cells and the search for ever higher performance, particularly in terms of Faraday yield and energy efficiency, but also with the consideration of pollution problems by fluorocarbon compounds (CFx), in particular by carbon tetrafluoride CF4, whose high absorption potential of infrared rays promotes the greenhouse effect, the reduction, even elimination, of the anode effects generating fluorocarbon gases has become a priority. In this regard, it should be recalled that the anode effect is a phenomenon of electrolysis of fluoride ions which occurs when there is a defect in oxygen ions in contact with the anodes due in particular to a lack of alumina. Instead of producing carbon dioxide and carbon monoxide according to the normal process, the tank produces fluorocarbon gases whose trapping by the usual means is impossible because of their chemical inertness and their great stability.
La mise au point d'un procédé de régulation précise de faibles teneurs en alumine dans le bain d'électrolyse assurant un rendement Faraday élevé (≥ 95%) avec un taux d'effet d'anode inférieur à 0,05 EA/cuve/jour est devenu un objectif essentiel pour :
- la construction de nouvelles usines d'électrolyse mettant en oeuvre des cuves de très haute intensité en nombre toujours plus grand,
- l'extension des usines existantes sans accroissement, voire même avec diminution, des rejets gazeux fluorocarbonés.
- the construction of new electrolysis plants using very high intensity tanks in ever increasing numbers,
- the extension of existing factories without increasing, or even decreasing, fluorocarbon gas emissions.
Le procédé selon l'invention permet de résoudre ce problème de pollution en abaissant le taux d'effet d'anode en moyenne à 0,02 EA/cuve/jour, c'est-à-dire bien au-dessous du taux de 0,05 EA/cuve/jour visé et a fortiori des taux de 0,2 à 0,5 EA/cuve/jour de l'art antérieur; cela en améliorant même le rendement Faraday à plus de 95%. Le procédé de l'invention utilise le principe de base de régulation d'alumine déjà décrit dans EP 044794 (US 4431491) qui met en oeuvre 2 paramètres de réglage, la résistance R et la pente de résistance P = dR/dt, qui sont comparées à des valeurs de consigne pour déclencher un changement de régime d'alimentation en alumine ou un ordre de déplacement du cadre anodique afin de corriger la distance anode métal (DAM).The method according to the invention makes it possible to solve this pollution problem by lowering the anode effect rate on average to 0.02 EA / tank / day, that is to say well below the rate of 0 , 05 EA / tank / day targeted and a fortiori rates of 0.2 to 0.5 EA / tank / day of the prior art; this even improving the Faraday yield to more than 95%. The method of the invention uses the basic principle of alumina regulation already described in EP 044794 (US 4431491) which implements 2 adjustment parameters, the resistance R and the resistance slope P = dR / dt, which are compared to setpoints to trigger a change in alumina supply regime or an order displacement of the anode frame in order to correct the metal anode distance (DAM).
Le procédé selon l'invention se distingue toutefois nettement du procédé précédemment décrit par le fait qu'il met en oeuvre à chaque cycle de régulation une séquence opératoire tout à fait différente avec notamment:
- la détermination de la résistance et de la pente à chaque fin de cycle de régulation et non plus seulement lorsque la résistance sort de la plage de consigne,
- le déclenchement d'une phase de suralimentation si la teneur en alumine mesurée par la pente de résistance devient très faible et cela quelle que soit la position de la résistance par rapport à la plage de consigne,
- enfin l'affinement des méthodes de détermination de la résistance R et surtout de la pente de résistance P, ainsi que l'utilisation de paramètres auxiliaires qui seront explicités plus loin, assurant à la fois une grande précision et une grande fiabilité au nouveau procédé de régulation.
- determination of the resistance and the slope at the end of the regulation cycle and no longer only when the resistance leaves the set range,
- the triggering of a supercharging phase if the alumina content measured by the resistance slope becomes very low, regardless of the position of the resistance relative to the set range,
- finally the refinement of the methods for determining the resistance R and above all the resistance slope P, as well as the use of auxiliary parameters which will be explained below, ensuring both great precision and great reliability for the new method of regulation.
C'est donc grâce à la nouvelle séquence opératoire à l'intérieur de chaque cycle prenant en compte ces différentes modifications, que le procédé selon l'invention a permis de diviser en moyenne par 10 le taux d'effet d'anode obtenu avec les procédés de l'art antérieur choisis pourtant parmi les plus efficients et d'atteindre des rendements Faraday systématiquement supérieurs à 95%.It is therefore thanks to the new operating sequence within each cycle taking these different modifications into account, that the method according to the invention has made it possible to divide on average by 10 the anode effect rate obtained with the processes of the prior art chosen, however, from among the most efficient and achieving Faraday yields systematically greater than 95%.
Plus précisément, l'invention concerne un procédé de régulation de la teneur en alumine du bain dans une cuve de production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans un sel fondu à base de cryolithe mettant en oeuvre une alimentation en alumine selon une cadence modulée en fonction de la valeur et de l'évolution de la résistance R de la cuve calculée à partir de la différence de potentiel électrique mesurée aux bornes de la cuve, alternant des phases de sous-alimentation en alumine avec introduction d'alumine en cadence lente CL (phase 1) et des phases de suralimentation en alumine avec introduction d'alumine en cadence rapide CR ou ultra-rapide CUR (phase 2) par rapport à une cadence de référence ou cadence théorique CT correspondant à la consommation théorique moyenne d'alumine de la cuve, caractérisé par des cycles de régulation de durée T comportant à chaque cycle, la séquence d'opérations suivantes :
- A/ Au terme de chaque cycle de régulation i, on calcule la résistance moyenne R(i), la vitesse d'évolution de la résistance ou pente de résistance P(i), la vitesse d'évolution de la pente de résistance ou courbure C(i) et une prévision de la valeur de la pente de résistance à l'instant t(i+1) ou pente extrapolée PX(i)=P(i)+C(i)xT qui est une estimation de la future pente de résistance P(i+1) à la fin du cycle de régulation i+1;
- B/ La valeur R(i) est comparée à une valeur de consigne Ro et des ordres de déplacement du cadre anodique sont donnés en conséquence, à savoir : diminution de la distance anode métal ou serrage, augmentation de la distance anode métal ou desserrage;
- C/ L'alimentation en alumine est régulée en fonction des valeurs de la pente P(i), de la courbure C(i) et de la pente extrapolée PX(i), de préférence par rapport à des seuils de référence tels que Po, Co et PXo, de manière à compenser par anticipation les évolutions de la teneur en alumine.
- A / At the end of each regulation cycle i, the average resistance R (i) is calculated, the speed of evolution of the resistance or resistance slope P (i), the speed of evolution of the resistance slope or curvature C (i) and a forecast of the value of the resistance slope at time t (i + 1) or extrapolated slope PX (i) = P (i) + C (i) xT which is an estimate of the future resistance slope P (i + 1) at the end of the regulation cycle i + 1;
- B / The value R (i) is compared with a setpoint value Ro and orders to move the anode frame are given accordingly, namely: reduction of the metal anode distance or tightening, increase of the metal anode distance or loosening;
- C / The supply of alumina is regulated as a function of the values of the slope P (i), of the curvature C (i) and of the extrapolated slope PX (i), preferably with respect to reference thresholds such as Po , Co and PXo, so as to compensate in advance for changes in the alumina content.
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, la régulation de l'alumine à l'étape C/ est effectuée dans les conditions suivantes :
- Si l'alimentation en alumine est en
phase 1, les valeurs P(i), C(i) et PX(i) sont comparées respectivement aux seuils de référence Po, Co et PXo :- ° Si P(i) < Po et PX(i) < PXo, la
phase 1 se poursuit - ° Si P(i) ≥ Po ou PX(i) ≥ PXo, on passe en
phase 2 d'alimentation en alumine:- . Si C(i) ≥ Co,
la phase 2 commence par une alimentation en cadence ultra-rapide pour une durée prédéterminée ou calculée, suivie d'une alimentation en cadence rapide pour une durée prédéterminée ou calculée, le calcul des durées étant effectué en fonction des valeurs calculées en fin du cycle de régulation précédemment défini - . Si C(i) < Co, l'alimentation en alumine passe directement en cadence rapide pour une durée prédéterminée ou calculée en fonction des valeurs calculées en fin du cycle de régulation précédemment défini.
- . Si C(i) ≥ Co,
- ° Si P(i) < Po et PX(i) < PXo, la
- Si l'alimentation en alumine est en phase 2 :
la phase 2 se poursuit normalement selon la durée prédéterminée ou calculée à l'issue de la précédentephase 1.
- If the alumina supply is in
phase 1, the values P (i), C (i) and PX (i) are compared respectively to the reference thresholds Po, Co and PXo:- ° If P (i) <Po and PX (i) <PXo,
phase 1 continues - ° If P (i) ≥ Po or PX (i) ≥ PXo, we go to
phase 2 of alumina supply:- . If C (i) ≥ Co,
phase 2 begins with an ultra-fast rate feeding for a predetermined or calculated duration, followed by a fast rate feeding for a predetermined or calculated duration, the durations being calculated as a function values calculated at the end of the previously defined regulation cycle - . If C (i) <Co, the supply of alumina goes directly to rapid rate for a predetermined duration or calculated according to the values calculated at the end of the previously defined regulation cycle.
- . If C (i) ≥ Co,
- ° If P (i) <Po and PX (i) <PXo,
- If the alumina supply is in phase 2:
-
phase 2 continues normally according to the duration predetermined or calculated at the end of theprevious phase 1.
-
Lors de la mise au point du nouveau procédé selon l'invention, la demanderesse a pu en effet constater que l'on pouvait réduire de façon spectaculaire le taux d'effet d'anode en passant en régime d'alimentation à cadence rapide sans attendre que la résistance R soit sortie de la plage de consigne suivant l'art antérieur précédemment décrit dès l'instant que la pente de résistance P devenait très élevée, indice d'une teneur en alumine du bain très basse (1 à 2%) et d'un très grand risque d'apparition d'effet d'anode. La figure 1 en annexe qui représente la variation de la résistance R aux bornes d'une cuve d'électrolyse en fonction de la teneur en alumine du bain pour différentes distances anodes-métal croissantes DAM1 à DAM3, fait bien apparaître qu'en régulant la teneur en alumine du bain entre 1 et 3,5% on se trouve dans les meilleures conditions possibles, d'une part pour utiliser des bains d'électrolyse acides à température abaissée garantissant d'excellents rendements Faraday, d'autre part pour détecter la moindre variation de résistance puisque l'on se place dans la zone de plus forte pente de variation de R, c'est-à-dire dans la zone de plus grande sensibilité. La contrepartie de ce double avantage implique une capacité de réaction très rapide et quantitativement importante au niveau du régime d'alimentation du bain en alumine pour prévenir les risques très importants de déclenchement d'effet d'anode qui apparaissent dès que la teneur en alumine du bain avoisine 1%.During the development of the new process according to the invention, the Applicant was able to observe that it was possible to dramatically reduce the rate of anode effect by switching to a fast-rate feeding regime without waiting that the resistance R has left the setpoint range according to the prior art previously described as soon as the resistance slope P becomes very high, an indication of a very low alumina content in the bath (1 to 2%) and a very high risk of appearance of anode effect. Figure 1 in the appendix which represents the variation of the resistance R at the terminals of an electrolysis cell as a function of the alumina content of the bath for different increasing anode-metal distances DAM 1 to DAM 3 , clearly shows that in regulating the alumina content of the bath between 1 and 3.5% we are in the best possible conditions, on the one hand to use acid electrolysis baths at lowered temperature guaranteeing excellent Faraday yields, on the other hand for detect the slightest variation in resistance since we are in the area with the steepest variation slope of R, i.e. in the area of greatest sensitivity. The counterpart of this double advantage implies a very rapid and quantitatively significant reaction capacity in terms of the alumina bath supply regime to prevent the very significant risks of triggering an anode effect which appear as soon as the alumina content of the bath is around 1%.
Pour résoudre ce problème incomplètement traité par le procédé de régulation de l'art antérieur le plus proche, qui ne prévoit qu'un calcul de valeur de pente lorsque la résistance R dépasse un seuil haut de référence Ro+r, il s'est avéré nécessaire d'effectuer non seulement ce calcul de la pente à la fin de chaque cycle de régulation, mais également le calcul de la pente extrapolée prévue pour la fin du cycle suivant pour les comparer à des seuils de référence et déclencher immédiatement si nécessaire et par anticipation une accélération de la cadence d'alimentation dans le cas d'une augmentation rapide de la résistance comme le montre le graphique de la figure 2.To solve this problem, which was not fully addressed by the closest prior art regulation method, which only provides for a slope value calculation when the resistance R exceeds a high reference threshold Ro + r, it has been found it is necessary to carry out not only this calculation of the slope at the end of each regulation cycle, but also the calculation of the extrapolated slope planned for the end of the next cycle to compare them with reference thresholds and trigger immediately if necessary and by anticipation of an acceleration of the feed rate in the case of a rapid increase in resistance as shown in the graph in Figure 2.
Cette nouvelle procédure de régulation de la teneur en alumine n'exclut pas la mise en oeuvre de procédures complémentaires de sécurité.
Ainsi la procédure de régulation n'est engagée que lorsque la cuve est dans des conditions normales de fonctionnement (c'est-à-dire correctement réglée, stable et hors opérations perturbantes d'exploitation ou de réglage telles que changement d'anode, coulée de métal ou procédures spécifiques de régulation) autorisant le passage en phase 1. Dans le cas où la cuve n'est pas dans les conditions normales de fonctionnement, l'alimentation en alumine est en cadence théorique CT ou phase d'attente jusqu'à ce qu'elle trouve les conditions normales de fonctionnement pour passer en phase 1.
Par ailleurs, si la phase 1 d'alimentation réalisée dans le cadre normal de la procédure de régulation se prolonge au-delà d'une durée prédéterminée et si le nombre d'ordres de desserrage au cours de cette phase 1 dépasse un seuil prédéterminé de sécurité, on détecte que le bain est trop riche en alumine et on réduit alors très fortement ou on interrompt totalement l'alimentation en alumine pour purger le bain de son excès d'alumine.This new procedure for regulating the alumina content does not exclude the implementation of additional safety procedures.
Thus the regulation procedure is initiated only when the tank is in normal operating conditions (that is to say correctly adjusted, stable and excluding disturbing operations of operation or adjustment such as change of anode, casting of metal or specific regulation procedures) authorizing the transition to
Furthermore, if the
A l'inverse si le nombre d'ordres de serrage au cours d'une même phase 1 excède un seuil prédéterminé de sécurité, on enclenche la phase 2 d'alimentation quelles que soient les valeurs de la pente de résistance et de la pente extrapolée.Conversely, if the number of tightening orders during the
Enfin si la courbure C(i) excède un seuil prédéterminé de sécurité on enclenche la phase 2 d'alimentation en alumine quelles que soient les valeurs de la pente de résistance P(i) et de la pente extrapolée PX(i).Finally, if the curvature C (i) exceeds a predetermined safety threshold,
Par ailleurs, au niveau de la détermination des paramètres de réglage intervenant dans le nouveau procédé de régulation :
- des modifications ont été apportées dans les méthodes de calcul des paramètres connus que sont R et P afin d'en augmenter la précision
- des paramètres complémentaires et nouveaux ont été mis en oeuvre pour en augmenter aussi la fiabilité.
- modifications have been made in the methods of calculating the known parameters that are R and P in order to increase the precision thereof
- additional and new parameters have been implemented to also increase reliability.
Ainsi pour le calcul de la résistance R(i) à chaque fin de cycle de régulation i de durée T (comprise entre 10 secondes et 15 minutes) au début duquel on donne les éventuels ordres de réglage qui modifient le niveau de résistance, on divise le cycle de régulation i en n cycles élémentaires de durée t (comprise entre 1 seconde et 15 minutes), on élimine les a premiers cycles élémentaires au cours desquels le niveau de résistance est modifié par les opérations de réglage du cadre anodique et on calcule la moyenne R (i) sur les n-a derniers cycles élémentaires (a < n).Thus for the calculation of the resistance R (i) at each end of the regulation cycle i of duration T (between 10 seconds and 15 minutes) at the start of which we give any adjustment commands which modify the resistance level, we divide the regulation cycle i in n elementary cycles of duration t (between 1 second and 15 minutes), the first elementary cycles are eliminated during which the resistance level is modified by the adjustment operations of the anode frame and the mean R (i) over the last na elementary cycles (a <n).
Dans ce cas on calcule également à la fin de chaque cycle élémentaire k de durée t la résistance moyenne r(k) de ce cycle élémentaire. Ces valeurs r(k) sont mémorisées durant toute la phase 1 d'alimentation pour le calcul de la pente P(i) en conservant les N dernières valeurs (N étant un nombre prédéterminé).
En effet, la pente de résistance P(i), la pente extrapolée PX(i) et la courbure C(i) déterminées à la fin de chaque cycle de régulation i de durée T sont calculées à partir de l'historique des résistances moyennes r(k) des cycles élémentaires mémorisés depuis le début de la phase 1 de sous-alimentation dans la limite des N dernières valeurs et ce par toute méthode de calcul mettant en oeuvre un lissage des données brutes r(k) avec élimination des variations de résistance dues à des ordres de réglage du cadre anodique.
Le calcul de la pente de résistance et des paramètres auxiliaires peut être effectué par régression parabolique sur les résistances, ou par régression linéaire sur les variations de résistance, ou par toute autre méthode équivalente à une régression non linéaire sur les résistances.In this case, the average resistance r (k) of this elementary cycle is also calculated at the end of each elementary cycle k of duration t. These r (k) values are stored during the
Indeed, the resistance slope P (i), the extrapolated slope PX (i) and the curvature C (i) determined at the end of each regulation cycle i of duration T are calculated from the history of average resistances r (k) of the elementary cycles stored since the start of
The computation of the resistance slope and of the auxiliary parameters can be carried out by parabolic regression on the resistances, or by linear regression on the resistance variations, or by any other method equivalent to a nonlinear regression on the resistances.
De préférence, la méthode utilisée de calcul de la pente P(i) de résistance consiste en une régression linéaire sur les variations de résistance ou pentes instantanées dr(k) = r(k)-r(k-1) que l'on calcule à la fin de chaque cycle élémentaire k de durée t et après élimination des cycles élémentaires au cours desquels des ordres de réglage du cadre anodique ont été donnés. Cette régression linéaire sur les pentes instantanées dr(k) est équivalente à une régression parabolique sur les résistances r(k) après élimination des variations de résistance dues à des ordres de réglage du cadre anodique.Preferably, the method used to calculate the resistance slope P (i) consists of a linear regression on the instantaneous resistance variations or slopes dr (k) = r (k) -r (k-1) that we calculates at the end of each elementary cycle k of duration t and after elimination of the elementary cycles during which orders for adjusting the anode frame have been given. This linear regression on the instantaneous slopes dr (k) is equivalent to a parabolic regression on the resistances r (k) after elimination of the variations of resistance due to orders of adjustment of the anode frame.
Il convient de rappeler en effet que la résistance évolue suivant une courbe et non suivant une droite. Or la pente selon EP 044794 est calculée en effectuant directement une régression linéaire sur les valeurs de résistance mesurées à intervalle régulier. Comme le montre le graphique de la figure 3 cela conduit obligatoirement à sous-estimer la valeur réelle de la pente. De plus, cette erreur d'estimation par défaut devient d'autant plus importante que la courbe d'évolution de R est plus incurvée, c'est-à-dire que la résistance croît rapidement. Ainsi selon EP 044794 lorsque la résistance dépasse le seuil haut de référence Ro+r de la plage de régulation, cette variation peut conduire simplement à donner un ordre de serrage du cadre anodique et à prolonger l'alimentation à cadence lente alors que la pente réelle P(i) est en fait supérieure à la pente de référence Po et qu'un effet d'anode est alors très proche.It should indeed be remembered that resistance evolves along a curve and not along a straight line. However, the slope according to EP 044794 is calculated by directly performing a linear regression on the resistance values measured at regular intervals. As shown in the graph in Figure 3, this necessarily leads to underestimating the real value of the slope. In addition, this default estimation error becomes all the more important as the evolution curve of R is more curved, that is to say that the resistance increases rapidly. Thus according to EP 044794 when the resistance exceeds the high threshold of reference Ro + r of the regulation range, this variation can simply lead to give an order to tighten the anode frame and to extend the power supply at a slow rate while the actual slope P (i) is in fact greater than the slope of reference Po and that an anode effect is then very close.
La nouvelle méthode de calcul de pente utilisée dans la mise en oeuvre de la présente invention est basée sur le principe d'une régression parabolique, qui permet une bien meilleure approche de la courbe réelle de montée en résistance qu'une régression linéaire classique comme le montre le diagramme de la figure 3. Si pour des considérations de complexité et de moyen de calcul sortant du champ de l'invention, la demanderesse n'a pas mis en oeuvre exactement ce type de régression pour le calcul de pente, elle utilise néanmoins une méthode apparentée à une régression parabolique consistant à calculer une droite de régression linéaire sur les pentes instantanées, et la valeur de la pente de résistance P(i) est fournie par l'ordonnée à l'instant t(i) de la droite de régression linéaire sur les pentes instantanées.The new slope calculation method used in the implementation of the present invention is based on the principle of a parabolic regression, which allows a much better approach to the real curve of rise in resistance than a conventional linear regression like the shows the diagram of FIG. 3. If for considerations of complexity and calculation means outside the scope of the invention, the applicant has not implemented exactly this type of regression for the slope calculation, it nevertheless uses a method akin to a parabolic regression consisting in calculating a linear regression line on instantaneous slopes, and the value of the resistance slope P (i) is provided by the ordinate at time t (i) of the line of linear regression on instantaneous slopes.
Cette nouvelle procédure de calcul de pente apporte par ailleurs des informations complémentaires et nouvelles qui sont utilisées comme paramètres auxiliaires de réglage en vue d'optimiser la régulation de teneur d'alumine.This new slope calculation procedure also provides additional and new information which is used as auxiliary adjustment parameters in order to optimize the regulation of alumina content.
La connaissance de la droite de régression linéaire sur les pentes instantanées permet de prévoir la valeur de la pente de résistance pour le cycle i+1 ou pente extrapolée PX(i) qui est fournie par l'ordonnée de la droite de régression extrapolée à l'instant t(i+1) = t(i) + T. Cette valeur de pente extrapolée PX(i) est mise en oeuvre pour détecter par anticipation une montée rapide de la résistance et décider d'un passage en phase d'alimentation à cadence rapide CR lorsque cette pente extrapolée PX(i) devient supérieure à une pente extrapolée de référence PXo de telle sorte que PX(i) ≥ PXo ≥ Po.Knowledge of the linear regression line on instantaneous slopes makes it possible to predict the value of the resistance slope for the cycle i + 1 or extrapolated slope PX (i) which is provided by the ordinate of the regression line extrapolated to l 'instant t (i + 1) = t (i) + T. This extrapolated slope value PX (i) is used to anticipate a rapid rise in resistance and decide to switch to the supply phase at cadence fast CR when this extrapolated slope PX (i) becomes greater than an extrapolated slope of reference PXo so that PX (i) ≥ PXo ≥ Po.
Il est également très avantageux d'utiliser un autre paramètre auxiliaire qu'est la courbure C(i), c'est-à-dire la vitesse d'évolution de la pente de résistance P(i) donnée par la pente de la droite de régression linéaire sur les pentes instantanées, pour déclencher et moduler la suralimentation elle-même selon le principe qu'une courbure élevée annonce une montée brutale de la résistance. Ainsi le dépassement de la valeur de consigne Co déclenche un régime d'alimentation à cadence dite ultra-rapide « CUR ». Pour une courbure plus faible que Co le régime d'alimentation à cadence rapide CR commandé par les paramètres P(i) et PX(i) est jugé suffisant pour faire chuter R(i) et éviter un effet d'anode.It is also very advantageous to use another auxiliary parameter which is the curvature C (i), that is to say the speed of evolution of the slope of resistance P (i) given by the slope of the straight line linear regression on instantaneous slopes, to trigger and modulate the supercharging itself according to the principle that a high curvature announces a sudden rise in resistance. Thus exceeding the setpoint Co sets off a so-called ultra-fast "CUR" rate supply system. For a curvature lower than Co, the fast-rate supply regime CR controlled by the parameters P (i) and PX (i) is considered sufficient to cause R (i) to drop and avoid an anode effect.
A noter que les seuils de référence Po, PXo et Co peuvent prendre différentes valeurs prédéterminées ou calculées suivant les conditions de fonctionnement de la cuve (acidité du bain, température, résistance par exemple).Note that the reference thresholds Po, PXo and Co can take different predetermined or calculated values depending on the operating conditions of the tank (acidity of the bath, temperature, resistance for example).
A titre indicatif, pour une cuve de 400 000 Ampères (400 kA), la valeur de la pente de référence Po est comprise entre 10 et 150 pΩ/s, celle de la pente extrapolée de référence PXo, est comprise entre 10 et 200 pΩ/s, et celle de la courbure de référence Co est comprise entre 0,010 et 0,200 pΩ/s2..As an indication, for a 400,000 Amp (400 kA) tank, the value of the reference slope Po is between 10 and 150 pΩ / s, that of the extrapolated slope of reference PXo, is between 10 and 200 pΩ / s, and that of the reference curvature Co is between 0.010 and 0.200 pΩ / s 2 ..
Toutes ces caractéristiques de fonctionnement valables pour une cuve d'intensité = 400 kA, sont facilement transposables à des cuves de plus faible intensité sachant que les valeurs précédentes de résistance R, de pente P et de courbure C peuvent être définie en valeur relative par rapport à l'intensité I' < I parcourant ces cuves de telle sorte que
- R' = R x 400 / l'
- P'= P x 400 / I'
- C' = C x 400 / I'.
- R '= R x 400 / l'
- P '= P x 400 / I'
- C '= C x 400 / I'.
L'invention sera mieux comprise à partir de la description détaillée de sa mise en oeuvre ci-après.The invention will be better understood from the detailed description of its implementation below.
Le procédé selon l'invention a été mis en oeuvre pendant plusieurs mois sur des prototypes de cuve d'électrolyse à anodes précuites alimentées sous 400 000 Ampères dans les conditions suivantes :The method according to the invention was implemented for several months on prototypes of electrolysis cell with precooked anodes supplied with 400,000 amperes under the following conditions:
L'alumine est introduite directement dans le bain d'électrolyse fqndu en doses successives de masse constante par plusieurs orifices d'introduction, maintenus ouverts en permanence par un piqueur de croûte. A cet effet on utilisera avantageusement un dispositif d'alimentation ponctuelle en alumine des cuves d'électrolyse tel que décrit dans EP 044794 (=US 4431491) ou encore dans FR 2527647 (=US 4437964) au nom de la demanderesse.The alumina is introduced directly into the electrolysis bath fqndu in successive doses of constant mass through several introduction orifices, kept open permanently by a crust breaker. To this end, advantageously, a device for the occasional supply of alumina to the electrolytic cells will be used as described in EP 044794 (= US 4431491) or also in FR 2527647 (= US 4437964) in the name of the applicant.
Le calcul de la résistance R est effectué tous les dixièmes de seconde à partir des mesures d'intensité I et de tension U aux bornes de la cuve selon la relation classique :
Un calculateur intégrateur permet de déterminer les valeurs moyennes des résistances r(k) toutes les 10 secondes ou résistances instantanées r(k) à l'intérieur d'un cycle de régulation i de durée T = 3 minutes et après élimination si nécessaire des premières valeurs du cycle de régulation correspondant à la période des ordres de réglage du cadre anodique qui modifient le niveau de résistance, il calcule la résistance moyenne R(k) du cycle et les pentes moyennes dr(k) = r(k) - r(k-1) pour la durée restante du cycle puis détermine par régression linéaire sur les valeurs dr(k) mémorisées depuis le début de la phase 1 dans la limite des N=360 dernières valeurs, la pente P, la pente extrapolée PX et la courbure C= dP/dt. Ensuite la comparaison des valeurs P, PX et C ainsi calculées aux valeurs respectives de référence entraîne le déclenchement, par l'intermédiaire de la chaîne de contrôle-commande, des ordres appropriés au distributeur-doseur d'alumine. Ces valeurs de référence sont dans le cas présent :
La consommation moyenne horaire d'alumine pour une cuve de 400 000 Ampères est de l'ordre de 230 kg d'Al2O3/heure correspondant à la cadence de référence ou cadence théorique d'alimentation CT. Par rapport à cette cadence théorique on définit par exemple :
La cuve étant dans des conditions normales de fonctionnement et l'alimentation étant en phase 1 une séquence type de régulation du taux d'alumine est la suivante :
a) On a trouvé au terme du cycle i de durée T = 3 minutes
b) Au terme du cycle i+1 les valeurs de P(i+1) et PX(i+1) restant inférieures aux seuils de référence Po= 65 pΩ/s et PXo = 110 pΩ/s, la phase 1 d'alimentation se poursuit.
c) Au terme du cycle i+2 on a trouvé :
d) La phase 2 d'alimentation se poursuit jusqu'au début du cycle i+7 où l'on repasse en phase 1 d'alimentation.
e) Au terme du cycle i+7 on trouve :
f) Au terme des cycles i+8 et i+9 les valeurs des pentes P(i+8) et P(i+9) et des pentes extrapolées PX(i+8) et PX(i+9) restant inférieures à leur seuil de référence Po et PXo respectifs la phase 1 d'alimentation se poursuit.
g) Au terme du cycle i+10 on a trouvé :
h) Au bout de (2+15)= 17 minutes c'est-à-dire au cours du cycle i+16 on repasse en phase 1 d'alimentation.
i) Au terme du cycle i+16 les valeurs de P(i+16) et de PX(i+16) restant inférieures aux seuils de référence Po et PXo la phase 1 d'alimentation se poursuit et plus généralement la régulation du taux d'alumine dans le bain d'électrolyse selon les règles précédemment définies.The tank being under normal operating conditions and the supply being in
a) We found at the end of cycle i of duration T = 3 minutes
b) At the end of cycle i + 1 the values of P (i + 1) and PX (i + 1) remaining below the reference thresholds Po = 65 pΩ / s and PXo = 110 pΩ / s,
c) At the end of cycle i + 2 we have found:
d)
e) At the end of cycle i + 7 we find:
f) At the end of cycles i + 8 and i + 9 the values of the slopes P (i + 8) and P (i + 9) and the extrapolated slopes PX (i + 8) and PX (i + 9) remaining less than their reference threshold Po and PXo
g) At the end of cycle i + 10 we have found:
h) At the end of (2 + 15) = 17 minutes, that is to say during the i + 16 cycle, we return to
i) At the end of the cycle i + 16 the values of P (i + 16) and PX (i + 16) remaining below the reference thresholds Po and
La mise en oeuvre du procédé étant ainsi précisée, après plus de 6 mois d'application en cuves prototypes de 400 000 Ampères utilisant un bain d'électrolyse à base de cryolithe contenant 12% d'excès d'AlF3, donc de caractère acide marqué, à une température de 950°C, la teneur en alumine a été réglée en permanence entre 1,5% et 3,5% avec une valeur centrale de 2,1%.The implementation of the process being thus specified, after more than 6 months of application in prototype tanks of 400,000 amperes using an electrolysis bath based on cryolite containing 12% excess of AlF3, therefore of marked acid character. , at a temperature of 950 ° C., the alumina content was permanently adjusted between 1.5% and 3.5% with a central value of 2.1%.
Parallèlement, le rendement Faraday moyen a été de 95,6% et le taux d'effet d'anode de 0,018 EA/cuve/jour.At the same time, the average Faraday yield was 95.6% and the anode effect rate was 0.018 EA / tank / day.
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