EP0814181B1 - 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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- EP0814181B1 EP0814181B1 EP97420090A EP97420090A EP0814181B1 EP 0814181 B1 EP0814181 B1 EP 0814181B1 EP 97420090 A EP97420090 A EP 97420090A EP 97420090 A EP97420090 A EP 97420090A EP 0814181 B1 EP0814181 B1 EP 0814181B1
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- alumina
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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 method for precise regulation of the content alumina in igneous electrolysis tanks for the production of aluminum according to the Hall-Héroult process, in order not only to maintain the Faraday performance at a high level, but also to reduce emissions from fluorocarbon gases which are particularly harmful and polluting for the environment and that following the anomalies of operation of the tanks electrolysis known as the anode effect.
- an excess of alumina creates a risk of fouling of the bottom of the tank by undissolved alumina deposits that can turn into plaques hard electrically insulating part of the cathode. This then promotes formation in metal of very horizontal electrical currents strong which, by interaction with 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 sharp increase in the voltage across the tank, which can increase from 4 to 30 or 40 volts.
- This overconsumption of energy also has the effect of degrading the energy efficiency of the tank but also the Faraday yield following the redissolution of aluminum in the bath and the elevation temperature of the electrolysis bath.
- the range of alumina contents to be respected is between 2 and 8%.
- the concentration of alumina 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
- the slope P dR / dt representative of the change in resistance R caused by a change voluntary alumina diet for a period of time determined.
- This mode of regulation therefore makes it possible to maintain the alumina content of the bath in a narrow and weak range and thus obtain yields Faraday of around 95% with acid baths, simultaneously reducing and notably the quantity (or frequency) of the anode effects on the tanks that are counted in number of anode effects per tank and per day (EA / tank / day) under the name "anode effect rate”.
- the anode effect is a phenomenon of ion electrolysis fluorides which occurs when there is a lack of oxygen ions in contact with anodes due in particular to a lack of alumina.
- the tank produces fluorocarbon gases whose trapping by the usual means is impossible due to their chemical inertness and high 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 target rate of 0.05 EA / tank / day and a fortiori rate of 0.2 to 0.5 EA / tank / day of the prior art; this even improving the Faraday yield over 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 electrolytic 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 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 place our in the zone with the steepest slope of variation of R, that is to say in the zone with the 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.
- phase 2 is started whatever the values of the resistance slope and the extrapolated slope.
- the average resistance r (k) of this elementary cycle is also calculated at the end of each elementary cycle k of duration t.
- These values r (k) are stored during the entire supply phase 1 for the calculation of the slope P (i) while 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 instantaneous slopes dr (k) is equivalent to a parabolic regression on the resistances r (k) after elimination of the variations resistance due to adjustment orders of the anode frame.
- the new slope calculation method used in the implementation of the present invention is based on the principle of parabolic regression, which allows a much better approach to the actual rise curve resistance that a classic linear regression as shown in the diagram of Figure 3. If for considerations of complexity and means of calculation 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 of calculating a linear regression line on the slopes instantaneous, and the value of the resistance slope P (i) is provided by the ordinate at time t (i) of the linear regression line on the slopes instant.
- This new slope calculation procedure also provides additional and new information that is used as auxiliary adjustment parameters for optimizing content regulation alumina.
- reference thresholds Po, PXo and Co can take different predetermined or calculated values according to 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 electrolytic cell with precooked anodes fed under 400,000 Amps under the following conditions:
- Alumina is introduced directly into the molten electrolysis bath in doses successive of constant mass by several insertion orifices, maintained permanently open by a crust breaker.
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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 method for precise regulation of the content alumina in igneous electrolysis tanks for the production of aluminum according to the Hall-Héroult process, in order not only to maintain the Faraday performance at a high level, but also to reduce emissions from fluorocarbon gases which are particularly harmful and polluting for the environment and that following the anomalies of operation of the tanks electrolysis 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 we have gradually automated the operation of aluminum production tanks, first to improve walking regularity and thereby the energy balance and Faraday performance, but also, with an ergonomic and ecological aim, for limit painful human intervention and increase the efficiency of capture 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 to ensure the regularity of walking of a aluminum production tank by alumina electrolysis dissolved in a molten electrolysis bath based on cryolite, is the maintenance of a content suitable as alumina dissolved in this electrolyte and therefore the adaptation at any time of the quantities of alumina introduced into the bath the alumina consumption of 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 croítre 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 that can turn into plaques hard electrically insulating part of the cathode. This then promotes formation in metal of very horizontal electrical currents strong which, by interaction with 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 sharp increase in the voltage across the tank, which can increase from 4 to 30 or 40 volts. This overconsumption of energy also has the effect of degrading the energy efficiency of the tank but also the Faraday yield following the redissolution of aluminum in the bath and the elevation 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 AlF3) 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 AlF 3 content ) which makes it possible to lower the operating temperature of the cell 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) /l.Direct measurement of the alumina content of baths by analysis of samples taken periodically that have not proven to be sufficient industrially, most of the known industrial processes have resorted to an indirect evaluation of the alumina contents according to a parameter electrical representative of the alumina concentration of said electrolyte. This parameter is generally the variation of resistance R across the tank supplied with a voltage U, including a counter-electromotive force e evaluated for example at 1.65 volts and crossed by a current I so that R = (U-e) / l.
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 connaítre 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 we can draw a curve of variation of R as a function of the alumina content and by measuring R (at a frequency determined according to well known methods) we can know at any time the concentration of alumina [Al 2 O 3 ] . 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 regulatory methods based on the control of alumina content between an upper limit and a lower limit have made subject of new patents including US 4126525 and EP 044794 (US 4654129), this 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 maítriser 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 ρ 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 ρ 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%. We feed the tank for a time t1 predetermined with an amount of alumina greater than its consumption theoretical until a fixed alumina concentration is obtained (by example 7% therefore a little lower than the maximum admissible of 8%), then we switches the power supply at a rate equal to the theoretical consumption during a predetermined time t2, the supply is finally stopped until appearance of the first symptoms of anode effect. We then resume the cycle power supply at a rate higher than the theoretical consumption. According to what process, and more precisely the results of its application examples, the concentration of alumina 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), in the name of the plaintiff who makes call on the side of the resistance measurement R at the terminals of the tank electrolysis to a second adjustment parameter, the slope P = dR / dt representative of the change in resistance R caused by a change voluntary alumina diet for a period of time determined. Indeed the only knowledge of the resistance R at the terminals of the electrolytic cell is not sufficient to precisely control the content in bath alumina and consequently to control the quantity or the frequency of anode effects, because the R parameter at bath temperature constant is a function of 2 variables, on the one hand the alumina content image the resistivity ρ of the bath, on the other hand the anode-metal distance (DAM). It is necessary therefore find another discriminating parameter which is obtained by the slope P = dR / dt, called resistance slope, the only parameter truly representative of depletion or enrichment of the bath with alumina. By creating by example a momentary undernourishment of the alumina bath compared to at theoretical consumption, there is an increase in resistivity ρ with the lowering of the alumina content of the bath according to a law of evolution known while at the same time the evolutionary DAM much more slow hardly changed.
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 is based. according to EP 044794 which can be summarized as follows: starting from a phase of undernourishment of the alumina bath, we order the transition to boost for a predetermined duration T if the resistance R exceeds the upper limit Ro + r where Ro is the set resistance and if the slope of resistance 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 reference slope Po reference a sufficient content of alumina in the bath, the diet of undernourishment is preserved of the bath, but we give if necessary an order to descend the anodic frame or "tightening" to reduce the DAM and thus bring back R In 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 mode of regulation therefore makes it possible to maintain the alumina content of the bath in a narrow and weak range and thus obtain yields Faraday of around 95% with acid baths, simultaneously reducing and notably the quantity (or frequency) of the anode effects on the tanks that are counted in 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 the older generations of side stitching tanks, the effect rate of anode was greater than 2 or even 3 EA / tank / day, while on the tanks more recent with punctual stitching this rate is between 0.2 and 0.5 EA / tank / day. AT this stage the overconsumption of energy and the loss of yield Faraday linked to the anode effects are weak and until recent years this level 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 large electrolytic cells high intensity and the search for ever higher performance especially in terms of Faraday 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 effect reduction, or even elimination, of the anode effects generating fluorocarbon gases has become a priority. In this regard, it is appropriate to remember that the anode effect is a phenomenon of ion electrolysis fluorides which occurs when there is a lack of oxygen ions in contact with anodes due in particular to a lack of alumina. Instead of producing according to the normal process of carbon dioxide and carbon monoxide, the tank produces fluorocarbon gases whose trapping by the usual means is impossible due to their chemical inertness and high 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 target rate of 0.05 EA / tank / day and a fortiori rate of 0.2 to 0.5 EA / tank / day of the prior art; this even improving the Faraday yield over 95%. The method of the invention uses the principle basic alumina regulation already described in EP 044794 (US 4431491) which implements 2 adjustment parameters, the resistance R and the slope of resistance P = dR / dt, which are compared with setpoints for trigger a change in alumina diet or an order displacement of the anode frame 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 inside each cycle taking into account these different modifications, that the method according to the invention made it possible to divide the anode effect rate by an average of 10 obtained with the methods of the prior art chosen, however, from among the most systematically higher Faraday yields 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 :
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 supply for a predetermined or calculated duration, followed by a fast rate supply 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 apparaítre 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 electrolytic 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 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 place ourselves in the zone with the steepest slope of variation of R, that is to say in the zone with the 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 incompletely treated by the process of regulation of the closest prior art, which provides only for a calculation of slope value when resistance R exceeds a high reference threshold Ro + r, it turned out to be necessary not only to perform this slope calculation at the end of each regulation cycle, but also the calculation of the slope extrapolated planned for the end of the next cycle to compare them with thresholds and immediately trigger if necessary and in advance an acceleration of the feed rate in the case of a rapid increase in resistance as shown in the graph of the 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 we
initiates
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 duration T (between 10 seconds and 15 minutes) at the start of which gives any adjustment commands which modify the resistance level, divide the regulation cycle i into n elementary cycles of duration t (between 1 second and 15 minutes), we eliminate the first cycles during which the resistance level is modified by the anode frame setting operations and the average R (i) is calculated over the last n-a 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 values r (k) 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 variations of resistance or slopes instantaneous dr (k) = r (k) -r (k-1) which is calculated at the end of each cycle elementary k of duration t and after elimination of elementary cycles during which orders for adjusting the anode frame have been given. This linear regression on instantaneous slopes dr (k) is equivalent to a parabolic regression on the resistances r (k) after elimination of the variations resistance due to adjustment orders 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 croít 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 be remembered that the resistance changes along a curve and not along a straight line. The slope according to EP 044794 is calculated by performing directly a linear regression on the resistance values measured at regular interval. As the graph in Figure 3 shows, this leads to necessarily underestimate the real value of the slope. In addition, this default estimation error becomes all the more important as the curve evolution of R is more curved, that is to say that the resistance increases quickly. Thus according to EP 044794 when the resistance exceeds the high threshold of reference Ro + r of the regulation range, this variation can lead simply to give a tightening order to the anode frame and to extend feeding at a slow rate when the actual slope P (i) is in fact greater than the reference slope Po and 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 parabolic regression, which allows a much better approach to the actual rise curve resistance that a classic linear regression as shown in the diagram of Figure 3. If for considerations of complexity and means of calculation 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 of calculating a linear regression line on the slopes instantaneous, and the value of the resistance slope P (i) is provided by the ordinate at time t (i) of the linear regression line on the slopes instant.
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 that is used as auxiliary adjustment parameters for optimizing content regulation alumina.
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 allows 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 at time t (i + 1) = t (i) + T. This extrapolated slope value PX (i) is implemented to detect in advance a rapid rise in the resistance and decide to switch to the feed phase at a rate fast CR when this extrapolated slope PX (i) becomes greater than a slope extrapolated from PXo reference 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), i.e. the speed of evolution of the resistance slope P (i) given by the slope of the linear regression line on the slopes instantaneous, to trigger and modulate the supercharging itself according to the principle that a high curvature announces a sharp rise in the resistance. Thus exceeding the setpoint Co triggers a “CUR” ultra-fast rate feeding regime. For a curvature lower than Co the fast rate CR feeding regime ordered 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 according to 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' < l parcourant ces cuves de telle sorte que
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 use. implemented 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 electrolytic cell with precooked anodes fed under 400,000 Amps under the following conditions:
L'alumine est introduite directement dans le bain d'électrolyse fondu 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.Alumina is introduced directly into the molten electrolysis bath in doses successive of constant mass by several insertion orifices, maintained permanently open by a crust breaker. For this purpose we will use advantageously a device for the occasional supply of alumina to electrolytic cells as described in EP 044794 (= US 4431491) or also in FR 2527647 (= US 4437964) in the name of the plaintiff.
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 entraíne le déclenchement, par l'intermédiaire de la chaíne 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 :
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'AIF3, 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 application in 400,000 amp prototype tanks using a bath cryolite-based electrolysis containing 12% excess AIF3, therefore marked acid character, at a temperature of 950 ° C, the alumina content a been permanently set 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 effect rate anode of 0.018 EA / tank / day.
Claims (22)
- A process for control of the alumina content of the bath in a cell for production of aluminum by electrolysis of alumina dissolved in a molten cryolite-base salt, the said process employing alumina feed at a rate modulated as a function of the value and change of the resistance R of the cell as calculated from the difference of electric potential measured at the cell electrode terminals, phases of alumina underfeeding with introduction of alumina at a slow rate CL (phase 1) being alternated with phases of alumina overfeeding with introduction of alumina at a fast rate CR or ultrafast rate CUR (phase 2) compared with a reference rate or theoretical rate CT corresponding to the mean theoretical rate of alumina consumption of the cell, characterized by control cycles of duration T, comprising the following sequence of operations in each cycle:(A) At the end of each control cycle i, the mean resistance R(i), the rate of change of resistance or resistance slope P(i) and the rate of change of the resistance slope or curvature C(i) are calculated and a prediction is made of the value of the resistance slope at time t(i+1) or extrapolated slope PX(i) = P(i) + C(i) x T, which is an estimate of the future resistance slope P(i+1) at the end of control cycle i+1.(B) The value R(i) is compared with a setpoint value Ro, and on this basis there are transmitted the following commands to move the anode frame position: shorten the anode-metal distance or "pot squeeze", or lengthen the anode-metal distance or "pot unsqueeze".(C) The alumina feed is controlled as a function of the values of the slope P(i), curvature C(i) and extrapolated slope PX(i) in such a way as to compensate for variations in alumina content by anticipating them.
- A control process according to claim 1, characterized in that the alumina feed in stage (C) is controlled as a function of the values of slope P(i), curvature C(i) and extrapolated slope PX(i) relative to reference setpoints Po, Co and PXo.
- A control process according to claim 1, characterized in that the alumina feed in stage (C) is controlled under the following conditions:If the alumina feed is in phase 1, the values P(i), C(i) and PX(i) are compared respectively with the reference setpoints Po, Co and PXo:If P(i) < Po and PX(i) < PXo, phase 1 continues;If P(i) ≥ Po or PX(i) ≥ PXo, a changeover to alumina feed phase 2 takes place:If C(i) ≥ Co, phase 2 begins with an ultrafast feed rate for a predetermined or calculated time, which is followed by feed at fast rate for a predetermined or calculated time, the calculation of times being performed as a function of the values calculated at the end of the previously defined control cycle;If C(i) < Co, the alumina feed changes directly to fast rate for a predetermined time or a time calculated as a function of the values calculated at the end of the previously defined control cycle.If the alumina feed is in phase 2:phase 2 continues normally for the predetermined time or the time calculated at the end of the preceding phase 1.
- A control process according to claim 1, characterized in that the control procedure is authorized only when the cell is in normal operating conditions, or in other words is correctly controlled, stable and free of actions that would perturb operation or control, such as change of anode, tapping of metal or specific control procedures, and in that the control procedure begins with a phase 1 of alumina underfeeding.
- A control process according to one of claims 1 to 4, characterized in that, at the end of alumina feed phase 2, the cell returns to phase 1, provided the cell is in normal operating conditions.
- A control process according to one of claims 1 to 5, characterized in that, at the end of phase 2, the alumina feed changes over to theoretical rate or to stand-by phase if the cell is not in normal operating conditions, then resumes phase 1 as soon as the cell has recovered normal operating conditions.
- A control process according to claims 1, 2 or 3, characterized in that, if the duration of phase 1 exceeds a predetermined time, and if the number of "pot unsqueeze" commands during this phase 1 exceeds a predetermined safety setpoint, it is detected that the bath is too rich in alumina, and so the alumina feed is reduced very drastically or is completely stopped in order to purge the bath of its excess alumina.
- A control process according to claims 1, 2 or 3, characterized in that, if the number of "pot squeeze" commands during a same phase 1 exceeds a predetermined safety setpoint, alumina feed phase 2 is initiated regardless of the values of resistance slope and extrapolated slope.
- A control process according to claims 1, 2 or 3, characterized in that, if the curvature exceeds a predetermined safety setpoint, alumina feed phase 2 is initiated regardless of the values of resistance slope and extrapolated slope.
- A control process according to claim 1, characterized in that each control cycle i of duration T between 10 seconds and 15 minutes is divided into n elementary cycles k of duration t between 1 second and 15 minutes.
- A control process according to claims 1 or 10, characterized in that the resistance R(i) calculated at the end of each control cycle of duration T is the mean resistance over the last n-a elementary cycles of the control cycle, i.e., the first a elementary cycles of the control cycle during which the control system can transmit commands to adjust the anode frame position to modify the resistance level are eliminated.
- A control process according to claims 10 or 11, characterized in that the mean resistance r(k) of the elementary cycle is calculated at the end of each elementary cycle k of duration t, and in that the successive values r(k) are stored in memory.
- A process according to claim 12, characterized in that the values r(k) are stored in memory during phase 1, subject to a limit of the last N values.
- A control process according to claims 12 or 13, characterized in that the resistance slope P(i), extrapolated slope PX(i) and curvature C(i) determined at the end of each control cycle i of duration T are calculated from the history of the mean resistances r(k) of the elementary cycles by any method capable of smoothing the raw data r(k) while eliminating the resistance variations due to commands to adjust the anode frame position.
- A control process according to claims 1 or 14, characterized in that the resistance slope P(i) and auxiliary parameters PX(i) and C(i) are calculated by parabolic regression over the resistances or by linear regression over the resistance variations, or by any other method equivalent to nonlinear regression over the resistances.
- A control process according to claims 1, 14 or 15, characterized in that the method used for calculating the resistance slope P(i) and the auxiliary parameters consists of a linear regression over the instantaneous slopes dr(k) = r(k) - r(k-1) after elimination of the cycles during which commands to adjust the anode frame position were transmitted.
- A control process according to claims 1 or 16, characterized in that the value of the resistance slope P(i) corresponds to the ordinate at the instant t(i) of the line of linear regression over the instantaneous slopes.
- A control process according to claims 1 or 16, characterized in that the predicted value of the resistance slope for the cycle i+1 or extrapolated slope PX(i) corresponds to the ordinate of the regression line extrapolated to the instant t(i+1) = t(i) + T.
- A control process according to claims 1 or 16, characterized in that the value of the curvature C(i) is given by the slope of the line of linear regression over the instantaneous slopes.
- A control process according to claims 2 or 3, characterized in that the reference setpoints Po, PXo and Co may assume different predetermined values or values calculated according to the operating conditions of the cell.
- A control process according to claims 2 or 3, characterized in that, for a cell operating at 400 kA, the reference slope Po is fixed between 10 and 150 pΩ/s, the extrapolated reference slope PXo is fixed between 10 and 200 pΩ/s and the reference curvature Co is fixed between 0.010 and 0.200 pΩ/s2.
- A control process according to claims 1, 2, 3 or 21, characterized in that the operating characteristics of resistance R, resistance slope P, extrapolated slope PX and curvature C, which are valid for a cell of current I = 400 kA, can be transposed to cells of lower or higher current I', according to the relationships:R' = Rx400/I'Pt = Px400/I'PX' = PX x 400 / I'
andC' = Cx400/I'.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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FR9607712 | 1996-06-17 | ||
FR9607712A FR2749858B1 (en) | 1996-06-17 | 1996-06-17 | METHOD FOR REGULATING THE ALUMINUM CONTENT OF THE BATH OF ELECTROLYSIS TANKS FOR THE PRODUCTION OF ALUMINUM |
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EP0814181A1 EP0814181A1 (en) | 1997-12-29 |
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