EP1155167B1 - Arrangement de cuves d'electrolyse pour la production d'aluminium - Google Patents

Arrangement de cuves d'electrolyse pour la production d'aluminium Download PDF

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EP1155167B1
EP1155167B1 EP00901689A EP00901689A EP1155167B1 EP 1155167 B1 EP1155167 B1 EP 1155167B1 EP 00901689 A EP00901689 A EP 00901689A EP 00901689 A EP00901689 A EP 00901689A EP 1155167 B1 EP1155167 B1 EP 1155167B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pot
current
conductor
electrolysis
upstream
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP00901689A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1155167A1 (fr
Inventor
Jean-Marie Gaillard
Jacques Colin De Verdiere
Pierre Homsi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rio Tinto France SAS
Original Assignee
Aluminium Pechiney SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aluminium Pechiney SA filed Critical Aluminium Pechiney SA
Publication of EP1155167A1 publication Critical patent/EP1155167A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1155167B1 publication Critical patent/EP1155167B1/fr
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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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
    • C25C3/16—Electric current supply devices, e.g. bus bars

Definitions

  • the invention relates to the production of aluminum by igneous electrolysis according to the process. Hall-Héroult, and more particularly the methods and means allowing it to be put used industrially.
  • the invention relates particularly to queues electrolytic cells arranged across, i.e. with long sides perpendicular to the axis of the queue.
  • Aluminum metal is produced industrially by igneous electrolysis, namely by electrolysis of alumina in solution in a bath of molten cryolite, called a bath electrolysis, according to the well-known Hall-Héroult process.
  • the electrolysis bath is contained in a tank comprising a steel box, which is lined internally refractory and / or insulating materials, and a cathode assembly located at the bottom of the tank. Carbon material anodes are partially submerged in the bath electrolysis. The tank and the anodes form what is often called a cell electrolysis.
  • the electrolysis current which circulates in the electrolysis bath and the sheet of liquid aluminum through the anodes and cathode elements, operates alumina reduction reactions and also helps maintain the bath electrolysis at a temperature of the order of 950 ° C by the Joule effect.
  • electrolysis systems arranged in line, in so-called electrolysis halls, and connected electrically in series using connecting conductors, so as to optimize factory floor occupancy.
  • the tanks which almost always have a shape rectangular, are generally arranged side by side, i.e. the long sides are perpendicular to the axis of the queue (we also say that they are oriented "in cross "), but they can also be arranged head to head (we also say that they are oriented "lengthwise”).
  • the tanks are generally arranged so as to form two or several parallel lines which are electrically linked together by end conductors. The electrolysis current thus cascades from one cell to the next.
  • the length and mass of the conductors are as small as possible so as to limit the corresponding investment and operating costs, by in particular by reducing the Joule effect losses in the conductors.
  • bringing the electrolytic cells closer together and increasing the current intensities have led to the development of conductor configurations capable of to compensate for the effects of magnetic fields produced by the electrolysis current.
  • the electrolytic cells are generally controlled in such a way that they are located in thermal equilibrium, that is to say that the heat dissipated by each tank is generally compensated by the heat produced in it, which comes mainly from the electrolysis current.
  • Thermal equilibrium conditions depend on the physical parameters of the tank, such as dimensions and nature constituent materials, and operating conditions of the tank, such as electrical resistance of the tank, bath temperature or current intensity electrolysis.
  • the tank is often formed and driven so as to cause the formation of a solidified embankment on the side walls of this tank, which allows in particular to inhibit the attack of the coatings of said walls by the cryolite liquid.
  • the thermal equilibrium point is generally chosen so as to reach the most favorable operating conditions from a point of view not only technical, but also economical.
  • French patent FR 2,552,782 (corresponding to American patent US 4,592,821), on behalf of the plaintiff, describes a line of electrolytic cells which can operate industrially at intensities above 300 kA and with Faraday yields greater than 90%.
  • the Applicant has found that the electrolysis cells have temperature heterogeneities, and more precisely a dispersion of the values of temperature in the whole of the liquid mass, which, although relatively low, have tendency to be maintained over time, that is to say that certain temperature differences compared to the average value of the tank does not cancel out by an average effect in time.
  • These heterogeneities in particular have the disadvantage of limiting the fine thermal regulation of the tanks.
  • Known regulatory processes allow you to control temperature fluctuations over time, but do not do not directly limit the dispersion of temperature values over the entire tank.
  • the temperature zones below the setpoint favor deposits of material at the bottom of the tank and the formation of a sloping slope (i.e.
  • part of the slope partially covers the cathode), which increase the fall cathodic and are causing tank instabilities, and temperature zones higher than the set value tend to reduce the solidified embankments protective on the sides of the tank and can lead to irregular wear of the coatings.
  • the Applicant has therefore sought solutions to reduce the dispersion of temperatures and thermal fluctuations in the electrolytic cells which overcome the disadvantages of the prior art while remaining satisfactory for the design general of the tanks, in particular with regard to floor space and costs for investment and operation, and for the operation of the tanks.
  • the first object of the invention is an arrangement of electrolytic cells arranged in cross, for the production of aluminum by igneous electrolysis according to the Hall-Héroult process.
  • the invention also relates to an electrolysis plant comprising a arrangement of tanks according to the first object of the invention.
  • the arrangement of electrolytic cells for the production of aluminum by igneous electrolysis according to the Hall-Héroult process with an electrolysis current of intensity Io, comprises at least a first row of electrolysis cells, forming a first electrical circuit, and at least one second electrical circuit located at a determined average distance from said first queue, said first queue comprising N tanks arranged across and connecting conductors for transmitting said electrolysis current Io from one cell in said line, called upstream cell, to the next cell of said line, called downstream tank, each tank comprising a metal box, interior cladding elements, anodes and cathode elements, said elements cathode elements being provided with cathode connection outputs making projection on the upstream side and downstream side of the box of each tank, a first part Im from the current Io exiting through the cathode outputs projecting from the upstream side of each tank, a second part Iv of the current Io leaving by the cathode outputs projecting from the downstream side of each tank, said connecting conductors
  • each tank located on the side of said second electrical circuit in that at least one so-called "bypass" conductor bypasses each upstream tank, in that the or each lateral conductor is connected to a first set of said cathode outlets located on the upstream side so as to transmit a first part I1 of the current Im, between 10 and 20% of said current Im, in that the or each axial conductor is connected to a second set of said cathode outputs located on the upstream side so to transmit to said mounted a second part I2 of said current Im, understood between 10 and 20% of said current Im, in that the or each conductor of bypass is connected to a third set of said cathode outputs located on the upstream side so as to transmit a third part I3 of the current Im, corresponding to the rest of the current Im, in that said climbs are connected to cathodic outputs located on the downstream side of the corresponding upstream tank, at conductors passing under said tank, and to, or to each, conductor of bypassing said tank, so that
  • the lateral and central areas of the tank and the queue are delimited by two planes imaginary vertical and parallel to the axis of the queue.
  • Each of said plans intercepts tanks so as to form three zones corresponding to three comparable volumes of liquid mass inside each tank in the queue.
  • the central volume is between 25 and 40% of the total volume, and more preferably between 30 and 35 % of total volume.
  • the exact volume of each zone, as well as the exact distribution of current under the tank, are functions of the tank structure (in particular the number cathode outputs) and the operating mode of the tank (in particular the thickness of the solid embankments on the edges of the crucible of the tank, which modifies the distribution of liquid masses).
  • Said second electrical circuit also called “neighboring file” in the rest of the text, is generally substantially parallel to the file and generally includes at minus an electrolysis tank. It most often includes a line of tanks electrolysis, but it may possibly consist only of conductors. In operation, a current of intensity Io 'flows in said second circuit.
  • the arrangement of the tanks is preferably such that the currents Io and Io 'have substantially equal intensities and flow in opposite directions one of the other.
  • the sharing of the upstream current of the electrolysis cells between the conductors is function of the intensity of the current of the queue Io and that of the neighboring queue Io ', as well as the distance between the two rows of tanks.
  • Figure 1 shows the electrical connection between two successive tanks of a line according to the prior art (corresponding to French patent FR 2,552,782 and to the patent American US 4,592,821).
  • the direction of the neighboring queue is indicated by the arrow FV.
  • the direction of the electrolysis current is indicated by the arrow Io.
  • FIG. 2 illustrates the current distribution parameters in a queue of tanks electrolysis according to the invention.
  • an upstream tank of row n and a downstream tank of row n + 1.
  • the side upstream of a tank is identified by the letters AM; the downstream side is identified by letters AV.
  • the lateral and central areas of the tank plane are delimited by two vertical planes P1 and P2 parallel to the axis A of the queue and placed on either side of this axis.
  • the interior, central and exterior lateral areas are identified respectively by the letters F, C and E.
  • the arrow indicates the direction of the current electrolysis.
  • Figure 3 shows the electrical connection between two successive tanks of a arrangement according to the invention.
  • the direction of the neighboring queue is indicated by the arrow FV.
  • the direction of the electrolysis current is indicated by the arrow Io.
  • each tank comprises a box (1), generally made of steel, internally lined with insulating refractory materials, anodes and cathode elements.
  • Anodes and cathode elements are not not illustrated to simplify the figures.
  • the cathode elements include carbon blocks and cathode bars sealed in said blocks; an element cathode ray generally includes one or two cathode bars.
  • the bars cathodes protrude from each side of the tanks and form said outlets cathodic upstream (3) and downstream (4) (the term "cathodic output" designates all of the cathode bars of the same element projecting on one side of the tank).
  • the cathode elements are arranged side by side in the transverse direction tanks.
  • the anodes generally consisting of precooked carbonaceous pastes and metal anode rods sealed in said pastes, are fixed to a spider (5) mobile.
  • the means of electrical connection between the cathode outputs and the spider include ascending (or mounted) conductors (6A, 6B, 6B ', 6C, 6D, 6D', 6E), axial conductors (7), lateral conductors (8) and conductors bypass (11A and 11B).
  • ascending (or mounted) conductors (6A, 6B, 6B ', 6C, 6D, 6D', 6E)
  • axial conductors (7) axial conductors (7)
  • lateral conductors (8) and conductors bypass (11A and 11B).
  • the climbs are connected to the spider via flexible electrical conductors (10A, 10B, 10B ', 10C, 10D, 10D', 10E).
  • Circuit may include conductors intermediate (12, 13, 14A, 14B, 15A, 15B, 16A, 16B, 17A, 17B, 18A, 18B, 19A, 19B, 20A, 20B, 21) and equipotential bonding conductors (22, 23A, 23B) to distribute the electrolysis current in the climbs.
  • the intensity of the current I1 is preferably comparable to the intensity of the current I2, in meaning that they differ by less than 15% compared to the average of I1 and I2 (i.e. (I1 + I2) / 2).
  • the axial conductor is preferably single.
  • the driver lateral is unique. It is also advantageous for a bypass conductor single (said internal bypass conductor) bypasses the tank on the side interior and / or that a single bypass conductor (known as external bypass) bypasses the tank on the external side. These measures allow the invention to be implemented effectively while maintaining a relatively simple electrical circuit.
  • each tank comprises at least one indoor bypass conductor and at least one bypass conductor outside, and the intensity Ii of the current flowing in the, or all, conductor (s) internal bypass is comparable to the intensity Ie of the current flowing in the, or all of the external bypass conductor (s).
  • intensities Ii and Ie differ by less than 15% from the average of Ii and Ie (i.e. (Ii + Ie) / 2).
  • the central rise 6C does not carry no current, and is preferably absent, the climbs (6A, 6B, 6B ', 6D, 6D', 6E) are placed symmetrically on either side of the axial plane of the line, outside of said line central zone C, each tank comprises a single axial conductor (7), a single lateral conductor (8), a first single bypass conductor (11B) on the side of the neighboring queue, or "interior side", and a second conductor single bypass (11A) on the side opposite the neighboring lane, or "outside side". No current flows under the box in zone E located on the outside of the tank.
  • the climbs are preferably located between the tanks, that is to say between the two adjacent sides of successive tanks.
  • the number of said climbs is even and an equal number of climbs is placed on each side of the axis of the queue.
  • the intensity of the current flowing in the axial conductor (7) and the intensity of the current flowing in the lateral conductor (8) are comparable, i.e. that they differ by less than 15% from the average of their values.
  • the bypass conductors (11A, 11B) also carry a current of comparable intensity.
  • the or each lateral conductor passing under the tank is located near the end of the tank, and preferably still near the last outlet cathode.
  • the N tanks in a queue typically include two end tanks (namely the row 1 tank and the row N tank) which do not have an upstream or downstream tank, or whose upstream or downstream tank is not located at the same distance as the tanks of the file (which are generally equidistant), or whose upstream or downstream tank is not located in the axis of the queue.
  • the supply conductors of the first queue tank and / or the connecting conductors of the last queue tank to electrical circuit or to the next queue may have a different configuration than that of the connecting conductors between the N tanks of the queue.
  • said connection conductors of the last tank may not include mounted.
  • the current cathode of the upstream outputs (Im) was distributed as follows in the conductors of transmission: 15 kA in the conductor (9A), 7.5 kA in the conductor (9B), 22.5 kA in the conductor (9C), 52.5 kA in the conductor (11A) and 52.5 kA in the conductor (11B).
  • the total cathodic current of the downstream tank was distributed as follows on climbs: 60 kA on climbs (6A) and (6E), 15 kA on climbs (6B) and (6D '), 45 kA in the climbs (6B') and (6D), and 60 kA in the central climb (6C).
  • Each cathodic output carried a current substantially the same intensity, approximately 7.5 kA.
  • the number of climbs was 7 arranged as in Figure 1. These climbs were arranged between the upstream and downstream tanks and symmetrically on either side of the axis of the tank queue.
  • the electrical conductors had a configuration similar to that illustrated in figure 3.
  • the three zones cut the plan of the tank in three surfaces substantially of the same dimensions, that is to say that the planes P1 and P2 intercepted the plane of the tank so as to form a zone central (C) corresponding to 32% of the liquid mass and two lateral zones (one zone E on the outer side and zone F on the side of the neighboring lane) corresponding each at 34% of the liquid mass (taking into account the slopes).
  • the central area included 6 cathode outlets and each side area included 7 outlets cathode.
  • Each of the cathode outputs carried a current of substantially same intensity, about 7.5 kA.
  • the total cathodic current of the downstream tank was distributed as follows in the climbs: 76.5 kA in the climbs (6A) and (6E), 28.0 kA in the climbs (6B) and (6D '), and 45.5 kA in the climbs (6B ') and (6D).
  • the updraft flowing in the area central was therefore zero.
  • the number of climbs was 6, 3 climbs in the outer side area and 3 climbs in the inner side area (and therefore no climbs in the area Central). These climbs were arranged between the upstream and downstream tanks and symmetrically on either side of the axis of the queue of tanks.
  • the temperature measurements were made using thermocouples stored in the vertical wall of the tank casing and arranged around the casing. In the case of tanks of the prior art, the measurements were carried out on 20 tanks of the same line. In the case of tanks according to the invention, the measurements were carried out on 3 tanks in queue.
  • the arrangement according to the invention makes it possible to obtain a significant decrease in the temperature difference between the upstream and downstream sides of each tank.
  • the difference between the temperature values measured in the central zone upstream side, at the interface between the electrolysis bath and the metal liquid, and those measured in the central area downstream side, also at the interface between the electrolysis bath and the liquid metal, observed on the tanks according to the invention was 25 ° C ⁇ 10 ° C lower than that observed on tanks according to art prior.
  • the arrangement of tanks according to the invention makes it possible to advantageously modify the rows tanks of existing factories without requiring a significant investment.

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Description

Domaine de l'invention
L'invention concerne la production d'aluminium par électrolyse ignée selon le procédé Hall-Héroult, et plus particulièrement les méthodes et moyens permettant de le mettre en oeuvre de manière industrielle. L'invention concerne tout particulièrement les files de cuves d'électrolyse disposées en travers, c'est-à-dire dont les côtés longs sont perpendiculaires à l'axe de la file.
Etat de la technique
L'aluminium métal est produit industriellement par électrolyse ignée, à savoir par électrolyse de l'alumine en solution dans un bain de cryolithe fondue, appelé bain d'électrolyse, selon le procédé bien connu de Hall-Héroult. Le bain d'électrolyse est contenu dans une cuve comprenant un caisson en acier, qui est revêtu intérieurement de matériaux réfractaires et/ou isolants, et un ensemble cathodique situé au fond de la cuve. Des anodes en matériau carboné sont partiellement immergées dans le bain d'électrolyse. La cuve et les anodes forment ce qui est souvent appelé une cellule d'électrolyse. Le courant d'électrolyse, qui circule dans le bain d'électrolyse et la nappe d'aluminium liquide par l'intermédiaire des anodes et des éléments cathodiques, opère les réactions de réduction de l'alumine et permet également de maintenir le bain d'électrolyse à une température de l'ordre de 950 °C par effet Joule.
Pour des raisons de rentabilité d'une usine, on cherche, d'une part, à réduire les coûts d'investissement et de fonctionnement et, d'autre part, à obtenir simultanément des intensités et des rendements Faraday les plus élevés possible, tout en préservant, voire en améliorant, les conditions de fonctionnement des cellules d'électrolyse.
Dans ce but, les usines les plus modernes contiennent un grand nombre de cellules d'électrolyse disposées en ligne, dans des halls dits d'électrolyse, et raccordées électriquement en série à l'aide de conducteurs de liaison, de manière à optimiser l'occupation au sol des usines. Les cuves, qui ont pratiquement toujours une forme rectangulaire, sont en général disposées côte-à-côte, c'est-à-dire que les grands côtés sont perpendiculaires à l'axe de la file (on dit aussi qu'elles sont orientées "en travers"), mais elles peuvent aussi être disposées tête-à-tête (on dit aussi qu'elles sont orientées "en long"). Les cuves sont généralement disposées de manière à former deux ou plusieurs files parallèles qui sont électriquement liées entre elles par des conducteurs d'extrémité. Le courant d'électrolyse passe ainsi en cascade d'une cellule à la suivante. La longueur et la masse des conducteurs sont le plus réduit possible de manière à limiter les coûts d'investissement et de fonctionnement correspondants, en particulier par une réduction des pertes par effet Joule dans les conducteurs. En outre, le rapprochement des cuves d'électrolyse et l'augmentation des intensités du courant d'électrolyse ont conduit au développement de configurations de conducteurs capables de compenser les effets des champs magnétiques produits par le courant d'électrolyse.
Dans ce même but, il est connu de doter les cuves, ou files de cuves, de moyens de contrôle élaborés qui permettent une grande maítrise du procédé d'électrolyse. En particulier, la demande française FR 2 753 727, au nom de la demanderesse, propose un procédé de régulation fine de la température qui permet d'atteindre des valeurs élevées du rendement Faraday.
Les cuves d'électrolyse sont généralement pilotées de telle manière qu'elles se trouvent en équilibre thermique, c'est-à-dire que la chaleur dissipée par chaque cuve d'électrolyse est globalement compensée par la chaleur produite dans celle-ci, qui provient essentiellement du courant d'électrolyse. Les conditions d'équilibre thermique dépendent des paramètres physiques de la cuve, tels que les dimensions et la nature des matériaux constitutifs, et des conditions de fonctionnement de la cuve, tels que la résistance électrique de la cuve, la température du bain ou l'intensité du courant d'électrolyse. La cuve est souvent constituée et conduite de façon à entraíner la formation d'un talus de bain solidifié sur les parois latérales de cette cuve, ce qui permet notamment d'inhiber l'attaque des revêtements desdites parois par la cryolithe liquide. Le point d'équilibre thermique est généralement choisi de manière à atteindre les conditions de fonctionnement les plus favorables d'un point de vue non seulement technique, mais également économique.
Le brevet français FR 2 552 782 (correspondant au brevet américain US 4 592 821), au nom de la demanderesse, décrit une file de cuves d'électrolyse qui peut fonctionner industriellement à des intensités supérieures à 300 kA et avec des rendements Faraday supérieurs à 90 %.
Problème posé
Le développement continu des performances des usines d'électrolyse, aussi bien sur le plan technique que sur le plan économique, a conduit la demanderesse à rechercher des solutions pour augmenter la rentabilité des usines de manière globale, en prévoyant notamment la possibilité d'une plage d'intensités de fonctionnement des cuves. En effet, la possibilité d'effectuer des variations volontaires des conditions de fonctionnement, qui peuvent être importantes par rapport aux conditions nominales, est souvent utile dans la gestion d'une usine d'électrolyse. Par exemple, on peut chercher à varier la puissance d'une série de cuves d'électrolyse en fonction d'un contrat d'énergie électrique.
Or, la demanderesse a constaté que les cuves d'électrolyse présentent des hétérogénéités de température, et plus précisément une dispersion des valeurs de température dans l'ensemble de la masse liquide, qui, quoique relativement faibles, ont tendance à se maintenir dans le temps, c'est-à-dire que certains écarts de température par rapport à la valeur moyenne de la cuve ne s'annulent pas par un effet de moyenne dans le temps. Ces hétérogénéités ont en particulier pour inconvénient de limiter la finesse de la régulation thermique des cuves. Les procédés de régulation connus permettent certes de maítriser les fluctuations de température dans le temps, mais ne limitent pas directement la dispersion des valeurs de température sur l'ensemble de la cuve. En outre, les zones de température inférieure à la valeur de consigne favorisent les dépôts de matière au fond de la cuve et la formation de talus filant (c'est-à-dire qu'une partie du talus recouvre partiellement la cathode), qui augmentent la chute cathodique et sont à l'origine d'instabilités de la cuve, et les zones de température supérieure à la valeur de consigne tendent à réduire les talus de bain solidifié protecteur sur les côtés de cuve et peuvent conduire à une usure irrégulière des revêtements.
La demanderesse a donc recherché des solutions pour réduire la dispersion des températures et les fluctuations thermiques dans les cuves d'électrolyse qui pallient les inconvénients de l'art antérieur tout en restant satisfaisantes pour la conception générale des cuves, notamment en ce qui concerne l'occupation au sol et les coûts d'investissement et de fonctionnement, et pour la conduite des cuves.
Objet de l'invention
L'invention a pour premier objet un arrangement de cuves d'électrolyse disposées en travers, pour la production d'aluminium par électrolyse ignée selon le procédé Hall-Héroult.
L'invention a également pour objet une usine d'électrolyse comprenant un arrangement de cuves selon le premier objet de l'invention.
Description de l'invention
Selon l'invention, l'arrangement de cuves d'électrolyse, pour la production d'aluminium par électrolyse ignée selon le procédé Hall-Héroult avec un courant d'électrolyse d'intensité Io, comprend au moins une première file de cuves d'électrolyse, formant un premier circuit électrique, et au moins un deuxième circuit électrique situé à une distance moyenne déterminée de ladite première file, ladite première file comprenant N cuves disposées en travers et des conducteurs de liaison pour transmettre ledit courant d'électrolyse Io d'une cuve de ladite file, dite cuve amont, à la cuve suivante de ladite file, dite cuve aval, chaque cuve comprenant un caisson métallique, des éléments de revêtement intérieur, des anodes et des éléments cathodiques, lesdits éléments cathodiques étant munies de sorties cathodiques de raccordement faisant saillie du côté amont et du côté aval du caisson de chaque cuve, une première partie Im du courant Io sortant par les sorties cathodiques faisant saillie du côté amont de chaque cuve, une deuxième partie Iv du courant Io sortant par les sorties cathodiques faisant saillie du côté aval de chaque cuve, lesdits conducteurs de liaison comprenant des conducteurs ascendants, appelés "montées", le courant Io provenant de l'ensemble des éléments cathodiques d'une cuve amont étant transmis aux anodes de la cuve aval par l'intermédiaire desdites montées, et est caractérisé en ce qu'au moins un conducteur dit "axial" passe sous chaque cuve amont, dans la zone centrale, en ce qu'au moins un conducteur dit "latéral" passe sous chaque cuve amont, dans la zone latérale intérieure, c'est-à-dire la zone de chaque cuve située du côté dudit deuxième circuit électrique, en ce qu'au moins un conducteur dit "de contournement" contourne chaque cuve amont, en ce que le ou chaque conducteur latéral est raccordé à un premier ensemble desdites sorties cathodiques situées du côté amont de manière à transmettre aux dites montées une première partie I1 du courant Im, comprise entre 10 et 20 % dudit courant Im, en ce que le ou chaque conducteur axial est raccordé à un deuxième ensemble desdites sorties cathodiques situées du côté amont de manière à transmettre aux dites montées une deuxième partie I2 dudit courant Im, comprise entre 10 et 20 % dudit courant Im, en ce que le ou chaque conducteur de contournement est raccordé à un troisième ensemble desdites sorties cathodiques situées du côté amont de manière à transmettre une troisième partie I3 du courant Im, correspondant au reste du courant Im, en ce que lesdites montées sont raccordées aux sorties cathodiques situées du côté aval de la cuve amont correspondante, aux conducteurs passant sous ladite cuve, et au, ou à chaque, conducteur de contournement de ladite cuve, de manière à ce qu'une fraction Mc du courant Io inférieure à 15 %, et de préférence inférieure à 10 %, est transmise par les montées situées dans la zone centrale de la file.
Les zones latérales et centrale de la cuve et de la file sont délimitées par deux plans imaginaires verticaux et parallèles à l'axe de la file. Chacun desdits plans intercepte les cuves de manière à former trois zones correspondant à trois volumes comparables de masse liquide à l'intérieur de chaque cuve de la file. De préférence, le volume central est compris entre 25 et 40 % du volume total, et de préférence encore entre 30 et 35 % du volume total. Le volume exact de chaque zone, ainsi que la répartition exacte du courant sous la cuve, sont fonctions de la structure de la cuve (notamment du nombre de sorties cathodiques) et du mode de fonctionnement de la cuve (notamment de l'épaisseur des talus de bain solidifié sur les bords du creuset de la cuve, ce qui modifie la répartition des masses liquides).
Ledit deuxième circuit électrique, appelé également "file voisine" dans la suite du texte, est généralement sensiblement parallèle à la file et comprend généralement au moins une cuve d'électrolyse. Il comprend le plus souvent une file de cuves d'électrolyse, mais il peut éventuellement être constitué uniquement de conducteurs. En fonctionnement, un courant d'intensité Io' circule dans ledit deuxième circuit. L'arrangement des cuves est de préférence tel que les courants Io et Io' ont des intensités sensiblement égales et circulent dans des directions opposées l'une de l'autre.
Le partage du courant amont des cuves d'électrolyse entre les conducteurs est fonction de l'intensité du courant de la file Io et de celui de la file voisine Io', ainsi que de la distance entre les deux files de cuves.
Description des figures
La figure 1 montre le raccordement électrique entre deux cuves successives d'une file selon l'art antérieur (correspondant au brevet français FR 2 552 782 et au brevet américain US 4 592 821). La direction de la file voisine est indiquée par la flèche FV. La direction du courant d'électrolyse est indiqué par la flèche Io.
La figure 2 illustre les paramètres de répartition du courant dans une file de cuves d'électrolyse selon l'invention. Afin de simplifier la figure, seules deux cuves sont représentées : une cuve amont de rang n et une cuve aval de rang n + 1. Le côté amont d'une cuve est identifié par les lettres AM ; le côté aval est identifié par les lettres AV. Les zones latérales et centrale du plan de cuve sont délimitées par deux plans verticaux P1 et P2 parallèles à l'axe A de la file et placés de part et d'autre de cet axe. Les zones latérale intérieure, centrale et latérale extérieure sont identifiées respectivement par les lettres F, C et E. La flèche indique le sens du courant d'électrolyse.
La figure 3 montre le raccordement électrique entre deux cuves successives d'un arrangement selon l'invention. La direction de la file voisine est indiquée par la flèche FV. La direction du courant d'électrolyse est indiqué par la flèche Io.
Description détaillée de l'invention
Dans un arrangement de cuves selon l'invention, chaque cuve comprend un caisson (1), généralement en acier, garni intérieurement de matériaux réfractaires isolants, des anodes et des éléments cathodiques. Les anodes et les éléments cathodiques ne sont pas illustrés pour simplifier les figures. Les éléments cathodiques comportent des blocs carbonés et des barres cathodiques scellées dans lesdits blocs ; un élément cathodique comprend généralement une ou deux barres cathodiques. Les barres cathodiques font saillie de chaque côté des cuves et forment lesdites sorties cathodiques amont (3) et aval (4) (le terme "sortie cathodique" désigne l'ensemble des barres cathodiques d'un même élément faisant saillie sur un côté de la cuve). En général, les éléments cathodiques sont disposés côte à côte dans le sens transversal des cuves. Les anodes, généralement constituées de pâtes carbonées précuites et de tiges d'anodes métalliques scellées dans lesdites pâtes, sont fixées à un croisillon (5) mobile.
Les moyens de raccordement électrique entre les sorties cathodiques et le croisillon comprennent des conducteurs ascendants (ou montées) (6A, 6B, 6B', 6C, 6D, 6D', 6E), des conducteurs axiaux (7), des conducteurs latéraux (8) et des conducteurs de contournement (11A et 11B). Afin de permettre la mobilité du croisillon, les montées sont raccordées au croisillon par l'intermédiaire de conducteurs électriques souples (10A, 10B, 10B', 10C, 10D, 10D', 10E). Le circuit peut comprendre des conducteurs intermédiaires (12, 13, 14A, 14B, 15A, 15B, 16A, 16B, 17A, 17B, 18A, 18B, 19A, 19B, 20A, 20B, 21) et des conducteurs de liaisons équipotentielles (22, 23A, 23B) pour répartir le courant d'électrolyse dans les montées.
L'intensité du courant I1 est de préférence comparable à l'intensité du courant I2, en ce sens qu'elles différent de moins de 15 % par rapport à la moyenne de I1 et I2 (c'est-à-dire (I1 + I2)/2).
Le conducteur axial est de préférence unique. De préférence également, le conducteur latéral est unique. Il est également avantageux qu'un conducteur de contournement unique (dit conducteur de contournement intérieur) contourne la cuve du côté intérieur et/ou qu'un conducteur de contournement unique (dit conducteur de contournement extérieur) contourne la cuve du côté extérieur. Ces mesures permettent de mettre en oeuvre l'invention de manière efficace tout en maintenant un circuit électrique relativement simple.
Selon une variante préférée de l'invention, chaque cuve comprend au moins un conducteur de contournement intérieur et au moins un conducteur de contournement extérieur, et l'intensité Ii du courant circulant dans le, ou l'ensemble des, conducteur(s) de contournement intérieur est comparable à l'intensité Ie du courant circulant dans le, ou l'ensemble des, conducteur(s) de contournement extérieur. De préférence, les intensités Ii et Ie diffèrent de moins de 15 % par rapport à la moyenne de Ii et Ie (c'est-à-dire (Ii + Ie)/2).
Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la montée centrale 6C ne porte aucun courant, et est de préférence absente, les montées (6A, 6B, 6B', 6D, 6D', 6E) sont placées symétriquement de part et d'autre du plan axial de la file, hors de ladite zone centrale C, chaque cuve comprend un conducteur axial unique (7), un conducteur latéral unique (8), un premier conducteur de contournement unique (11B) du côté de la file voisine, ou "côté intérieur", et un second conducteur de contournement unique (11A) du côté opposé à la file voisine, ou "côté extérieur". Aucun courant ne circule sous le caisson dans la zone E située du côté extérieur de la cuve.
Les montées sont de préférence situées entre les cuves, c'est-à-dire entre les deux côtés adjacents de cuves successives. De préférence, le nombre desdites montées est pair et un nombre égal de montées est placé de chaque côté de l'axe de la file.
De préférence, l'intensité du courant circulant dans le conducteur axial (7) et l'intensité du courant circulant dans le conducteur latéral (8) sont comparables, c'est-à-dire qu'elles diffèrent de moins de 15 % par rapport à la moyenne de leurs valeurs. De préférence, les conducteurs de contournement (11A, 11B) transportent également un courant d'une intensité comparable.
De préférence, le, ou chaque, conducteur latéral passant sous la cuve est situé près de l'extrémité de la cuve, et de préférence encore à proximité de la dernière sortie cathodique.
En pratique, les N cuves d'une file comprennent typiquement deux cuves d'extrémité (à savoir la cuve de rang 1 et la cuve de rang N) qui n'ont pas de cuve amont ou aval, ou dont la cuve amont ou aval n'est pas située à la même distance que les cuves de la file (qui sont généralement équidistantes), ou dont la cuve amont ou aval n'est pas située dans l'axe de la file. Dans ces cas, les conducteurs d'alimentation de la première cuve de la file et/ou les conducteurs de raccordement de la dernière cuve de la file au circuit électrique ou à la file suivante peuvent avoir une configuration différente de celle des conducteurs de liaison entre les N cuves de la file. En particulier, lesdits conducteurs de raccordement de la dernière cuve peuvent ne pas comprendre de montées.
Essais comparatifs
Des mesures de température ont été réalisées sur un arrangement de cuves selon l'art antérieur le plus proche (figure 1) et sur un arrangement de cuves prototype selon l'invention (figure 3). Dans ces essais, chaque cuve comprenait 20 sorties cathodiques de chaque côté, c'est-à-dire 20 sorties du coté amont et 20 sorties du côté aval. Chaque sortie cathodique comprenait deux barres cathodiques. Le courant d'électrolyse Io était sensiblement le même dans tous ces essais, à savoir 300 kA. Les files voisines étaient situées à la même distance dans tous les cas, à savoir environ 85 m centre-à-centre. Le courant Io' circulant dans les files voisines était sensiblement égal au courant d'électrolyse Io.
Dans l'arrangement de cuves d'électrolyse de l'art antérieur (figure 1), le courant cathodique des sorties amont (Im) était réparti comme suit dans les conducteurs de transmission : 15 kA dans le conducteur (9A), 7,5 kA dans le conducteur (9B), 22,5 kA dans le conducteur (9C), 52,5 kA dans le conducteur (11A) et 52,5 kA dans le conducteur (11B). Le courant cathodique total de la cuve aval était réparti comme suit dans les montées : 60 kA dans les montées (6A) et (6E), 15 kA dans les montées (6B) et (6D'), 45 kA dans les montées (6B') et (6D), et 60 kA dans la montée centrale (6C). Chaque sortie cathodique transportait un courant sensiblement de même intensité, soit environ 7,5 kA.
Le nombre de montées était de 7 disposées comme sur la figure 1. Ces montées étaient disposées entre les cuves amont et aval et symétriquement de part et d'autre de l'axe de la file de cuves.
Dans l'arrangement selon l'invention, les conducteurs électriques avaient une configuration similaire à celle illustrée à la figure 3. Les trois zones découpaient le plan de la cuve en trois surfaces sensiblement de mêmes dimensions, c'est-à-dire que les plans P1 et P2 interceptaient le plan de la cuve de manière à former une zone centrale (C) correspondant à 32 % de la masse liquide et deux zones latérales (une zone E du côté extérieur et une zone F du côté de la file voisine) correspondant chacune à 34 % de la masse liquide (en tenant compte des talus). La zone centrale comprenait 6 sorties cathodiques et chaque zone latérale comprenait 7 sorties cathodiques. Chacune des sorties cathodiques transportait un courant sensiblement de même intensité, soit environ 7,5 kA.
Le courant provenant des sorties cathodiques amont (Im), ou "courant amont", était réparti comme suit dans les conducteurs de transmission : 20,0 kA dans le conducteur axial (7), 25,0 kA dans le conducteur latéral (8), 52,5 kA dans les conducteurs de contournement (11A) et (11B). Cette répartition correspond à : 13,3 % dans le conducteur axial, 16,7 % dans le conducteur latéral, 35 % dans le conducteur de contournement du côté de la file voisine et 35 % dans le conducteur de contournement du côté extérieur.
Le courant cathodique total de la cuve aval était réparti comme suit dans les montées : 76,5 kA dans les montées (6A) et (6E), 28,0 kA dans les montées (6B) et (6D'), et 45,5 kA dans les montées (6B') et (6D). Le courant ascendant circulant dans la zone centrale était donc nul.
Le nombre de montées était de 6, soit 3 montées dans la zone latérale extérieure et 3 montées dans la zone latérale intérieure (et donc aucune montée dans la zone centrale). Ces montées étaient disposées entre les cuves amont et aval et symétriquement de part et d'autre de l'axe de la file de cuves.
Les mesures de température ont été effectuées à l'aide de thermocouples fichés dans la paroi verticale du caisson des cuves et disposés autour du caisson. Dans le cas des cuves de l'art antérieur, les mesures ont été effectuées sur 20 cuves d'une même file. Dans le cas des cuves selon l'invention, les mesures ont été effectuées sur 3 cuves en file.
Ces essais ont montré que l'arrangement selon l'invention permet d'obtenir une diminution significative de l'écart de température entre les côtés amont et aval de chaque cuve. Typiquement, l'écart entre les valeurs de température mesurées dans la zone centrale côté amont, au niveau de l'interface entre le bain d'électrolyse et le métal liquide, et celles mesurées dans la zone centrale côté aval, également au niveau de l'interface entre le bain d'électrolyse et le métal liquide, observé sur les cuves selon l'invention était inférieur de 25°C ± 10°C à celui observé sur les cuves selon l'art antérieur.
Avantages de l'invention
L'arrangement de cuves selon l'invention permet de modifier avantageusement les files de cuves d'usines existantes sans nécessiter un investissement important.

Claims (11)

  1. Arrangement de cuves d'électrolyse, pour la production d'aluminium par électrolyse ignée selon le procédé Hall-Héroult à l'aide d'un courant d'électrolyse d'intensité Io, comprenant au moins une première file de cuves d'électrolyse, formant un premier circuit électrique, et au moins un deuxième circuit électrique situé à une distance moyenne déterminée de ladite première file, ladite première file comprenant N cuves disposées en travers et des conducteurs de liaison pour transmettre ledit courant d'électrolyse Io d'une cuve de ladite file, dite cuve amont, à la cuve suivante de ladite file, dite cuve aval, chaque cuve comprenant un caisson métallique, des éléments de revêtement intérieur, des anodes et des éléments cathodiques, lesdits éléments cathodiques étant munies de sorties cathodiques de raccordement faisant saillie du côté amont et du côté aval du caisson de chaque cuve, une première partie Im du courant Io sortant par les sorties cathodiques faisant saillie du côté amont de chaque cuve, une deuxième partie Iv du courant Io sortant par les sorties cathodiques faisant saillie du côté aval de chaque cuve, lesdits conducteurs de liaison comprenant des conducteurs ascendants, appelés "montées", le courant Io provenant de l'ensemble des éléments cathodiques d'une cuve amont étant transmis aux anodes de la cuve aval par l'intermédiaire desdites montées, ledit arrangement étant caractérisé en ce qu'au moins un conducteur dit "axial" passe sous chaque cuve amont, dans la zone centrale, en ce qu'au moins un conducteur dit "latéral" passe sous chaque cuve amont, dans la zone latérale intérieure, c'est-à-dire la zone de chaque cuve située du côté dudit deuxième circuit électrique, en ce qu'au moins un conducteur dit "de contournement" contourne chaque cuve amont, en ce que le ou chaque conducteur latéral est raccordé à un premier ensemble desdites sorties cathodiques situées du côté amont de manière à transmettre aux dites montées une première partie I1 du courant Im, comprise entre 10 et 20 % dudit courant Im, en ce que le ou chaque conducteur axial est raccordé à un deuxième ensemble desdites sorties cathodiques situées du côté amont de manière à transmettre aux dites montées une deuxième partie 12 dudit courant Im, comprise entre 10 et 20 % dudit courant Im, en ce que le ou chaque conducteur de contournement est raccordé à un troisième ensemble desdites sorties cathodiques situées du côté amont de manière à transmettre une troisième partie I3 du courant Im, correspondant au reste du courant Im, en ce que lesdites montées sont raccordées aux sorties cathodiques situées du côté aval de la cuve amont correspondante, aux conducteurs passant sous ladite cuve et au, ou à chaque, conducteur de contournement de ladite cuve, de manière à ce qu'une fraction Mc du courant Io inférieure à 15 % est transmise par les montées situées dans la zone centrale de ladite file.
  2. Arrangement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fraction Mc est inférieure à 10 %.
  3. Arrangement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les montées se situent entre les deux côtés adjacents de cuves successives.
  4. Arrangement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le deuxième circuit comprend au moins une cuve.
  5. Arrangement selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le conducteur axial est unique.
  6. Arrangement selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le conducteur latéral est unique.
  7. Arrangement selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'intensité du courant I1 et l'intensité du courant I2 diffèrent de moins de 15 % par rapport à la moyenne de I1 et I2.
  8. Arrangement selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque cuve comprend un seul conducteur de contournement.
  9. Arrangement selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque cuve comprend au moins un conducteur de contournement intérieur et au moins un conducteur de contournement extérieur, et en ce que l'intensité du courant Ii circulant dans le, ou l'ensemble des, conducteur(s) de contournement intérieur et l'intensité du courant Ie circulant dans le, ou l'ensemble des, conducteur(s) de contournement extérieur diffèrent de moins de 15 % par rapport à la moyenne de Ii et Ie.
  10. Arrangement selon l'une des revendications 1 à 7 et 9, caractérisé en ce que chaque cuve comprend un seul conducteur de contournement du côté extérieur et un seul conducteur de contournement du côté intérieur.
  11. Usine d'électrolyse comprenant au moins un arrangement de cuves d'électrolyse selon les revendications 1 à 10.
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