EP3256623A1 - Aluminerie et procédé de compensation d'un champ magnétique créé par la circulation du courant d'électrolyse de cette aluminerie - Google Patents

Aluminerie et procédé de compensation d'un champ magnétique créé par la circulation du courant d'électrolyse de cette aluminerie

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EP3256623A1
EP3256623A1 EP16748782.6A EP16748782A EP3256623A1 EP 3256623 A1 EP3256623 A1 EP 3256623A1 EP 16748782 A EP16748782 A EP 16748782A EP 3256623 A1 EP3256623 A1 EP 3256623A1
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EP
European Patent Office
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electrolysis
current
compensation
intensity
upstream
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EP16748782.6A
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EP3256623B8 (fr
EP3256623B1 (fr
EP3256623A4 (fr
Inventor
Benoit BARDET
Steeve RENAUDIER
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Rio Tinto Alcan International Ltd
Original Assignee
Rio Tinto Alcan International Ltd
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Publication date
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Publication of EP3256623A1 publication Critical patent/EP3256623A1/fr
Publication of EP3256623A4 publication Critical patent/EP3256623A4/fr
Application granted granted Critical
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Publication of EP3256623B8 publication Critical patent/EP3256623B8/fr
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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
    • 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 an aluminum smelter for the production of aluminum by electrolysis, and a method of compensating the vertical and horizontal components of a magnetic field generated by the circulation of an electrolysis current in this smelter.
  • an electrolytic cell comprising a steel box inside which is arranged a coating of refractory materials, a cathode of carbon material, crossed by cathode conductors for collecting the electrolysis current at the cathode to lead to cathode outlets through the bottom or sides of the box, routing conductors extending substantially horizontally to the next tank from the cathode outlets, an electrolytic bath in which is dissolved alumina at least one anode assembly having at least one anode immersed in said electrolytic bath, an anode frame to which the anode assembly is suspended, and electrolysis current rise conductors extending from bottom to top connected to the conductors for routing the preceding electrolytic cell to convey the electrolysis current from the cathode outlets to the anodic frame e and the anode assembly and the anode of the next vat.
  • the anodes are more particularly of anode type pre
  • Aluminum production plants, or aluminum smelters traditionally comprise several hundred electrolytic cells, aligned transversely in parallel queues and connected in series.
  • MHD magnetohydrodynamic instabilities
  • the horizontal components of the magnetic field are the most antisymmetric possible in liquids (electrolytic bath and metal sheet).
  • liquids electrolytic bath and metal sheet.
  • antisymmetric means that when we move perpendicular to the central axis of the tank, parallel to the relevant component of the field, and when we go located at equal distance on either side of this central axis, the value of the component considered is opposite.
  • the antisymmetry of the horizontal components of the magnetic field is the configuration providing the most symmetrical interface interface and as flat as possible in the tank.
  • the main advantage of self-compensation is the use of the electrolysis current itself to compensate for MHD instabilities.
  • Another solution for reducing MHD instabilities consists in using a secondary electrical circuit, or external loop, along the rows of electrolysis cells, on the sides.
  • This secondary electrical circuit is traversed by a current whose intensity equals a predetermined percentage of the intensity of the electrolysis current.
  • the outer loop generates a magnetic field that compensates for the effects of the magnetic field created by the electrolysis current of the next row of electrolysis cells.
  • the external loop compensation solution has the advantage of having a secondary circuit independent of the main circuit traversed by the electrolysis current.
  • the arrangement of the secondary circuit, located on the sides of the tank lines near the short sides of the boxes, at the height of the bath-metal interface, allows compensation of the vertical component without impacting the horizontal components of the magnetic field.
  • the external loop compensation solution significantly reduces the length, mass and electrical losses of the routing conductors, but requires an additional power station and additional independent secondary electrical circuit.
  • the external loop compensation solution involves a combination of magnetic fields, with the current of the series, creating a very strong total ambient field, so that it implies constraints on operations and equipment (for example shielding necessary vehicles), and so that the magnetic field of a queue impacts the stability of the tanks of the next file.
  • constraints on operations and equipment for example shielding necessary vehicles
  • the magnetic field of a queue impacts the stability of the tanks of the next file.
  • junction portion of the electrolysis circuit and the secondary circuit joining the ends of two adjacent rows of electrolytic cells tends to destabilize the end of the tank.
  • this portion of the secondary circuit it is possible to configure this portion of the secondary circuit according to a predetermined path, as is known from patent FR2868436, to correct the magnetic field so that the impact on the tanks end-to-end becomes acceptable.
  • this path lengthens the length of the secondary circuit, therefore the material cost.
  • the usual solution is to move the junction portion of the secondary circuit and the electrolysis circuit of the tanks located at the end of the line, but this increases the space requirement in addition to increasing the length of the electrical conductors so the material and energy cost.
  • the present invention aims to overcome all or part of these disadvantages by providing an aluminum smelter with a magnetic configuration for having very magnetically stable tanks, and offering improved compactness.
  • the present invention also relates to a method of compensating a magnetic field created by the circulation of an electrolysis current in this aluminum smelter.
  • the subject of the present invention is an aluminum plant comprising at least one row of electrolysis cells arranged transversely with respect to the length of said at least one line, one of the electrolytic cells comprising anode assemblies and electrical conductors. mounting and connecting to the anode assemblies, characterized in that the rising and connecting electrical conductors extend upwardly along two opposite longitudinal edges of the electrolytic cell to conduct the electrolysis current to the assemblies anodic, and in that the smelter includes
  • At least one first compensation electric circuit extending under the electrolytic cells, said at least one first compensation electric circuit being traversed by a first compensation current intended to flow under the electrolysis cells in the opposite direction of the direction overall circulation of the electrolysis current,
  • At least one second compensation electric circuit extending over at least one side of said at least one electrolysis cell line, said at least one second compensation electric circuit that can be traversed by a second compensation current for circulating in the same direction as the overall flow direction of the electrolysis current.
  • the aluminum plant according to the invention offers the advantage of having vessels that are very stable magnetically, since they compensate both the horizontal and vertical components of the magnetic field generated by the circulation of the electrolysis current, which makes it possible to improve the overall efficiency, and this without negative impact on the size of the smelter according to the invention since the first compensation electric circuit extends under the electrolysis tanks.
  • the rising and connecting electrical conductors comprise upstream and upstream electrical connection conductors, adjacent to the upstream longitudinal edge of the electrolytic cell, and adjacent upstream and downstream electrical connection conductors.
  • the aluminum smelter is configured so that the distribution of the electrolysis current is asymmetrical between the upstream and downstream electrical up and down conductors, the intensity of the upstream electrolysis current intended to cover all the upstream electrical conductors and upstream connection of the electrolysis cell being equal to 50-100 [% of the intensity of the electrolysis current, and the intensity of the downstream electrolysis current intended to traverse all the electrical conductors of upstream and downstream connection of the electrolytic cell being equal to] 0-50 [% of the intensity of the current electrolysis, the sum of the intensities of the upstream and downstream electrolysis currents being equal to the intensity of the electrolysis current.
  • An advantage of these characteristics is to enable the magnetic field to be effectively compensated for a large electrolytic cell, in particular of large width, without any additional cost of raw materials.
  • the applicant has observed that the aluminum plant according to the present invention makes it possible to introduce an asymmetry in the distribution of the electrolysis current between the upstream and the downstream of the electrolytic cells without detrimental increase of the section of the electrical conductors of routing, while having electrolysis cells very stable magnetically.
  • the smelter comprises a feed station configured to circulate through said at least one first compensation electric circuit a first intensity compensation current equal to twice the current intensity of downstream electrolysis, within plus or minus 20%, and preferably within plus or minus 10%.
  • An advantage of this characteristic is that for this value of the intensity of the first compensation current, which is a direct function of the distribution of the electrolysis current between the upstream and the downstream of the electrolysis cells, the applicant has observed that the horizontal magnetic field generated by the first compensation electric circuit precisely corrects the asymmetry of the horizontal magnetic field resulting from the dissymmetry between the upstream and downstream electrolysis current, and this, in order to have an antisymmetric distribution of the horizontal components of the field
  • This first compensating current also makes it possible to partially correct the vertical magnetic field, as a function of the distribution between the upstream and downstream electrolysis current of the tank, in order to reduce the MHD instabilities in the tank.
  • the smelter comprises a feed station configured to circulate through said at least one second compensation electric circuit a second intensity compensation current of between 50% and 100% of the difference between intensity between the upstream and downstream electrolysis currents, and preferably between 80% and 100% of the difference in intensity between the upstream and downstream electrolysis currents.
  • intensity of the second compensation current is meant the sum of the currents flowing in the conductors forming the second compensation circuit, especially when the second compensation circuit consists of two conductors (or loops) arranged on either side of the electrolysis tank.
  • the vertical magnetic field generated by the second compensation electric circuit corrects the vertical magnetic field generated by the electrolysis current flowing in the main electrical circuit (tank-to-tank circuit) and already partly corrected by the current flowing in the first compensation circuit.
  • the electrical conductors of rise and connection are distributed at regular intervals along the longitudinal edge of the electrolysis cell to which these electrical conductors of rise and connection are adjacent.
  • An advantage of this characteristic is to have a uniform distribution over the entire length of the vessel of the horizontal longitudinal component of the magnetic field (that is to say, parallel to the length of the electrolytic cell), which allows to facilitate its compensation via the first compensation circuit.
  • the rising and connecting electrical conductors are advantageously arranged symmetrically with respect to the transverse median plane XZ of the electrolysis cells, which makes it possible to obtain an antisymmetric distribution of the transverse component of the magnetic field along X.
  • the upstream electrical connection and upstream connection conductors and the downstream electrical connection and connection conductors are located equidistant from a longitudinal median plane YZ of the electrolysis cell.
  • the upstream electrical connection and upstream connection conductors and the upstream electrical connection and connection conductors are arranged substantially symmetrically with respect to said longitudinal median plane YZ of the electrolysis cell.
  • This configuration combined with the first compensation circuit, ensures perfect antisymmetry of the longitudinal component of the magnetic field along Y.
  • said at least one first compensation electric circuit comprises electrical conductors extending under the electrolytic cells together forming a sheet consisting of a plurality of parallel electrical conductors, typically from two to twelve, and preferably from three to ten parallel electrical conductors.
  • the number of parallel conductors required depends in part on the distance between the liquids and the same conductors. The greater the distance, the smaller the number of drivers, the shorter the distance, the higher the number of drivers.
  • the first compensation electric circuit is configured so that the first compensation current flows in the same direction through all the electrical conductors of the sheet.
  • the intensity of the first compensation current corresponds to the sum of the intensities of the currents flowing in each of the parallel electrical conductors of the sheet extending under the tanks.
  • the electrical conductors of said sheet are arranged at regular intervals from each other in a longitudinal direction Y of the electrolysis cells.
  • the electrical conductors of said ply are arranged substantially symmetrically with respect to a transverse median plane XZ of the electrolysis cells.
  • the electrical conductors of said sheet are arranged in the same horizontal plane XY.
  • An advantage of these features is to further improve the unfavorable magnetic field compensation.
  • said at least one second compensation electric circuit comprises electrical conductors extending on each side of said at least one row of electrolysis cells, and the second compensation current flows in the same direction as the direction of overall circulation of the electrolysis current on each side of the electrolysis cells.
  • the electrical conductors of said at least one second compensation electric circuit form an inner loop and an outer loop, and thus provide improved compensation of the magnetic field.
  • internal loop is meant the loop being closest to the neighboring queue and external loop, the loop being the furthest.
  • the intensity of a second compensation current flowing in an internal loop of said at least one second compensation circuit differs from the intensity of a second compensation current flowing in an external loop of said at least one second compensation circuit.
  • This characteristic makes it possible to compensate for the residual vertical magnetic field of the neighboring queue.
  • the intensity of the second compensation current corresponds to the sum of the intensities of the currents flowing in each of the loops.
  • the intensity of the second compensation current flowing in the inner loop is greater than the intensity of the second compensation current flowing in the outer loop.
  • This neighboring queue creates a magnetic field proportional to a stream of the series to which the downstream electrolysis current is subtracted twice, whereas a series of "conventional" electrolysis will undergo a magnetic field directly proportional to the totality of the current. electrolysis.
  • the disturbing field created by the neighboring queue is much smaller and requires a much smaller correction. Therefore, regarding the second compensation circuit, the difference between the intensity of the inner loop and that of the outer loop will be much smaller than in the case of patent EP0204647 and the gap between the two rows of tanks can be minimized.
  • the electrical conductors forming the second electrical compensation circuit are substantially symmetrical with respect to a median transverse plane XZ of the electrolysis cells.
  • the electrical conductors of the second compensation electric circuit extend in the same horizontal plane XY, preferably up to a sheet of liquid aluminum formed inside the electrolysis cells during of the electrolysis reaction.
  • This arrangement improves the compensation of the vertical magnetic field without impacting the horizontal component of the field already compensated by the first compensation circuit.
  • the aluminum plant comprises two consecutive and parallel rows of electrolysis cells, and the circuit of the inner loop forms at the end of the line means of compensation for "end of line” effects caused by the connecting conductors between the queues, which provides more magnetic stability and thus improves the performance of the end tanks.
  • said at least one first compensation electric circuit is independent of the main electrical circuit traversed by the electrolysis current.
  • This characteristic has the advantage of limiting the consequences of a damage such as an electrolysis cell piercing by the liquids contained in this electrolytic cell.
  • this characteristic is advantageous in terms of scalability since it makes it possible to vary the intensity of the first compensation current to adjust the magnetic compensation.
  • An adjustment of the magnetic compensation is useful when the electrolysis vessels are modified, because the magnetic configuration of these electrolysis cells is modified, or to adapt the stirring of the alumina to the quality of this alumina (which allows to maintain optimal performance despite the different quality of alumina).
  • said at least one second compensation electric circuit is independent of the main electrical circuit traversed by the electrolysis current.
  • this has an advantage in terms of scalability since it makes it possible to vary the intensity of the first compensation current to adjust the magnetic compensation.
  • the electrolysis cell has a modular electrical construction in N modules repeated in the direction of its length, each module comprising electrical conductors configured to generate the same predetermined magnetic configuration.
  • This characteristic is advantageous in terms of scalability: it allows modifications of the electrolytic cell, for example an enlargement by adding one or more modules, without modifying the principle of magnetic equilibration of the electrolytic cell.
  • each electrical module has the same arrangement of electrical conductors, each electrical conductor of an electrical module being traversed by the same intensity and the same direction of current as the corresponding electrical conductor of an adjacent electrical module.
  • the electrical conductors of each module include electrical risers and connectors, anode assemblies, cathodes, cathode conductors, cathode outlets, electrical conductors, and conductors. electrically of the electrical conductor ply of the first compensation electric circuit.
  • These electrical conductors are arranged relative to each other in the same way from one module to another.
  • each electrical module comprises the same number of electrical conductors of the electrical conductor ply of the first compensation electric circuit.
  • the electrolysis cells of the smelter comprise all or part of the aforementioned characteristics of the electrolytic cell.
  • the invention also relates to a method for compensating a magnetic field created by the circulation of an electrolysis current in a plurality of electrolysis cells of an aluminum smelter having the aforementioned characteristics, the method comprising:
  • this method provides effective magnetic compensation of the magnetic field generated by the circulation of the electrolysis current in the series of electrolysis cells of the aluminum plant, by limiting the bulk.
  • the process comprises an asymmetrical distribution of the electrolysis current between the upstream and downstream electrolysis cells, the set of electrical conductors upstream and connection upstream of the electrolysis tanks.
  • electrolysis being traversed by an upstream electrolysis current of intensity of between 50-100 [% of the intensity of the electrolysis current, and all of the electrical conductors for rising and connecting downstream of the tanks electrolysis being traversed by a downstream electrolysis current of intensity between 0-50 [% of the intensity of the electrolysis current, the sum of the intensities of the upstream and downstream electrolysis currents being equal to intensity of the electrolysis current.
  • This method makes it possible to obtain magnetically stable electrolytic cells, even when the electrolysis cells are large, in particular of great width.
  • the yield can thus be substantially increased.
  • the intensity of the first compensation current is equal to twice the intensity of the downstream electrolysis current, within plus or minus 20%, and preferably within plus or minus 10%.
  • the intensity of the second compensation current is between 50% and 100% of the difference in intensity between the upstream and downstream electrolysis currents, and preferably between 80% and 100% of the difference in intensity between the upstream and downstream electrolysis currents.
  • the vertical magnetic field generated by the second compensation electric circuit precisely corrects the remaining vertical magnetic field, resulting from the sum of the vertical magnetic field of the electrolysis current (tank-to-tank circuit) and the first compensation circuit.
  • said at least one second compensation electric circuit comprises an inner loop and an outer loop, and wherein the intensity of a second compensation current flowing in the inner loop differs from the intensity of a second compensation current flowing in the outer loop.
  • the intensity of the second compensation current flowing in the inner loop is greater than the intensity of the second compensation current flowing in the outer loop.
  • the method comprises a step of analyzing at least one characteristic of the alumina in at least one of the electrolysis cells of said aluminum smelter, and the determination of the intensity values of the first flow of compensation and the second compensation current to be circulated according to said at least one analyzed characteristic.
  • the method makes it possible to modify the magnetic compensation, to deliberately induce, in particular cases, a modification of the flow in the liquid and flow velocities while controlling (weakly degrading) the MHD instabilities of the bath / metal interface.
  • the flow of liquids contributes to stir the alumina, which, depending on the speed and shape of the flow as well as the quality of the alumina, can improve the yield.
  • This preferred embodiment therefore makes it possible to improve the yield by optimizing the flow to dissolve the alumina while controlling the level of "degradation" of the MHD stability of the bath / metal interface.
  • FIG. 1 is a schematic view of an aluminum smelter according to the state of the art
  • FIG. 2 is a schematic side view of two successive electrolysis cells of the state of the art
  • FIG. 3 is a diagrammatic wired view of the electrical circuit traversed by the electrolysis current in the two electrolysis cells of FIG. 2,
  • FIG. 4 is a diagrammatic sectional view along a vertical longitudinal plane of an electrolysis cell of the state of the art
  • FIG. 5 is a schematic view of an aluminum plant according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 6 is a schematic side view of two successive electrolysis cells of an aluminum plant according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 7 is a diagrammatic view in section along a longitudinal plane YZ of an electrolysis cell of an aluminum plant according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 8 is a wired schematic view of the electrical circuit traversed by the electrolysis current in an electrolysis cell of an aluminum plant according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 9 is a table showing the intensity of the electrolysis current flowing through each segment of FIG. 8,
  • FIGS. 10 to 12 are schematic wire-plane views of the electrical circuit traversed by the electrolysis current in an electrolysis cell of an aluminum smelter according to one embodiment of the invention, showing for this electrolytic cell the zones generating a significant magnetic field
  • FIG. 13 is a table showing the contribution of each segment of FIGS. 10 to 12 in the calculation of the vertical component of the magnetic field generated by the circulation of the electrolysis current
  • FIG. 14 is a table showing the contribution of each segment of FIGS. 10 to 12 in the calculation of the longitudinal horizontal component of the magnetic field generated by the circulation of the electrolysis current.
  • FIG 1 shows an aluminum smelter 100 of the state of the art.
  • the aluminum smelter 100 comprises electrolysis tanks arranged transversely to the length of the line they form.
  • the electrolysis tanks are here aligned in two rows 101, 102 parallel.
  • These electrolytic cells are traversed by a current electrolysis l 0 o-
  • Two circuits 104, 106 electrical compensation extend on the sides of the lines 101, 102 to compensate for the magnetic field generated by the current flow 10 l o electrolysis of one electrolysis cell to another and in the neighboring queue.
  • the circuits 104, power compensation 106 are respectively driven by the currents 10 4 l 0 6 flowing in the same direction as the electrolysis current l 10 o Stations 108 power supply series of electrolysis tanks and the electrical compensation circuits 104, 106.
  • the distance D 10 o between the electrolysis cells closest to the power stations 108 and the power supply stations 108 is of the order of 45m
  • the distance D 300 on which the electrical circuits 104, 106 extend beyond the ends of the line is of the order of 45m
  • the distance D 20 o between the two rows 101, 102 is of the order of 85 m to limit the magnetic disturbances from one line to the other.
  • FIG. 2 shows two tanks 110 of traditional electrolysis consecutive of the same row of electrolytic cells.
  • the electrolysis tank 110 comprises a box 112 lined internally with refractory materials 114, a cathode 116 and anodes 118 immersed in an electrolytic bath 120 at the bottom of which a layer 122 of metal is formed. 'aluminum.
  • the cathode 116 is electrically connected to cathode conductors 124 which pass through the sides of the caisson 1 12 at cathode outlets 126.
  • the cathode outlets 126 are connected to routing conductors 128 which convey the electrolysis current to the conductors. 130 rise and connection of a next electrolysis cell.
  • FIG. 1 As can be seen in FIG.
  • the electrolysis tank comprises a superstructure 132 which passes through it longitudinally, above the box 112 and the anodes 118.
  • the superstructure 132 comprises in particular a beam resting on feet (not shown) at each of its longitudinal ends.
  • the beam supports an anode frame 134, this anode frame 134 also extending longitudinally over the well 1 12 and the anodes 118.
  • the anode frame 134 supports the anode assemblies, the latter being electrically connected to the anode frame 134.
  • FIG. 3 schematically illustrates the path traveled by the electrolysis current 10 o in each of the electrolytic cells 110 and between two adjacent electrolysis cells 10 such as those represented in FIG. 2. It is notably noted that the rise of electrolysis current l 100 to the anode assembly of an electrolytic tank 1 10 is asymmetrical since this rise is carried out only upstream of the electrolytic cells 110 in the direction of global circulation of the current. electrolysis l 10 o in the queue (to the left of the tanks in Figures 2 and 3).
  • FIG. 4 shows the arrangement on the sides of the tanks 1 10 of the state of the art of electrical conductors forming the electrical compensation circuits 104, 106, these electrical conductors being traversed respectively by the compensating currents l 0 4, oe flowing in the same direction as the current I 10 o electrolysis browsing here drivers 128 routing positioned below the vessel.
  • FIG. 5 shows an aluminum smelter 1 according to one embodiment of the invention.
  • the aluminum smelter 1 is intended for the production of aluminum by electrolysis according to the Hall-Héroult process.
  • the aluminum smelter 1 comprises a plurality of substantially rectangular electrolysis cells intended for the production of aluminum by electrolysis, these electrolytic cells being able to be aligned in one or more queues 2 which may be substantially parallel. Where appropriate, the queues 2 are connected electrically in series and supplied with IE electrolysis current.
  • the aluminum smelter 1 also comprises a first compensation electric circuit 4, which extends under the lane or queues of electrolysis tanks, and a second electric compensation circuit 6, which extends over at least one side of the or 2 rows of electrolysis tanks. According to the example of FIG. 5, the second electrical compensation circuit 6 extends on both sides of each row 2 of electrolysis cells. Still according to the example of FIG.
  • the aluminum plant comprises two rows of tanks arranged parallel to one another, fed by the same supply station 8, and electrically connected in series so that the current IE electrolysis circulating in the first of two rows of electrolysis 2 then circulates in the second of the two rows 2 of electrolysis cells.
  • Electrolysis tanks are arranged transversely with respect to each row 2 that these electrolysis tanks form. It will be noted that per electrolysis tank 2 arranged transversely is meant electrolysis tank 2, the largest dimension of which, the length, is substantially perpendicular to the overall direction in which the electrolysis current IE flows.
  • upstream and downstream are defined with respect to the global flow direction of the electrolysis current IE, that is to say the flow direction of the electrolysis current IE at the scale of the line 2 of electrolysis tanks.
  • the electrolysis tanks of the aluminum smelter are preferably large electrolysis cells, the use of large electrolysis cells being made possible by the particular configuration of the electrolysis cells of the smelter. aluminum plant according to the invention, as described in more detail below.
  • the dimensions of an electrolytic cell are defined by the ground surface that this electrolytic cell represents. For this we consider that the dimensions of the tank are defined by the external dimensions of its box.
  • large electrolysis tank is meant electrolytic cell having a width greater than 4 m, preferably greater than or equal to 5 m, and in particular greater than or equal to 6 m, and / or having a length greater than 15 m. m, preferably greater than or equal to 20 m, and in particular greater than or equal to 25 m.
  • FIG. 6 shows in more detail the electrolysis tanks of the aluminum plant 1 according to one embodiment.
  • the electrolysis tanks 10 of the aluminum plant 1 comprise a box 12, anode assemblies 14, a cathode 16 crossed by cathodic electrical conductors 18 intended to collect the electrolysis current IE at the cathode 16 to drive it to other electrical conductors called cathode outlets 20 out of the box 12, electrical conductors rise and connect 22 to the anode assemblies 14 to conduct the electrolysis current IE to the anode assemblies 14, and conductors routing electrodes 24 connected to the cathode outlets 20 and intended to conduct the electrolysis current IE from the cathode outlets 20 to the electrical conductors of rise and connection 22 of the next electrolytic cell 10.
  • the casing 12 comprises an inner lining 26 made of refractory materials.
  • the housing 12 preferably comprises cradles 28 of reinforcements.
  • the box 12 may be metallic, for example steel.
  • the anode assemblies 14 comprise a support 30 and at least one anode 32.
  • the anode (s) 32 are in particular made of carbonaceous material and more particularly of precooked type.
  • the support 30 comprises, for its part, a first electrically conductive part 34, for example a cross-member, extending essentially in a transverse direction X of the electrolytic cells 10, and a second part 36 electrically conducting, formed of several electrically conductive elements be called "logs", the logs comprising a distal end electrically connected to the first portion 34 of the support 30 and a proximal end electrically connected to the anode or 32 to conduct the IE electrolysis current from the first portion 34 of the support 30 to this or these anodes 32.
  • the anode assemblies 14 are intended to be removed and replaced periodically when the anode or 32 are worn.
  • the cathode 16 may be formed of several cathode blocks of carbonaceous material.
  • the cathode 16 is crossed by the cathode conductors 18 intended to collect the electrolysis current IE at the cathode 16 to lead it to the cathode outlets 20 advantageously leaving the bottom of the box 12, as illustrated in FIG.
  • the rising and connecting electrical conductors 22 extend upwards along two opposite longitudinal edges 38 of each electrolytic cell 10, to conduct the electrolysis current IE to the anode assemblies 14. It is specified that the edges The lengths of the electrolysis cells 38 correspond to the larger edges, ie the edges of the electrolytic cells 10 which are substantially parallel to the longitudinal Y direction.
  • an electrolytic cell 10 operating at an intensity of 400 to 1000 k amps may for example preferably comprise from 4 to 40 rise and connection conductors 22 distributed regularly over the entire length of each of its two edges.
  • the electrical rising and connecting conductors 22 comprise upstream and upstream electrical connection conductors 22A, ie adjacent to the upstream longitudinal edge 38 of the electrolytic cell 10, and electrical conductors 22A.
  • the upstream and upstream electrical connection conductors 22A are electrically connected to an upstream end of the first portion 34 of the support 30, and the upstream and downstream electrical connection conductors 22B are electrically connected to a downstream end of this first portion 34 of the support 30.
  • the electrical routing conductors 24 are connected to the cathode outlets 20 and are intended to conduct the electrolysis current IE from these cathode outputs 20 to the electrical connection and rise conductors 22 of the next electrolytic cell 10 of the series.
  • the cathode conductors 18, the cathode outputs 20 and / or the routing conductors 24 may be metal bars, possibly composite, for example aluminum, copper and / or steel.
  • a liquid aluminum web 40 is formed during the electrolysis reaction.
  • the electrolysis tanks of the aluminum plant 1 are preferably vertical anode-type electrolysis cells with vertical pulling of the anode assemblies 14 above the tank 10.
  • electrolysis as represented by the electrolysis tank 10 on the right in FIG. 6.
  • the rise and connection conductors 22 extend on either side of the box 12 without extending to the right anodes 32, that is to say without extending in a volume obtained by vertically projecting the area of the anodes 32 projected in a horizontal plane.
  • this also makes it possible to reduce the length of the rising and connecting conductors 22 with respect to a use of rise and connection conductors 130 of the following type.
  • the anode assembly is no longer supported and electrically connected above the box and the anodes by means of a superstructure 132, as is the case for the electrolysis tanks of the state of the art illustrated on Figure 2.
  • the electrolysis tanks 10 of the aluminum plant 1 according to this embodiment of the invention are therefore free of superstructure.
  • the absence of superstructure makes it possible to widen and / or lengthen the electrolytic cells, in order to benefit from large electrolytic cells 10, as mentioned above.
  • Such widening or elongation of the electrolysis cells 110 of the state of the art is not possible because of the superstructure 132, because this enlargement and / or elongation would result in an enlargement and / or elongation of the superstructure 132 itself.
  • the electrical conductors of the aluminum smelter 1 are indeed configured to obtain effective compensation of the horizontal and vertical components of the magnetic field generated by the flow of electrolysis current IE and, in so doing, a limitation of MHD instabilities, thus an improved efficiency.
  • the distribution of the electrolysis current IE traversing the electrical conductors of rise and connection 22 is asymmetrical between the upstream electrical conductors and connection upstream 22A and downstream 22B.
  • the electrolysis current IE is distributed in an upstream electrolysis current IEA, which traverses all the electrical conductors for upstream and upstream connection 22A of the electrolytic cells, and a downstream electrolysis current IEB, which runs through all of the electrical conductors for upstream and downstream connection 22B of the electrolytic cells.
  • the intensity of the upstream electrolysis current IEA is equal to 50-100 [% of the intensity of the electrolysis current IE, while the intensity of the downstream electrolysis current IEB is equal to] 0-50 [ % of the intensity of the electrolysis current IE, it being specified that the upstream electrolysis currents IEA and downstream IEB are complementary, that is to say that the sum of the intensities of the upstream electrolysis currents IEA and downstream IEB is equal to the intensity of the electrolysis current IE.
  • This asymmetrical distribution with preponderance of the upstream relative to the downstream is particularly advantageous when the electrolysis cells 10 of the aluminum smelter are large electrolysis cells.
  • the upstream / downstream asymmetry of the electrolysis current IE makes it possible to avoid resorting to an excessive increase in the cross-section of the routing conductors 24 under the electrolytic cell 10, so that savings in materials and Space are achieved, without prejudice to the magnetic stability of the electrolytic cell.
  • the choice of the distribution between intensities of upstream and downstream electrolysis currents IEA, IEB is carried out by economic study. This choice depends mainly on the distance between two vats and the height of the vats. This distribution is carried out by adjusting the sections of the electrical conductors of the upstream and downstream electrical circuits, taking into account their length.
  • the rise and connection conductors 22 extend substantially vertically, and preferably only vertically, so that the flow of the electrolysis current IE through the rise and connect conductors 22 generates a magnetic field with only horizontal components, but no vertical component.
  • the second portion 36 of the support 30 of the anode assembly 14, and / or the cathode outputs 20 advantageously extend in a vertical direction, and preferably only vertically, so that the current flow of electrolysis IE through this second portion 36 and / or through the cathode outputs 20 generates a magnetic field having only horizontal components, but no vertical component.
  • cathode outlets 20 advantageously cross the bottom of the box 12.
  • the reduction in length of the routing conductors 24 makes it possible, in addition to a saving of raw materials, a substantial decrease in the horizontal currents in the liquids and thus a better MHD stability.
  • the first portion 34 of the support 30 of the anode assembly 14 preferably extends only substantially horizontally and parallel to the transverse direction X of the electrolytic cells.
  • the routing conductors 24 advantageously extend substantially rectilinear and parallel to the transverse direction X of the electrolytic cells 10 up to the rising and connecting conductors 22 of the next electrolytic cell 10. This limits the cost of electrical conductors 24, minimizing their length.
  • the magnetic fields generated by these electrical conductors 24 for routing are also limited in relation to the state of the art, and in particular compared with self-compensated electrolysis cells of the state of the art.
  • the rising and connecting electrical conductors 22 are preferably distributed at regular intervals over substantially the entire length of the longitudinal edge 38 to which they are adjacent. In other words, the same distance separates two consecutive electrical conductors 22 and connection in the longitudinal direction Y. This improves the balance of the longitudinal horizontal component of the magnetic field (that is to say, parallel to the length of the electrolytic tank).
  • the upstream and upstream electrical connection conductors 22A and the upstream and downstream electrical connection conductors 22B may be arranged equidistant from a longitudinal median plane YZ of each electrolytic cell 10, that is to say a plane substantially perpendicular to the transverse direction X and separating each electrolytic cell 10 into two substantially equal portions.
  • the upstream and upstream electrical connection conductors 22A are at the same distance from this longitudinal median plane YZ as the upstream and downstream electrical connection conductors 22B.
  • the upstream electrical conductors and upstream connection 22A are advantageously disposed substantially symmetrically to the upstream electrical conductors and downstream connection 22B, with respect to this longitudinal median plane YZ. This further enhances the advantageous antisymmetric characteristic of the horizontal magnetic field distribution in liquids.
  • these electrical conductors rise and connect advantageously extend above the liquids (electrolytic bath) to a height h between 0 and 1.5 meters.
  • the length of the rising and connecting conductors 22 is thus greatly reduced with respect to the rise and connection conductors 130 of conventional type which extend to heights greater than two meters for the electrolysis tanks 130 of the state of the technique.
  • the upstream and upstream connecting conductors 22A of the electrolytic cells 10 may be arranged in staggered relation with the upstream and downstream connection conductors 22B of the electrolysis tank 10 preceding it in line 2. This makes it possible to bring the electrolytic cells as close as possible to one another, or to place more electrolytic cells in series over the same distance, which increases the efficiency, that is to reduce the length of a row 2 of electrolysis tanks, thus saving space and achieving structural savings.
  • the first portion 34 of the support 30 of the anode assembly 14 and the second portion 36 of the support 30 of the anode assembly 14 are configured so that the intensity of the electrolysis current fraction traversing an upstream half of this second portion 36 is substantially equal to the intensity of the fraction of electrolysis current flowing through a downstream half of this second portion 36.
  • the intensity of the fraction of electrolysis current passing through all the logs located upstream of a longitudinal median plane YZ of the electrolytic cell 10 is substantially equal to the intensity of the fraction of electrolysis current passing through all the logs located on the side downstream of this longitudinal median plane YZ.
  • part of the upstream electrolysis stream IEA reaches the logs located downstream of the median plane YZ of the tank 10d. 'electrolysis. This is achieved through overall electrical balancing of the different conductor sections.
  • Each module M can comprise for example, an electrical conductor of the first compensation electric circuit 4 and a number of routing conductors 24 and associated rising and connecting conductors 22 for each electrolytic cell 10.
  • the fact is that the electrical conductors included in each module M (rising and connecting conductors 22, anode assembly 14, cathode 16, cathode conductors 18, cathodic outputs 20, routing conductors 24, electrical conductors of the first compensation circuit 4 ) are configured to generate the same predetermined magnetic configuration.
  • the electrical conductors of each module M are arranged and traversed by currents such that each module M generates the same vertical and horizontal components of the magnetic field.
  • the conductor circuit, and therefore each electrolysis cell may be composed of a number N of modules M, determining the length of the electrolytic cells and the intensity of the current flowing through the electrolytic cells (the intensity of the electrolysis current IE flowing in the series of electrolysis cells being equal to the intensity of the fraction of electrolysis current passing through each module M multiplied by the number N of modules M).
  • the ratio of the amount of material forming the conductor circuit brought back to the production surface of the electrolytic cells does not deteriorate when the electrolysis cells are extended, it increases proportionally to the number N of modules. M and the intensity through the electrolytic tanks.
  • the electrolysis cells can be elongated simply according to the needs and the intensity of the current passing through them is not limited.
  • the modular construction of the electrical conductors of the electrolytic cells therefore offers an advantage in terms of scalability, since this modular construction, combined with a simple adjustment of the amperage of the secondary compensation circuit, makes it possible to modify the tanks 10 electrolysis without compromising their magnetic and electrical balance.
  • the table of FIG. 9, read in conjunction with FIG. 8, shows for a module the intensity values going through the various electrically conductive elements of the electrolytic cells, these conductive elements being symbolized by segments: S1 for the drivers rising and upstream connection 22A; S2, S5 and S8 for the first portion 34 of the support 30; S3 and S9 for the second part 36 of the support 30, the anode (s) 32, the electrolytic bath, the aluminum sheet 40, the cathode 16, the cathode conductors 18 and the cathode outlets 20; S4, S6 and S10 for the routing conductors 24; S7 for upstream and downstream conductors 22 B.
  • the sum of intensities i and ia indicated in the table of FIGS. 9, 13 and 14 is equal to the intensity of the upstream electrolysis current IEA divided by the number N of modules of the electrolytic cell; the intensity ib is equal to the intensity of the downstream electrolysis current IEB divided by the number N of modules of the electrolytic cell; the sum of ia and ib is equal to i; the sum of the upstream and downstream electrolysis currents IEA, IEB is therefore equal to 2i multiplied by the number N of modules; and the intensity of the electrolysis current IE flowing through the series of electrolysis cells is equal to the sum of the intensity of the upstream electrolysis current IEA traversing the entire upstream part of the electrolysis cell and the electrolysis cell.
  • FIGS. 10 to 12 are wired schematic views of the electrical circuit traversed by the electrolysis current in a module of an electrolysis cell 10 of the aluminum plant 1, and showing for this electrolytic cell 10 the three main zones P1, P2, P3 generating a significant disturbing magnetic field: an upstream zone P1, a central intermediate zone P2, and a downstream zone P3 symmetrical to the upstream zone P1 with respect to a longitudinal median plane YZ of the electrolysis cells.
  • FIG. 14 also read in conjunction with FIGS. 10, 11 and 12, schematically shows the horizontal longitudinal component of the magnetic field generated by the circulation of the electrolysis current through the electrical conductors (symbolized by FIG. segments) of the electrolysis cell 10, zone by zone, and through the first and second compensation circuits 4, 6.
  • the horizontal transverse component of the magnetic field is itself antisymmetric because the conductors are symmetrical with respect to XZ plane.
  • the horizontal longitudinal component By of the magnetic field is antisymmetric (opposite in the upstream and downstream zones P1, P3, and zero in the central P2 zone). This antisymmetry suppresses the deleterious effects associated with the horizontal components of the magnetic field.
  • the first compensation electric circuit 4 is described in more detail below.
  • the first compensation electric circuit 4 extends below the electrolytic cells. This first compensation electric circuit 4 is intended to be traversed by a first compensation current IC1, in the opposite direction of the overall flow direction of the electrolysis current IE, as can be seen in FIGS. 5 and 7. It will be recalled that by IEC 60050 - International Electrotechnical Vocabulary - Details for IEV number 511-21-21 flow direction of the electrolysis current IE is understood to mean the flow direction of the electrolysis current IE on the scale of the aluminum smelter 1 or the lane 2 or queues 10 of electrolysis cells.
  • the first compensation electric circuit 4 comprises electrical conductors which may be metal bars, for example made of aluminum, copper or steel, or, advantageously, electrical conductors of superconducting material, the latter making it possible to reduce the power consumption. and, because of their lower mass than that of the equivalent metal conductors, to reduce the structural costs to support them or to protect them from possible metal flows by means of metal baffles 42 (FIG. 7) or by burying them .
  • these electrical conductors of superconducting material may be arranged to perform several turns in series under the row or rows of tanks, as described in the patent application WO2013007893 in the name of the applicant.
  • the smelter 1 comprises a feed station 44 configured to circulate through the first compensation electric circuit 4 a current intensity IC1 equal to twice the intensity of the downstream electrolysis current IEB, plus or minus 20% near, and preferably within plus or minus 10%.
  • This supply station 44 may be a clean power station, that is to say distinct from the supply station 8 supplying electrolysis tanks IE electrolysis current.
  • the power supply station 44 of the first compensation circuit 4 is therefore exclusively dedicated to supplying this first compensation circuit 4.
  • the first electrical compensation circuit 4 is thus also independent of the main electric circuit traversed by the electrolysis current IE comprising in particular the row or rows 2 of electrolytic cells. If the first compensating electrical circuit 4 is damaged, for example a piercing of one of the electrolytic tanks 10 by the liquids contained in the electrolytic cells, whose temperature is close to 1000.degree. Electrolysis can continue, with less efficiency, however, since the magnetic compensation is impacted. In addition, the intensity of the first compensation current IC1 is modifiable independently of the electrolysis current IE. This is of paramount importance in terms of scalability and adaptability.
  • the electrical conductors of the first compensation electric circuit 4 extend under the electrolysis cells together forming a sheet of parallel electrical conductors, preferably from two to twelve, and preferably from three to ten parallel electrical conductors.
  • the first circuit Electrical compensation 4 extends under several places of the electrolytic tank 10. It will be noted that the first compensation current IC1 flows in the opposite direction of the overall flow direction of the electrolysis current IE, through all the electrical conductors forming the layer.
  • the web may be formed by the same electrical circuit forming several turns or loops in series under the electrolytic cells, each loop corresponding to an electrical conductor of the web.
  • the sheet may be formed by dividing into a parallel electrical conductor bundle of the first compensation electric circuit 4, the latter possibly forming a single loop under the electrolysis cells.
  • the intensity of the first compensation current IC1 is equal to the sum of the intensities of the compensation current flowing through each electrical conductor of the sheet.
  • the intensity of the first compensation current IC1 in each electrical conductor of the ply is equal to the intensity of the first compensation current IC1 divided by the number of electrical conductors of this ply.
  • the electrical conductors of the web are advantageously equidistant from each other. The same distance separates two adjacent electrical conductors from the web. This further improves the compensation of the adverse magnetic field.
  • the electrical conductors of the web can extend parallel to each other. They extend preferably parallel to the transverse direction X of the electrolytic cells. Moreover, the electrical conductors forming the web may be all arranged in the same horizontal plane XY. This also makes it possible to improve the compensation of the magnetic field generated by the circulation of the electrolysis current.
  • the electrical conductors of the ply may extend substantially symmetrically with respect to the transverse median plane XZ of the electrolysis cells, that is to say with respect to the plane perpendicular to the longitudinal direction Y, this plane separating the electrolysis tanks in two substantially equal halves.
  • the first compensation electrical circuit 4 forms a sheet of three substantially equidistant conductors and arranged in the same substantially horizontal plane XY. This sheet comprises as many electrical conductors as the electrolytic cell 10 comprises modules M.
  • each module M of the electrolytic cell 10 comprises the same number of electrical conductors of the first compensation electric circuit 4. This makes it possible to obtain a compensation of the magnetic field per module, which produces better effects and offers a significant advantage in terms of implementation and scalability.
  • the second compensation electric circuit 6 is described in more detail below.
  • the second compensation electric circuit 6 extends over at least one transverse side of the electrolytic cells 10 substantially parallel to the transverse direction X of the electrolysis cells 10, that is to say, parallel to the line (s) 2 of electrolytic cells.
  • the second compensation electric circuit 6 is intended to be traversed by a second compensation current IC2, in the same direction as the overall flow direction of the electrolysis current IE.
  • the second electric compensating circuit 6 extends along the two transverse sides of the electrolytic cells 10, as illustrated in FIG. 5.
  • the internal conductors 61 denote the electrical conductors of the second compensation circuit 6 which are located between the first two adjacent rows 2 of electrolytic cells 10, and by external loop 62 the electrical conductors of the second electric compensation circuit 6 which are located on the outside of the lines 2 of tanks 10 of electrolysis, that is to say on the other side of the electrolytic cells 10 with respect to the electrical conductors forming the inner loop 61.
  • the inner loop 61 is traversed by a second compensation current IC21 and the outer loop 62 is traversed by a second compensation current IC22.
  • the second compensation currents IC21 and IC22 move in the same direction.
  • the sum of the currents IC21 and IC22 flowing respectively in the inner loop 61 and in the outer loop 62 is equal to the compensation current IC2.
  • the inner loop 61 and / or the outer loop 62 may optionally make several turns in series; if necessary, the intensity of the current IC21, respectively IC22, is the product of the number of turns in series by the intensity of the current flowing in each series tower.
  • the aluminum smelter 1 comprises a feed station 46 which is advantageously configured to circulate through the second compensation electric circuit 6 (internal loop 61 and / or external loop 62) a total intensity (where appropriate, loop internal 61 plus outer loop 62) compensation current IC2 between 50% and 100% of the difference in intensity between the upstream and downstream electrolysis currents, and preferably between 80% and 100% of the difference in intensity between the upstream and downstream electrolysis currents.
  • This intensity value set as a function of the asymmetrical distribution of the electrolysis current IE in each electrolytic cell, offers, in synergy with the choice of the asymmetrical distribution value IEA, IEB and the intensity of the first one.
  • IC1 compensation current the best compensation results of the magnetic field, effectively applicable to large electrolytic cells.
  • the intensity of the current IC21 flowing in the inner loop 61 differs from the intensity of the current IC22 flowing in the outer loop 62. More particularly, the intensity of the current IC21 flowing in the inner loop 61 is advantageously greater than 1 intensity of current IC22 flowing in external loop 62.
  • IE2 is greater than or equal to IE.
  • IE + IEA - 3 IEB is much lower than IE. This is a gain of this design that allows the approximation of the neighboring queue because the creation of the magnetic field by the neighboring queue is much lower at no extra cost compared to what is known to those skilled in the art.
  • the supply station 46 supplying the second compensation circuit 6 may be a clean power station, that is to say distinct from the supply station 8 supplying the electrolysis cells with electrolysis current. IE and distinct from the power supply station 44 supplying the first compensation electric circuit 4.
  • the power supply station 46 of the second compensation circuit 6 is therefore exclusively dedicated to supplying this second compensation circuit 6.
  • the second The compensation electric circuit 6 is thus also independent of the main electrical circuit traversed by the electrolysis current IE.
  • the intensity of the second compensation current IC2 can be modified independently of the electrolysis current IE, thus offering substantial advantages in terms of scalability and adaptability of the aluminum smelter 1, as explained above with regard to the first compensation electric circuit 4
  • the second compensation circuit 6 may also be distinct from the first compensation circuit 4.
  • the electrical conductors forming this second electrical compensation circuit 6 can advantageously be symmetrical with respect to a median transverse plane XZ of the electrolysis cells 10. . This improves the compensation of the deleterious magnetic field.
  • the electrical conductors of the second compensation electric circuit 6 advantageously extend in the same horizontal plane XY.
  • this XY horizontal plane is located at the height of the liquid aluminum sheet 40 formed inside the electrolytic cells during the electrolysis reaction.
  • the electrical conductors forming the second compensation electric circuit 6 may advantageously be configured so as to limit the "end of line” effects, as shown in FIG. 5.
  • the electrical conductors forming the second electric compensation circuit 6 can be metal bars, for example made of aluminum, copper or steel, or, advantageously, electrical conductors of superconducting material, the latter making it possible to reduce the energy consumption. and because of their lower mass than the equivalent metal conductors, reduce the structural costs to support them.
  • these electrical conductors of superconducting material may be arranged to perform several turns in series on the side or sides of the rows 2 of electrolytic cells 10, as described in the patent application WO2013007893 in the name of the applicant.
  • the invention also relates to a method for compensating the magnetic field created by the circulation of an electrolysis current IE in the electrolysis cells of the aluminum smelter 1 described above.
  • This process comprises:
  • the method also advantageously comprises the fact of asymmetrically distributing the electrolysis current IE between the upstream and upstream electrical connection conductors 22A and the upstream and downstream electrical connection conductors 22B.
  • This step of asymmetrically distributing the electrolysis current between the upstream and the downstream of the electrolysis cells comprises separating the electrolysis current IE into an upstream electrolysis current IEA, which circulates through all the electrolysis streams.
  • upstream electrical connection and upstream connection conductors 22A of each electrolytic cell such that the intensity of the upstream electrolysis current IEA is between 50-100 [% of the intensity of the electrolysis current IE, and in a downstream electrolysis current IEB, which circulates through all of the upstream and downstream electrical connection conductors 22B of each electrolytic cell 10, so that the intensity of the downstream electrolysis current IEB is included between 0-50 [% of the intensity of the electrolysis current IE, the sum of the intensities of the upstream and downstream electrolysis currents IEA, IEB being equal to the intensity of the electrolysis current IE.
  • the step of circulating the first compensation current IC1 is advantageously such that the intensity of the first compensation current IC1 is equal to twice the intensity of the downstream electrolysis current IEB, within plus or minus 20%, and preferably within plus or minus 10%.
  • the step of circulating the second compensation current IC2 is advantageously such that the total intensity (internal loop 61 + external 62) of the second compensation current IC2 is between 50% and 100% of the difference in intensity between the upstream IEA and downstream IEB electrolysis currents, and preferably between 80% and 100% of the difference in intensity between the upstream and downstream electrolysis currents.
  • the intensity of the current IC21 flowing in the inner loop 61 may differ from the intensity of the current IC22 flowing in the outer loop 62. More particularly, the intensity of the current IC21 flowing in the inner loop 61 is advantageously greater than the intensity of the current IC22 flowing in the outer loop 62.
  • the process may advantageously comprise a step of analyzing at least one characteristic of the alumina in at least one of the electrolysis tanks of the aluminum smelter 1 described above, and the determination of a distribution of values.
  • the intensity of the upstream and downstream electrolysis currents IEA, IEB to be circulated as a function of this analyzed characteristic, which also defines, if appropriate, the intensity values of the first and second compensation currents IC1, IC2 and, where appropriate upstream and downstream electrolysis currents IEA, IEB.
  • the intensity values of the first and second compensation currents IC1, IC2, and possibly upstream and downstream electrolysis currents IEA, IEB can then be modified up to the values determined above if the intensity values of the first and second compensation currents IC1, IC2 and upstream and downstream electrolysis currents IEA, IEB initials differ from the values thus determined.
  • the method makes it possible to modify the magnetic compensation, in order to increase or reduce the stirring of the liquids while controlling the MHD instabilities.
  • Such a method is particularly advantageous with the configuration of the electrical conductors described above because it renders the electrolytic cells 10 magnetically very stable and therefore offers a greater range for modulating / optimizing the stirring depending on the quality of the alumina .
  • the characteristics of the alumina analyzed can notably be the ability of the alumina to dissolve in the bath, the fluidity of the alumina, its solubility, its fluorine content, its humidity, etc.
  • the determination of a distribution of intensity values of the upstream and downstream compensation currents IEA, IEB and / or intensity values of the first and second compensation currents IC1, IC2 as a function of the characteristics of the analyzed alumina may be in particular carried out using an abacus, for example made by a person skilled in the art by calculation, experimentation and recording of the optimum correspondences intensities of upstream and downstream electrolysis currents IEA, IEB / characteristics of alumina. It is a question here of quantifying the intensity of the mixing of the desired liquid with regard to the level of instabilities MHD.
  • the alumina available for continuous operation of the lamp is of different quality, in particular more or less pasty, and therefore having different abilities to dissolve in the electrolysis bath.
  • the movements of the liquids in the electrolytic tanks are an asset, since they make it possible to stir this alumina to promote its dissolution.
  • the magnetic field at the origin of the movements of the liquids is directly compensated via the electrolysis current itself, with a distribution magnetic field imposed and frozen by the route of the routing conductors.
  • the invention is not limited to the embodiment described above, this embodiment having been given by way of example. Modifications are possible, especially from the point of view of the constitution of the various elements or by the substitution of technical equivalents, without departing from the scope of the invention.
  • the present invention is for example compatible with the use of "inert" type anodes at which oxygen is formed during the electrolysis reaction.

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Abstract

Cette aluminerie (1 ) comprend une file (2) de cuves d'électrolyse agencées transversalement par rapport à la file (2), une des cuves comprenant des ensembles anodiques et des conducteurs électriques de montée et de connexion aux ensembles anodiques. Les conducteurs de montée et de connexion s'étendent vers le haut le long de deux bords longitudinaux opposés de la cuve. De plus, l'aluminerie (1) comprend un premier circuit électrique de compensation (4) s'étendant sous les cuves, et pouvant être parcouru par un premier courant de compensation (IC1 ) en sens inverse du courant d'électrolyse (IE), un deuxième circuit électrique de compensation (6) s'étendant sur un côté de la file (2) et pouvant être parcouru par un deuxième courant de compensation (IC2) dans le même sens que le courant d'électrolyse (IE).

Description

Aluminerie et procédé de compensation d'un champ magnétique créé par la circulation du courant d'électrolyse de cette aluminerie
La présente invention concerne une aluminerie, destinée à la production d'aluminium par électrolyse, et un procédé de compensation des composantes verticale et horizontales d'un champ magnétique généré par la circulation d'un courant d'électrolyse dans cette aluminerie.
Il est connu de produire l'aluminium industriellement à partir d'alumine par électrolyse selon le procédé de Hall-Héroult. A cet effet, on prévoit une cuve d'électrolyse comprenant un caisson en acier à l'intérieur duquel est agencé un revêtement en matériaux réfractaires, une cathode en matériau carboné, traversée par des conducteurs cathodiques destinés à collecter le courant d'électrolyse à la cathode pour le conduire jusqu'à des sorties cathodiques traversant le fond ou les côtés du caisson, des conducteurs d'acheminement s'étendant sensiblement horizontalement jusqu'à la cuve suivante depuis les sorties cathodiques, un bain électrolytique dans lequel est dissout l'alumine, au moins un ensemble anodique comportant au moins une anode plongée dans ce bain électrolytique, un cadre anodique auquel est suspendu l'ensemble anodique, et des conducteurs de montée du courant d'électrolyse, s'étendant de bas en haut, reliés aux conducteurs d'acheminement de la cuve d'électrolyse précédente pour acheminer le courant d'électrolyse depuis les sorties cathodiques jusqu'au cadre anodique et à l'ensemble anodique et l'anode de la cuve suivante. Les anodes sont plus particulièrement de type anodes précuites avec des blocs carbonés précuits, c'est-à-dire cuits avant introduction dans la cuve d'électrolyse.
Les usines de production d'aluminium, ou alumineries, comprennent traditionnellement plusieurs centaines de cuves d'électrolyse, alignées transversalement en files parallèles et connectées en série.
Ces cuves d'électrolyse sont parcourues par un courant d'électrolyse de l'ordre de plusieurs centaines de milliers d'Ampères, ce qui crée un champ magnétique important. La composante verticale de ce champ magnétique, générée principalement par les conducteurs d'acheminement conduisant le courant d'une cuve d'électrolyse à la suivante, est connue pour provoquer des instabilités appelées instabilités magnétohydrodynamiques (MHD).
Ces instabilités MHD sont connues pour dégrader le rendement du procédé. Plus une cuve est instable, plus la distance interpolaire entre l'anode et la nappe de métal doit être élevée. Or, plus la distance interpolaire est importante, plus la consommation énergétique du procédé est élevée car dissipée par effet Joule dans l'espace interpolaire. D'autre part, les composantes horizontales du champ magnétique, générées par l'ensemble du parcours du courant électrique, aussi bien dans les conducteurs situés à l'intérieur de la cuve que ceux situés à l'extérieur, interagissent avec le courant électrique traversant les liquides, ce qui engendre une déformation stationnaire de la nappe de métal. La dénivellation de la nappe de métal occasionnée doit rester suffisamment faible pour que les anodes soient consommées de façon uniforme avec peu de déchet. Pour obtenir une faible dénivellation, il est nécessaire que les composantes horizontales du champ magnétique soient le plus antisymétrique possible dans les liquides (bain électrolytique et nappe de métal). Pour les composantes longitudinale et transversale du champ magnétique qui constituent les composantes horizontales, par antisymétrique on entend que lorsque l'on se déplace perpendiculairement à l'axe central de la cuve, parallèle à la composante considérée du champ, et lorsque l'on se situe à égale distance de part et d'autre de cet axe central, la valeur de la composante considérée est opposée. L'antisymétrie des composantes horizontales du champ magnétique est la configuration fournissant la déformée d'interface la plus symétrique et la plus plate possible dans la cuve.
Il est connu, notamment des documents de brevet FR1079131 et FR2469475, de lutter contre les instabilités MHD en compensant le champ magnétique créé par la circulation du courant d'électrolyse, grâce à une disposition particulière des conducteurs conduisant le courant d'électrolyse. Par exemple, selon le document de brevet FR2469475, les conducteurs d'acheminement contournent latéralement les extrémités ou têtes de chaque cuve d'électrolyse. On parle d'auto-compensation. Ce principe repose sur un équilibrage local du champ magnétique, à l'échelle d'une cuve d'électrolyse.
L'avantage principal de l'auto-compensation réside dans l'utilisation du courant d'électrolyse lui-même pour compenser les instabilités MHD.
Cependant, l'auto-compensation peut créer un encombrement latéral important puisque les conducteurs électriques contournent les têtes de cuves d'électrolyse.
Surtout, la longueur importante des conducteurs d'acheminement pour la mise en œuvre de cette solution génère de la perte électrique en ligne par effet résistif des conducteurs, donc une augmentation des coûts de fonctionnement, et nécessite beaucoup de matière première, donc des coûts de fabrication élevés. Ces inconvénients sont d'autant plus marqués que les cuves d'électrolyse ont des dimensions importantes et fonctionnent avec des intensités importantes.
Aussi, la conception d'une aluminerie avec un circuit électrique auto-compensé est figée. Or, en cours de vie, il peut devenir nécessaire d'augmenter l'intensité du courant d'électrolyse, au-delà de l'intensité prévue lors de la conception. Cela modifie aussi de fait la répartition du champ magnétique du circuit électrique auto-compensé, non conçu pour cette répartition nouvelle, qui ne permet plus de compenser de façon optimale ce champ magnétique. Il existe des solutions pour pallier ce manque d'évolutivité et retrouver une compensation magnétique proche de l'optimum, mais ces solutions sont particulièrement complexes et coûteuses à mettre en œuvre.
Une autre solution pour diminuer les instabilités MHD, connue notamment du document de brevet FR2425482, consiste à utiliser un circuit électrique secondaire, ou boucle externe, longeant les files de cuves d'électrolyse, sur les côtés. Ce circuit électrique secondaire est parcouru par un courant dont l'intensité égale un pourcentage prédéterminé de l'intensité du courant d'électrolyse. Ainsi, la boucle externe génère un champ magnétique compensant les effets du champ magnétique créé par le courant d'électrolyse de la file voisine de cuves d'électrolyse.
Il est également connu du document de brevet EP0204647 l'utilisation d'un circuit secondaire longeant les files de cuves d'électrolyse sur les côtés pour réduire l'effet du champ magnétique généré par les conducteurs d'acheminement, l'intensité du courant parcourant les conducteurs électriques de ce circuit secondaire étant de l'ordre de 5 à 80% de l'intensité du courant d'électrolyse, et ce courant circulant dans le même sens que le courant d'électrolyse.
La solution de compensation par boucle externe présente l'avantage de disposer d'un circuit secondaire indépendant du circuit principal parcouru par le courant d'électrolyse.
L'agencement du circuit secondaire, situé sur les côtés des files de cuve à proximité des petits côtés des caissons, à la hauteur de l'interface bain-métal, permet une compensation de la composante verticale sans impacter les composantes horizontales du champ magnétique.
La solution de compensation par boucle externe diminue de manière importante la longueur, la masse et les pertes électriques des conducteurs d'acheminement, mais nécessite une station d'alimentation électrique supplémentaire et un circuit électrique secondaire indépendant supplémentaire.
On notera également que la solution de compensation par boucle externe implique un cumul de champs magnétiques, avec le courant de la série, créant un champ ambiant total très fort, si bien que cela implique des contraintes sur les opérations et le matériel (par exemple blindage nécessaire des véhicules), et si bien que le champ magnétique d'une file impacte la stabilité des cuves de la file voisine. Pour limiter l'influence d'une file sur la file voisine, il est nécessaire de les éloigner l'une de l'autre, ce qui constitue une contrainte spatiale importante et implique par conséquent d'abriter chaque file de cuves d'électrolyse dans un hangar distinct.
Par ailleurs, la portion de jonction du circuit d'électrolyse et du circuit secondaire joignant les extrémités de deux files adjacentes de cuves d'électrolyse tend à déstabiliser les cuves de fin de file. Pour éviter d'avoir des cuves de fin de file instables, il est possible de configurer cette portion du circuit secondaire selon un parcours prédéterminé, comme cela est connu du brevet FR2868436, afin de corriger le champ magnétique pour que l'impact sur les cuves de bout de file devienne acceptable. Cependant, ce parcours rallonge notamment la longueur du circuit secondaire, donc le coût matière. Il est à noter que la solution usuelle consiste à éloigner la portion de jonction du circuit secondaire et du circuit d'électrolyse des cuves situées en extrémité de file, mais cela augmente l'encombrement en plus d'augmenter la longueur des conducteurs électriques donc le coût matière et énergétique.
On retiendra donc que les solutions connues de compensation par boucle externe génèrent des coûts structurels relativement importants.
Aussi, la présente invention vise à pallier tout ou partie de ces inconvénients en proposant une aluminerie avec une configuration magnétique permettant d'avoir des cuves très stables magnétiquement, et offrant une compacité améliorée. La présente invention vise aussi un procédé de compensation d'un champ magnétique créé par la circulation d'un courant d'électrolyse dans cette aluminerie.
A cet effet, la présente invention a pour objet une aluminerie comprenant au moins une file de cuves d'électrolyse agencées transversalement par rapport à la longueur de ladite au moins une file, une des cuves d'électrolyse comprenant des ensembles anodiques et des conducteurs électriques de montée et de connexion aux ensembles anodiques, caractérisée en ce que les conducteurs électriques de montée et de connexion s'étendent vers le haut le long de deux bords longitudinaux opposés de la cuve d'électrolyse pour conduire le courant d'électrolyse vers les ensembles anodiques, et en ce que l'aluminerie comprend
au moins un premier circuit électrique de compensation s'étendant sous les cuves d'électrolyse, ledit au moins un premier circuit électrique de compensation pouvant être parcouru par un premier courant de compensation destiné à circuler sous les cuves d'électrolyse en sens inverse du sens de circulation global du courant d'électrolyse,
au moins un deuxième circuit électrique de compensation s'étendant sur au moins un côté de ladite au moins une file de cuves d'électrolyse, ledit au moins un deuxième circuit électrique de compensation pouvant être parcouru par un deuxième courant de compensation destiné à circuler dans le même sens que le sens de circulation global du courant d'électrolyse.
Ainsi, l'aluminerie selon l'invention offre l'avantage de disposer de cuves très stables magnétiquement, car compensant à la fois les composantes horizontales et verticale du champ magnétique généré par la circulation du courant d'électrolyse, ce qui permet d'améliorer le rendement global, et cela sans impact négatif sur l'encombrement de l'aluminerie selon l'invention puisque le premier circuit électrique de compensation s'étend sous les cuves d'électrolyse.
Selon un mode de réalisation préféré, les conducteurs électriques de montée et de connexion comprennent des conducteurs électriques de montée et de connexion amont, adjacents au bord longitudinal amont de la cuve d'électrolyse, et des conducteurs électriques de montée et de connexion aval, adjacents au bord longitudinal aval de la cuve d'électrolyse, et l'aluminerie est configurée pour que la répartition du courant d'électrolyse soit dissymétrique entre les conducteurs électriques de montée et de connexion amont et aval, l'intensité du courant d'électrolyse amont destiné à parcourir l'ensemble des conducteurs électriques de montée et de connexion amont de la cuve d'électrolyse étant égale à ]50-100[% de l'intensité du courant d'électrolyse, et l'intensité du courant d'électrolyse aval destiné à parcourir l'ensemble des conducteurs électriques de montée et de connexion aval de la cuve d'électrolyse étant égale à ]0-50[% de l'intensité du courant d'électrolyse, la somme des intensités des courants d'électrolyse amont et aval étant égale à l'intensité du courant d'électrolyse.
Un avantage de ces caractéristiques est de permettre de compenser efficacement le champ magnétique pour une cuve d'électrolyse de grandes dimensions, en particulier de grande largeur, cela sans surcoût en matières premières.
En effet, si la répartition du courant d'électrolyse amont aval est symétrique, c'est-à-dire si cette répartition est de 50% à l'amont et 50% à l'aval, et que la largeur des cuves d'électrolyse est augmentée, pour avoir un meilleur rendement, il se crée, du fait de l'augmentation du chemin parcouru par les conducteurs électriques d'acheminement sous la cuve d'électrolyse pour alimenter les conducteurs électriques de montée et de connexion aval, un déséquilibre préjudiciable au bon fonctionnement de la cuve d'électrolyse. Pour rétablir un équilibrage, il faudrait augmenter la section de ces conducteurs électriques d'acheminement sous la cuve d'électrolyse. Or cette augmentation de section implique un surcoût important en matières premières. En revanche, la demanderesse a observé que l'aluminerie selon la présente invention permet d'introduire une dissymétrie dans la répartition du courant d'électrolyse entre l'amont et l'aval des cuves d'électrolyse sans augmentation préjudiciable de la section des conducteurs électriques d'acheminement, tout en disposant de cuves d'électrolyse très stables magnétiquement.
Le choix de la répartition entre intensités des courants d'électrolyse amont et aval est réalisé par étude économique. Ce choix dépend principalement de la distance entre deux cuves et de la hauteur des cuves. Cette répartition est réalisée en ajustant les sections des conducteurs électriques des circuits électriques amont et aval, en tenant compte de leur longueur.
Selon un mode de réalisation préféré, l'aluminerie comprend une station d'alimentation configurée pour faire circuler à travers ledit au moins un premier circuit électrique de compensation un premier courant de compensation d'intensité égale au double de l'intensité du courant d'électrolyse aval, à plus ou moins 20% près, et de préférence à plus ou moins 10% près.
Un avantage de cette caractéristique est que pour cette valeur de l'intensité du premier courant de compensation, qui est directement fonction de la répartition du courant d'électrolyse entre l'amont et l'aval des cuves d'électrolyse, la demanderesse a observé que le champ magnétique horizontal généré par le premier circuit électrique de compensation corrige précisément la dissymétrie du champ magnétique horizontal résultant de la dissymétrie entre le courant d'électrolyse amont et aval, et ce, afin d'avoir une distribution antisymétrique des composantes horizontales du champ magnétique Ce premier courant de compensation permet en outre de corriger en partie le champ magnétique vertical, en fonction de la répartition entre courant d'électrolyse amont et aval de la cuve, et ce, afin de réduire les instabilités MHD dans la cuve.
Selon un mode de réalisation préféré, l'aluminerie comprend une station d'alimentation configurée pour faire circuler à travers ledit au moins un deuxième circuit électrique de compensation un deuxième courant de compensation d'intensité comprise entre 50% et 100% de la différence d'intensité entre les courants d'électrolyse amont et aval, et de préférence comprise entre 80% et 100% de la différence d'intensité entre les courants d'électrolyse amont et aval.
Par intensité du deuxième courant de compensation, on entend la somme des intensités circulant dans les conducteurs formant le deuxième circuit de compensation, notamment lorsque le deuxième circuit de compensation est constitué de deux conducteurs (ou boucles) disposés de part et d'autre de la cuve d'électrolyse.
La demanderesse a observé que pour cette valeur d'intensité du deuxième courant de compensation, qui est aussi directement fonction de la répartition du courant d'électrolyse entre l'amont et l'aval des cuves d'électrolyse, le champ magnétique vertical généré par le deuxième circuit électrique de compensation corrige le champ magnétique vertical généré par le courant d'électrolyse circulant dans le circuit électrique principal (circuit cuve à cuve) et déjà en partie corrigé par le courant circulant dans le premier circuit de compensation.
On notera que cette caractéristique est particulièrement avantageuse quand elle est utilisée en combinaison avec la précédente.
Selon un mode de réalisation préféré, les conducteurs électriques de montée et de connexion sont répartis à intervalle régulier le long du bord longitudinal de la cuve d'électrolyse auquel ces conducteurs électriques de montée et de connexion sont adjacents.
Un avantage de cette caractéristique ést d'avoir une distribution uniforme sur toute la longueur de la cuve de la composante horizontale longitudinale du champ magnétique (c'est-à-dire parallèlement à la longueur de la cuve d'électrolyse), ce qui permet de faciliter sa compensation via le premier circuit de compensation.
Les conducteurs électriques de montée et de connexion sont avantageusement disposés de façon symétrique par rapport au plan médian transversal XZ des cuves d'électrolyse, ce qui permet d'obtenir une distribution antisymétrique de la composante transversale du champ magnétique selon X.
Selon un mode de réalisation préféré, les conducteurs électriques de montée et de connexion amont et les conducteurs électriques de montée et de connexion aval sont situés à équidistance d'un plan médian longitudinal YZ de la cuve d'électrolyse.
Selon un mode de réalisation préféré, les conducteurs électriques de montée et de connexion amont et les conducteurs électriques de montée et de connexion aval sont disposés de façon sensiblement symétrique par rapport audit plan médian longitudinal YZ de la cuve d'électrolyse.
Cette configuration, combinée au premier circuit de compensation, assure une parfaite antisymétrie de la composante longitudinale du champ magnétique selon Y.
Selon un mode de réalisation préféré, ledit au moins un premier circuit électrique de compensation comprend des conducteurs électriques s'étendant sous les cuves d'électrolyse en formant ensemble une nappe constituée d'une pluralité de conducteurs électriques parallèles, typiquement de deux à douze, et de préférence de trois à dix conducteurs électriques parallèles. Le nombre de conducteurs parallèles nécessaires dépend en partie de la distance entre les liquides et ces mêmes conducteurs. Plus la distance est grande, plus le nombre de conducteurs doit être faible, plus la distance est courte, plus le nombre de conducteurs doit être élevé.
Un avantage de cette caractéristique est une compensation répartie sous toute la longueur de la cuve d'électrolyse, produisant donc de meilleurs résultats. On notera que le premier circuit électrique de compensation est configuré pour que le premier courant de compensation circule dans le même sens à travers tous les conducteurs électriques de la nappe.
L'intensité du premier courant de compensation correspond à la somme des intensités des courants circulant dans chacun des conducteurs électriques parallèles de la nappe s'étendant sous les cuves.
Selon un mode de réalisation préféré, les conducteurs électriques de ladite nappe sont agencés à intervalle régulier les uns des autres selon une direction longitudinale Y des cuves d'électrolyse.
Selon un mode de réalisation préféré, les conducteurs électriques de ladite nappe sont agencés de façon sensiblement symétrique par rapport à un plan médian transversal XZ des cuves d'électrolyse.
Selon un mode de réalisation préféré, les conducteurs électriques de ladite nappe sont agencés dans un même plan horizontal XY.
Un avantage de ces caractéristiques est d'améliorer encore davantage la compensation du champ magnétique défavorable.
Selon un mode de réalisation préféré, ledit au moins un deuxième circuit électrique de compensation comprend des conducteurs électriques s'étendant de chaque côté de ladite au moins une file de cuves d'électrolyse, et le deuxième courant de compensation circule dans le même sens que le sens de circulation global du courant d'électrolyse de chaque côté des cuves d'électrolyse.
Ainsi, les conducteurs électriques dudit au moins un deuxième circuit électrique de compensation forment une boucle interne et une boucle externe, et offrent ainsi une compensation améliorée du champ magnétique. On entend par boucle interne la boucle étant la plus proche de la file voisine et par boucle externe, la boucle étant la plus éloignée.
Selon un mode de réalisation préféré, l'intensité d'un deuxième courant de compensation circulant dans une boucle interne dudit au moins un deuxième circuit de compensation diffère de l'intensité d'un deuxième courant de compensation circulant dans une boucle externe dudit au moins un deuxième circuit de compensation.
Cette caractéristique permet de compenser le champ magnétique vertical résiduel de la file voisine.
L'intensité du deuxième courant de compensation correspond à la somme des intensités des courants circulant dans chacune des boucles.
Selon un mode de réalisation préféré, l'intensité du deuxième courant de compensation circulant dans la boucle interne est supérieure à l'intensité du deuxième courant de compensation circulant dans la boucle externe.
Cela permet de corriger le champ magnétique créé par la file voisine. Cette file voisine crée un champ magnétique proportionnel à un courant de la série auquel on soustrait deux fois le courant d'électrolyse aval, tandis qu'une série d'électrolyse « conventionnelle » subira un champ magnétique directement proportionnel à la totalité du courant d'électrolyse. Ainsi, grâce au premier circuit de compensation, le champ perturbateur créé par la file voisine est beaucoup plus faible et nécéssite une correction bien moindre. Par conséquent, concernant le deuxième circuit de compensation, l'écart entre l'intensité de la boucle intérieure et celle de la boucle externe sera bien plus faible que dans le cas du brevet EP0204647 et l'écart entre les deux files de cuves peut être minimisé.
Selon un mode de réalisation préféré, les conducteurs électriques formant le deuxième circuit électrique de compensation sont sensiblement symétriques par rapport à un plan XZ transversal médian des cuves d'électrolyse.
Cela améliore la compensation du champ magnétique délétère.
Selon un mode de réalisation préféré, les conducteurs électriques du deuxième circuit électrique de compensation s'étendent dans un même plan horizontal XY, de préférence à hauteur d'une nappe d'aluminium liquide formée à l'intérieur des cuves d'électrolyse au cours de la réaction d'électrolyse.
Cet agencement améliore la compensation du champ magnétique vertical sans impacter la composante horizontale du champ déjà compensée par le premier circuit de compensation.
De préférence, l'aluminerie comprend deux files consécutives et parallèles de cuves d'électrolyse, et le circuit de la boucle interne forme en extrémité de file des moyens de compensation des effets de « fin de file » provoqués par les conducteurs de liaison entre les files, ce qui procure davantage de stabilité magnétique et améliore donc le rendement des cuves d'extrémité de file.
Selon un mode de réalisation préféré, ledit au moins un premier circuit électrique de compensation est indépendant du circuit électrique principal parcouru par le courant d'électrolyse.
Cette caractéristique a l'avantage de limiter les conséquences d'une avarie comme un perçage de cuve d'électrolyse par les liquides contenus dans cette cuve d'électrolyse. En outre, cette caractéristique est avantageuse en termes d'évolutivité puisqu'elle permet de faire varier l'intensité du premier courant de compensation pour ajuster la compensation magnétique. Un ajustement de la compensation magnétique est utile lorsque les cuves d'électrolyse sont modifiées, parce que la configuration magnétique de ces cuves d'électrolyse est modifiée, ou pour adapter le brassage de l'alumine à la qualité de cette alumine (ce qui permet de conserver un rendement optimal malgré la qualité différente de l'alumine).
Selon un mode de réalisation préféré, ledit au moins un deuxième circuit électrique de compensation est indépendant du circuit électrique principal parcouru par le courant d'électrolyse.
Comme expliqué ci-dessus, cela présente un avantage en termes d'évolutivité puisque cela permet de faire varier l'intensité du premier courant de compensation pour ajuster la compensation magnétique.
Selon un mode de réalisation préféré, la cuve d'électrolyse présente une construction électrique modulaire en N modules répétés dans le sens de sa longueur, chaque module comprenant des conducteurs électriques configurés pour générer une même configuration magnétique prédéterminée.
Cette caractéristique est avantageuse en termes d'évolutivité : elle permet des modifications de la cuve d'élecrolyse, par exemple un agrandissement par adjonction d'un ou plusieurs modules, sans modifier le principe d'équilibrage magnétique de la cuve d'électrolyse.
Pour obtenir la même configuration magnétique, chaque module électrique présente le même agencement de conducteurs électriques, chaque conducteur électrique d'un module électrique étant traversé par la même intensité et le même sens de courant que le conducteur électrique correspondant d'un module électrique adjacent. Les conducteurs électriques de chaque module sont notamment les conducteurs électriques de montée et de connexion, les ensembles anodiques, les cathodes, les conducteurs cathodiques, les sorties cathodiques, les conducteurs électriques d'acheminement, et des conducteurs électriques de la nappe de conducteurs électriques du premier circuit électrique de compensation. Ces conducteurs électriques sont donc agencés les uns par rappport aux autres de la même façon d'un module à l'autre. En particulier, chaque module électrique comprend le même nombre de conducteurs électriques de la nappe de conducteurs électriques du premier circuit électrique de compensation.
On précise que les cuves d'électrolyse de l'aluminerie comprennent tout ou partie des caractéristiques susmentionnées de la cuve d'électrolyse.
L'invention concerne également un procédé de compensation d'un champ magnétique créé par la circulation d'un courant d'électrolyse dans une pluralité de cuves d'électrolyse d'une aluminerie ayant les caractéristiques précitées, le procédé comprenant :
la circulation, en sens contraire du sens de circulation global du courant d'électrolyse, d'un premier courant de compensation à travers ledit au moins un premier circuit électrique de compensation,
la circulation, dans le même sens que le sens de circulation global du courant d'électrolyse, d'un deuxième courant de compensation à travers ledit au moins un deuxième circuit électrique de compensation.
Ainsi, ce procédé offre une compensation magnétique efficace du champ magnétique généré par la circulation du courant d'électrolyse dans la série de cuves d'électrolyse de l'aluminerie, en limitant l'encombrement.
Selon un mode de réalisation préféré, le procédé comprend une répartition dissymétrique du courant d'électrolyse entre l'amont et l'aval des cuves d'électrolyse, l'ensemble des conducteurs électriques de montée et de connexion à l'amont des cuves d'électrolyse étant parcouru par un courant d'électrolyse amont d'intensité comprise entre ]50-100[% de l'intensité du courant d'électrolyse, et l'ensemble des conducteurs électriques de montée et de connexion à l'aval des cuves d'électrolyse étant parcouru par un courant d'électrolyse aval d'intensité comprise entre ]0-50[% de l'intensité du courant d'électrolyse, la somme des intensités des courants d'électrolyse amont et aval étant égale à l'intensité du courant d'électrolyse.
Ce procédé permet d'obtenir des cuves d'électrolyse stables magnétiquement, y compris quand les cuves d'électrolyse sont de grandes dimensions, notamment de grande largeur. Le rendement peut ainsi être sensiblement augmenté.
Selon un mode de réalisation préféré, l'intensité du premier courant de compensation est égale au double de l'intensité du courant d'électrolyse aval, à plus ou moins 20% près, et de préférence à plus ou moins 10% près. Un avantage de cette caractéristique est que pour cette valeur de l'intensité du premier courant de compensation, qui est directement fonction de la répartition du courant d'électrolyse entre l'amont et l'aval des cuves d'électrolyse, la demanderesse a observé que le champ magnétique horizontal généré par le premier circuit électrique de compensation corrige précisément la dissymétrie entre le courant amont et aval, et ce, afin d'avoir une distribution antisymétrique des composantes horizontales du champ magnétique. Ce premier courant de compensation permet également de corriger tout ou partie du champ magnétique vertical, suivant la répartition entre courant d'électrolyse amont et aval de la cuve, et ce, afin de réduire les instabilités MHD dans la cuve. L'intégralité du champ magnétique vertical est corrigée si la répartition entre l'amont et l'aval est de 50%.
Selon un mode de réalisation préféré, l'intensité du deuxième courant de compensation est comprise entre 50% et 100% de la différence d'intensité entre les courants d'électrolyse amont et aval, et de préférence comprise entre 80% et 100% de la différence d'intensité entre les courants d'électrolyse amont et aval.
De la même manière, la demanderesse a observé que pour cette valeur d'intensité du deuxième courant de compensation, qui est aussi directement fonction de la répartition du courant d'électrolyse entre l'amont et l'aval des cuves d'électrolyse, le champ magnétique vertical généré par le deuxième circuit électrique de compensation corrige précisément le champ magnétique vertical restant, résultant de la somme du champ magnétique vertical du courant d'électrolyse (circuit cuve à cuve) et du premier circuit de compensation.
Selon un mode de réalisation préféré, ledit au moins un deuxième circuit électrique de compensation comprend une boucle interne et une boucle externe, et dans lequel l'intensité d'un deuxième courant de compensation circulant dans la boucle interne diffère de l'intensité d'un deuxième courant de compensation circulant dans la boucle externe.
Selon un mode de réalisation préféré, l'intensité du deuxième courant de compensation circulant dans la boucle interne est supérieure à l'intensité du deuxième courant de compensation circulant dans la boucle externe.
Selon un mode de réalisation préféré, le procédé comprend une étape d'analyse d'au moins une caractéristique de l'alumine dans au moins une des cuves d'électrolyse de ladite aluminerie, et la détermination des valeurs d'intensité du premier courant de compensation et du deuxième courant de compensation à faire circuler en fonction de ladite au moins une caractéristique analysée.
Ainsi, le procédé permet de modifier la compensation magnétique, pour induire volontairement, dans des cas particuliers, une modification de l'écoulement dans les liquides et des vitesses de l'écoulement tout en contrôlant (dégradant faiblement) les instabilités MHD de l'interface bain/métal. L'écoulement des liquides (bain + aluminium) contribue en effet à brasser l'alumine, ce qui, selon les vitesses et la forme de l'écoulement ainsi que selon la qualité de l'alumine, permet d'améliorer le rendement. Ce mode de réalisation préféré permet donc d'améliorer le rendement en optimisant l'écoulement pour dissoudre l'alumine tout en contrôlant le niveau de « dégradation » de la stabilité MHD de l'interface bain/métal.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront clairement de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 est une vue schématique d'une aluminerie selon l'état de la technique,
La figure 2 est une vue schématique de côté de deux cuves d'électrolyse successives de l'état de la technique,
La figure 3 est une vue schématique en filaire du circuit électrique parcouru par le courant d'électrolyse dans les deux cuves d'électrolyse de la figure 2,
La figure 4 est une vue schématique en coupe selon un plan longitudinal vertical d'une cuve d'électrolyse de l'état de la technique,
La figure 5 est une vue schématique d'une aluminerie selon un mode de réalisation de l'invention,
La figure 6 est une vue schématique de côté de deux cuves d'électrolyse successives d'une aluminerie selon un mode de réalisation de l'invention,
La figure 7 est une vue schématique en coupe selon un plan longitudinal YZ d'une cuve d'électrolyse d'une aluminerie selon un mode de réalisation de l'invention,
La figure 8 est une vue schématique filaire du circuit électrique parcouru par le courant d'électrolyse dans une cuve d'électrolyse d'une aluminerie selon un mode de réalisation de l'invention,
La figure 9 est un tableau montrant l'intensité du courant d'électrolyse parcourant chaque segment de la figure 8,
Les figures 10 à 12 sont des vues schématiques filaires du circuit électrique parcouru par le courant d'électrolyse dans une cuve d'électrolyse d'une aluminerie selon un mode de réalisation de l'invention, montrant pour cette cuve d'électrolyse les zones générant un champ magnétique significatif, La figure 13 est un tableau montrant la contribution de chaque segment des figures 10 à 12 dans le calcul de la composante verticale du champ magnétique généré par la circulation du courant d'électrolyse,
La figure 14 est un tableau montrant la contribution de chaque segment des figures 10 à 12 dans le calcul de la composante horizontale longitudinale du champ magnétique généré par la circulation du courant d'électrolyse.
La figure 1 montre une aluminerie 100 de l'état de la technique. L'aluminerie 100 comprend des cuves d'électrolyse disposées transversalement par rapport à la longueur de la file qu'elles forment. Les cuves d'électrolyse sont ici alignées selon deux files 101 , 102 parallèles. Ces cuves d'électrolyse sont parcourues par un courant d'électrolyse l 0o- Deux circuits 104, 106 électriques de compensation s'étendent sur les côtés des files 101 , 102 pour compenser le champ magnétique généré par la circulation du courant l10o d'électrolyse d'une cuve d'électrolyse à une autre et dans la file voisine. Les circuits 104, 106 électriques de compensation sont parcourus respectivement par des courants l104, l 06 circulant dans le même sens que le courant d'électrolyse l10o- Des stations 108 d'alimentation alimentent la série de cuves d'électrolyse et les circuits 104, 106 électriques de compensation. Selon cet exemple, pour un courant d'électrolyse d'intensité 500kA, et compte-tenu des perturbations magnétiques de « fin de file », la distance D10o entre les cuves d'électrolyse les plus proches des stations 108 d'alimentation et les stations 108 d'alimentation est de l'ordre de 45m, et la distance D300 sur laquelle s'étendent les circuits 104, 106 électriques de compensation au-delà des fins de file est de l'ordre de 45m, tandis que la distance D20o entre les deux files 101 , 102 est de l'ordre de 85m pour limiter les perturbations magnétiques d'une file sur l'autre.
La figure 2 montre deux cuves 110 d'électrolyse traditionnelles consécutives d'une même file de cuves d'électrolyse. Comme on peut le voir sur la figure 2, la cuve 110 d'électrolyse comprend un caisson 112 garni intérieurement par des matériaux 114 réfractaires, une cathode 116 et des anodes 118 plongées dans un bain 120 électrolytique au fond duquel est formée une nappe 122 d'aluminium. La cathode 116 est reliée électriquement à des conducteurs cathodiques 124 qui traversent les côtés du caisson 1 12 au niveau de sorties cathodiques 126. Les sorties 126 cathodiques sont reliées à des conducteurs 128 d'acheminement qui acheminent le courant d'électrolyse jusqu'aux conducteurs 130 de montée et de connexion d'une cuve d'électrolyse suivante. Comme on peut le voir sur la figure 2, ces conducteurs 130 de montée et de connexion s'étendent, de façon oblique, sur un seul côté, le côté amont, des cuves 1 10 d'électrolyse et s'étendent au-dessus des anodes 118, jusqu'à la partie centrale longitudinale des cuves 1 10 d'électrolyse. La cuve d'électrolyse comporte une superstructure 132 qui la traverse longitudinalement, au-dessus du caisson 112 et des anodes 118. La superstructure 132 comporte notamment une poutre reposant sur des pieds (non représentés) à chacune de ses extrémités longitudinales. La poutre supporte un cadre 134 anodique, ce cadre 134 anodique s'étendant également longitudinalement au-dessus du caisson 1 12 et des anodes 118. Le cadre 134 anodique supporte les ensembles anodiques, ces derniers étant connectés électriquement au cadre 134 anodique.
La figure 3 illustre schématiquement le chemin parcouru par le courant d'électrolyse l10o dans chacune des cuves 110 d'électrolyse et entre deux cuves 1 10 d'électrolyse adjacentes comme celles représentées sur la figure 2. On remarque notamment que la montée du courant d'électrolyse l100 jusqu'à l'ensemble anodique d'une cuve 1 10 d'électrolyse est asymétrique puisque cette montée est effectuée uniquement à l'amont des cuves 110 d'électrolyse dans le sens de circulation globale du courant d'électrolyse l10o dans la file (à gauche des cuves sur les figures 2 et 3).
La figure 4 montre l'agencement sur les côtés des cuves 1 10 de l'état de la technique de conducteurs électriques formant les circuits 104, 106 électriques de compensation, ces conducteurs électriques étant parcourus respectivement par les courants l 04, oe de compensation circulant dans le même sens que le courant l10o d'électrolyse parcourant ici les conducteurs 128 d'acheminement positionnés en dessous de la cuve.
La figure 5 montre une aluminerie 1 selon un mode de réalisation de l'invention. L'aluminerie 1 est destinée à la production d'aluminium par électrolyse selon le procédé de Hall-Héroult.
L'aluminerie 1 comprend une pluralité de cuves d'électrolyse, sensiblement rectangulaires, destinées à la production d'aluminium par électrolyse, ces cuves d'électrolyse pouvant être alignées selon une ou plusieurs files 2 qui peuvent être sensiblement parallèles. Le cas échéant, les files 2 sont reliées électriquement en série et alimentées en courant d'électrolyse IE. L'aluminerie 1 comprend aussi un premier circuit électrique de compensation 4, qui s'étend sous la ou les files de cuves d'électrolyse, et un deuxième circuit électrique de compensation 6, qui s'étend sur au moins un côté de la ou des files 2 de cuves d'électrolyse. Selon l'exemple de la figure 5, le deuxième circuit électrique de compensation 6 s'étend des deux côtés de chaque file 2 de cuves d'électrolyse. Toujours selon l'exemple de la figure 5, l'aluminerie comporte deux files de cuves agencées parallèlement l'une par rapport à l'autre, alimentées par une même station 8 d'alimentation, et reliées électriquement en série de sorte que le courant d'électrolyse IE circulant dans la première des deux files 2 de cuves d'électrolyse circule ensuite dans la deuxième des deux files 2 de cuves d'électrolyse. Les cuves d'électrolyse sont agencées transversalement par rapport à chaque file 2 que ces cuves d'électrolyse forment. On notera que par cuve 2 d'électrolyse agencée transversalement on entend cuve 2 d'électrolyse dont la plus grande dimension, la longueur, est sensiblement perpendiculaire à la direction globale dans laquelle circule le courant IE d'électrolyse.
Dans la présente description, amont et aval sont définis par rapport au sens de circulation global du courant d'électrolyse IE, c'est-à-dire le sens de circulation du courant d'électrolyse IE à l'échelle de la file 2 de cuves d'électrolyse.
On précise aussi que la description est réalisée par rapport à un référentiel cartésien lié à une cuve d'électrolyse, l'axe X étant orienté dans une direction transversale de la cuve d'électrolyse, l'axe Y étant orienté dans une direction longitudinale de la cuve d'électrolyse, et l'axe Z étant orienté dans une direction verticale de la cuve d'électrolyse. Les orientations, directions, plans et déplacements longitudinaux, transversaux, verticaux sont ainsi définis par rapport à ce référentiel.
On notera que les cuves d'électrolyse de l'aluminerie sont de préférence des cuves d'électrolyse de grandes dimensions, l'utilisation de cuves d'électrolyse de grandes dimensions étant rendue possible par la configuration particulière des cuves d'électrolyse de l'aluminerie selon l'invention, comme décrit plus en détails ci-après. On définit les dimensions d'une cuve d'électrolyse par la surface au sol que cette cuve d'électrolyse représente. Pour cela on considère que les dimensions de la cuve sont définies par les dimensions extérieures de son caisson. Par cuve d'électrolyse de grandes dimensions, on entend cuve d'électrolyse ayant une largeur supérieure à 4 m, de préférence supérieure ou égale à 5 m, et notamment supérieure ou égale à 6 m, et/ou ayant une longueur supérieure à 15 m, de préférence supérieure ou égale à 20 m, et notamment supérieure ou égale à 25 m.
La figure 6 montre plus en détails des cuves 10 d'électrolyse de l'aluminerie 1 selon un mode de réalisation. Comme illustré sur cette figure, les cuves 10 d'électrolyse de l'aluminerie 1 comprennent un caisson 12, des ensembles anodiques 14, une cathode 16 traversée par des conducteurs électriques cathodiques 18 destinés à collecter le courant d'électrolyse IE à la cathode 16 pour le conduire jusqu'à d'autres conducteurs électriques appelés sorties cathodiques 20 hors du caisson 12, des conducteurs électriques de montée et de connexion 22 aux ensembles anodiques 14 pour conduire le courant d'électrolyse IE vers les ensembles anodiques 14, et des conducteurs électriques d'acheminement 24 connectés aux sorties cathodiques 20 et destinés à conduire le courant d'électrolyse IE depuis les sorties cathodiques 20 jusqu'aux conducteurs électriques de montée et de connexion 22 de la cuve 10 d'électrolyse suivante. Le caisson 12 comprend un revêtement intérieur 26 en matériaux réfractaires. Comme illustré sur les figures 6 et 7, le caisson 12 comprend de préférence des berceaux 28 de renforts. Le caisson 12 peut être métallique, par exemple en acier.
Les ensembles anodiques 14 comportent un support 30 et au moins une anode 32. La ou les anodes 32 sont notamment en matériau carboné et plus particulièrement de type précuites. Le support 30 comprend quand à lui une première partie 34 électriquement conductrice, par exemple une traverse, s'étendant essentiellement selon une direction transversale X des cuves 10 d'électrolyse, et une deuxième partie 36 électriquement conductrice, formée de plusieurs éléments électriquement conducteurs pouvant être appelés « rondins », les rondins comprenant une extrémité distale reliée électriquement à la première partie 34 du support 30 et une extrémité proximale reliée électriquement à la ou aux anodes 32 afin de conduire le courant d'électrolyse IE depuis la première partie 34 du support 30 jusqu'à cette ou ces anodes 32. Les ensembles anodiques 14 sont destinés à être enlevés et remplacés périodiquement lorsque la ou les anodes 32 sont usées.
La cathode 16 peut être formée de plusieurs blocs cathodiques en matériau carboné. La cathode 16 est traversée par les conducteurs cathodiques 18 destinés à collecter le courant d'électrolyse IE à la cathode 16 pour le conduire jusqu'aux sorties cathodiques 20 sortant avantageusement par le fond du caisson 12, comme illustré sur la figure 6.
Les conducteurs électriques de montée et de connexion 22 s'étendent vers le haut le long de deux bords longitudinaux 38 opposés de chaque cuve 10 d'électrolyse, pour conduire le courant d'électrolyse IE vers les ensembles anodiques 14. On précise que les bords longitudinaux 38 des cuves 10 d'électrolyse correspondent aux bords de plus grande dimension, c'est-à-dire les bords des cuves 10 d'électrolyse qui sont sensiblement parallèles à la direction Y longitudinale. A titre d'exemple, une cuve 10 d'électrolyse fonctionnant avec une intensité de 400 à 1000k Ampères peut par exemple comprendre de préférence de 4 à 40 conducteurs de montée et de connexion 22 répartis régulièrement sur toute la longueur de chacun de ses deux bords longitudinaux 38. Les conducteurs électriques de montée et de connexion 22 comprennent des conducteurs électriques de montée et de connexion amont 22A, c'est-à-dire adjacents au bord longitudinal 38 amont de la cuve 10 d'électrolyse, et des conducteurs électriques de montée et de connexion aval 22B, c'est-à-dire adjacents au bord longitudinal 38 aval de la cuve 10 d'électrolyse. Les conducteurs électriques de montée et de connexion amont 22A sont connectés électriquement à une extrémité amont de la première partie 34 du support 30, et les conducteurs électriques de montée et de connexion aval 22B sont connectés électriquement à une extrémité aval de cette première partie 34 du support 30. Les conducteurs électriques d'acheminement 24 sont connectés aux sorties cathodiques 20 et sont destinés à conduire le courant d'électrolyse IE depuis ces sorties cathodiques 20 jusqu'aux conducteurs électriques de montée et de connexion 22 de la cuve 10 d'électrolyse suivante de la série.
Les conducteurs cathodiques 18, les sorties cathodiques 20 et/ou les conducteurs d'acheminement 24 peuvent être des barres métalliques, éventuellement composites, par exemple en aluminium, cuivre et/ou acier.
Une nappe d'aluminium 40 liquide est formée au cours de la réaction d'électrolyse.
On notera que les cuves 10 d'électrolyse de l'aluminerie 1 selon l'invention sont préférentiellement des cuves 10 d'électrolyse de type à remplacement d'anode par traction verticale ascendante des ensembles anodiques 14 au-dessus de la cuve 10 d'électrolyse, comme cela est réprésenté par l'intermédiaire de la cuve 10 d'électrolyse à droite sur la figure 6. Les conducteurs de montée et de connexion 22 s'étendent de part et d'autre du caisson 12 sans s'étendre au droit des anodes 32, c'est-à-dire sans s'étendre dans un volume obtenu par projection verticale de la superficie des anodes 32 projetée dans un plan horizontal. Outre l'intérêt que cela représente pour permettre un changement d'anode 32 par traction verticale ascendante, cela permet aussi de diminuer la longueur des conducteurs de montée et de connexion 22 par rapport à une utilisation de conducteurs de montée et de connexion 130 de type classique, visibles sur la figure 2, qui s'étendent typiquement au-dessus de la cuve 1 10 d'électrolyse jusque dans la partie centrale longitudinale de la cuve 1 10 d'électrolyse. Cela contribue à réduire les coûts de fabrication. On note aussi que la partie horizontale 34 du support 30 est supportée et connectée au niveau de chacun des deux bords longitudinaux 38 de chaque cuve 10 d'électrolyse.
Ainsi, l'ensemble anodique n'est plus supporté et connecté électriquement au-dessus du caisson et des anodes au moyen d'une superstructure 132, comme cela est le cas pour les cuves d'électrolyse de l'état de la technique illustrées sur la figure 2. Les cuves 10 d'électrolyse de l'aluminerie 1 selon ce mode de réalisation de l'invention sont donc exemptes de superstructure. L'absence de superstructure permet d'élargir et/ou allonger les cuves 10 d'électrolyse, afin de bénéficier de cuves 10 d'électrolyse de grandes dimensions, comme mentionné précédemment. Un tel élargissement ou allongement des cuves 110 d'électrolyse de l'état de la technique n'est pas possible du fait de la superstructure 132, car cet élargissement et/ou allongement entraînerait un élargissement et/ou allongement de la superstructure 132 elle-même, donc de la portée de la poutre entre les pieds soutenant la poutre et du poids à soutenir par cette superstructure 132. Il existe des superstructures comportant une ou plusieurs arches intermédiaires de soutènement de la poutre, mais de telles arches intermédiaires, s'étendant transversalement au-dessus du caisson 1 12 et des anodes 1 18, sont encombrantes et complexifient les opérations sur cuves, notamment les changements d'anodes.
Le fait de pouvoir augmenter les dimensions des cuves d'électrolyse, combiné à une augmentation de l'intensité du courant d'électrolyse IE, cela sans créer d'instabilités HD du fait de la configuration magnétique particulière de l'aluminerie 1 selon l'invention décrite plus en détails ci-après, permet d'améliorer substantiellement le rendement de l'aluminerie 1 en comparaison avec l'état de la technique.
Les conducteurs électriques de l'aluminerie 1 (en particulier conducteurs électriques de montée et de connexion 22, support 30, sorties cathodiques 20, conducteurs d'acheminement 24, conducteurs électriques des premier et deuxième circuits électriques de compensation 4, 6) sont en effet configurés pour obtenir une compensation efficace des composantes horizontales et verticale du champ magnétique généré par la circulation du courant d'électrolyse IE et, ce faisant, une limitation des instabilités MHD, donc un rendement amélioré.
Plus particulièrement, la répartition du courant d'électrolyse IE parcourant les conducteurs électriques de montée et de connexion 22 est dissymétrique entre les conducteurs électriques de montée et de connexion amont 22A et aval 22B. Le courant d'électrolyse IE est réparti en un courant d'électrolyse amont IEA, qui parcourt l'ensemble des conducteurs électriques de montée et de connexion amont 22A des cuves 10 d'électrolyse, et un courant d'électrolyse aval IEB, qui parcourt l'ensemble des conducteurs électriques de montée et de connexion aval 22B des cuves 10 d'électrolyse. L'intensité du courant d'électrolyse amont IEA est égale à ]50-100[% de l'intensité du courant d'électrolyse IE, tandis que l'intensité du courant d'électrolyse aval IEB est égale à ]0-50[% de l'intensité du courant d'électrolyse IE, étant précisé que les courants d'électrolyse amont IEA et aval IEB sont complémentaires, c'est-à-dire que la somme des intensités des courants d'électrolyse amont IEA et aval IEB est égale à l'intensité du courant d'électrolyse IE.
Cette répartition dissymétrique avec prépondérance de l'amont par rapport à l'aval est particulièrement avantageuse quand les cuves 10 d'électrolyse de l'aluminerie sont des cuves d'électrolyse de grandes dimensions. En effet, là dissymétrie amont/aval du courant d'électrolyse IE permet d'éviter de recourir à une augmentation trop importante de section des conducteurs d'acheminement 24 sous la cuve 10 d'électrolyse, si bien que des économies de matières et d'espace sont réalisées, et cela sans préjudice de la stabilité magnétique de la cuve 10 d'électrolyse. Le choix de la répartition entre intensités des courants d'électrolyse amont et aval IEA, IEB est réalisé par étude économique. Ce choix dépend principalement de la distance entre deux cuves et de la hauteur des cuves. Cette répartition est réalisée en ajustant les sections des conducteurs électriques des circuits électriques amont et aval, en tenant compte de leur longueur.
Les conducteurs de montée et de connexion 22 s'étendent de façon sensiblement verticale, et de préférence uniquement de façon verticale, si bien que le cheminement du courant d'électrolyse IE à travers les conducteurs de montée et de connexion 22 génère un champ magnétique avec uniquement des composantes horizontales, mais pas de composante verticale.
De même, la deuxième partie 36 du support 30 de l'ensemble anodique 14, et/ou les sorties cathodiques 20, s'étendent avantageusement selon une direction verticale, et de préférence uniquement de façon verticale, afin que le cheminement du courant d'électrolyse IE à travers cette deuxième partie 36 et/ou à travers les sorties cathodiques 20 génère un champ magnétique présentant uniquement des composantes horizontales, mais pas de composante verticale.
On notera que les sorties cathodiques 20 traversent avantageusement le fond du caisson 12. Le fait de disposer de sorties cathodiques 20 par le fond, au lieu de sorties cathodiques sur les côtés de la cuve d'électrolyse comme dans l'état de la technique (figure 2), permet de réduire la longueur des conducteurs d'acheminement 24. La réduction de longueur des conducteurs d'acheminement 24 permet, outre une économie de matières premières, une diminution substantielle des courants horizontaux dans les liquides et, ainsi, une meilleure stabilité MHD.
Par ailleurs, toujours en vue de compenser efficacement le champ magnétique créé par la circulation du courant d'électrolyse IE, la première partie 34 du support 30 de l'ensemble anodique 14 s'étend, de préférence uniquement, de façon sensiblement horizontale et parallèle à la direction transversale X des cuves 10 d'électrolyse.
De même, les conducteurs d'acheminement 24 s'étendent avantageusement de façon sensiblement rectiligne et parallèle à la direction transversale X des cuves 10 d'électrolyse, jusqu'aux conducteurs de montée et de connexion 22 de la cuve 10 d'électrolyse suivante. On limite ainsi le coût des conducteurs électriques d'acheminement 24, en minimisant leur longueur. On limite également les champs magnétiques générés par ces conducteurs électriques 24 d'acheminement par rapport à l'état de la technique, et en particulier par rapport aux cuves d'électrolyse autocompensées de l'état de la technique. Les conducteurs électriques de montée et de connexion 22 sont de préférence répartis à intervalles réguliers sur sensiblement toute la longueur du bord longitudinal 38 auquel ils sont adjacents. Autrement dit, une même distance sépare deux conducteurs électriques de montée et de connexion 22 consécutifs dans la direction longitudinale Y. Cela permet d'améliorer l'équilibre de la composante horizontale longitudinale du champ magnétique (c'est-à-dire parallèlement à la longueur de la cuve 10 d'électrolyse).
Les conducteurs électriques de montée et de connexion amont 22A et les conducteurs électriques de montée et de connexion aval 22B peuvent être agencés à équidistance d'un plan médian longitudinal YZ de chaque cuve 10 d'électrolyse, c'est-à-dire un plan sensiblement perpendiculaire à la direction transversale X et séparant chaque cuve 10 d'électrolyse en deux parties sensiblement égales. En d'autres termes, les conducteurs électriques de montée et de connexion amont 22A sont à la même distance de ce plan médian longitudinal YZ que les conducteurs électriques de montée et de connexion aval 22B. De plus, les conducteurs électriques de montée et de connexion amont 22A sont avantageusement disposés de façon sensiblement symétrique aux conducteurs électriques de montée et de connexion aval 22B, par rapport à ce plan médian longitudinal YZ. On améliore ainsi encore la caractéristique sensiblement antisymétrique avantageuse de la distribution du champ magnétique horizontale dans les liquides.
Pour limiter le champ magnétique généré par la circulation du courant d'électrolyse à travers les conducteurs électriques de montée et de connexion 22, ces conducteurs électriques de montée et de connexion s'étendent avantageusement au-dessus des liquides (bain électrolytique) à une hauteur h comprise entre 0 et 1 ,5 mètre. La longueur des conducteurs de montée et de connexion 22 est ainsi fortement diminuée par rapport aux conducteurs de montée et de connexion 130 de type classique qui s'étendent à des hauteurs supérieures à deux mètres pour les cuves 130 d'électrolyse de l'état de la technique.
Pour améliorer la compacité de l'aluminerie 1 et limiter les coûts en matières premières, les conducteurs de montée et de connexion amont 22A des cuves 10 d'électrolyse peuvent être agencés en quinconce par rapport aux conducteurs de montée et de connexion aval 22B de la cuve 10 d'électrolyse la précédant dans la file 2. Cela permet en effet de rapprocher au maximum les cuves 10 d'électrolyse les unes des autres, soit pour placer davantage de cuves 10 d'électrolyse en série sur une même distance, ce qui augmente le rendement, soit pour réduire la longueur d'une file 2 de cuves 10 d'électrolyse, donc gagner de l'espace et réaliser des économies de structure.
Pour une compensation efficace des composantes horizontales du champ magnétique généré par la circulation du courant d'électrolyse IE, c'est-à-dire pour avoir des composantes horizontales antisymétriques, la première partie 34 du support 30 de l'ensemble anodique 14 et la deuxième partie 36 du support 30 de l'ensemble anodique 14 sont configurées pour que l'intensité de la fraction de courant d'électrolyse parcourant une moitié amont de cette deuxième partie 36 soit sensiblement égale à l'intensité de la fraction de courant d'électrolyse parcourant une moitié aval de cette deuxième partie 36. Autrement dit, et comme cela est représenté sur la figure 8, l'intensité de la fraction de courant d'électrolyse traversant l'ensemble des rondins situés côté amont d'un plan médian longitudinal YZ de la cuve 10 d'électrolyse est sensiblement égale à l'intensité de la fraction de courant d'électrolyse traversant l'ensemble des rondins situés côté aval de ce plan médian longitudinal YZ. En particulier, comme cela ressort du segment S9 de la figure 8 lue en combinaison avec le tableau de la figure 9, une partie du courant d'électrolyse amont IEA parvient jusqu'aux rondins situés côté aval du plan médian YZ de la cuve 10 d'électrolyse. Cela est obtenu grâce à un équilibrage électrique global des différentes sections de conducteurs.
Le principe de compensation ou équilibrage magnétique de l'aluminerie 1 selon l'invention permet d'obtenir pour l'aluminerie 1 un circuit de conducteurs pouvant être réalisé de façon modulaire, comme cela est illustré sur la figure 7. Chaque module M peut comporter par exemple un conducteur électrique du premier circuit électrique de compensation 4 et un certain nombre de conducteurs d'acheminement 24 et de conducteurs de montée et de connexion 22 associés pour chaque cuve 10 d'électrolyse. Le fait est que les conducteurs électriques compris dans chaque module M (conducteurs de montée et de connexion 22, ensemble anodique 14, cathode 16, conducteurs cathodiques 18, sorties cathodiques 20, conducteurs d'acheminement 24, conducteurs électriques du premier circuit de compensation 4) sont configurés pour générer une même configuration magnétique prédéterminée. En d'autres termes, les conducteurs électriques de chaque module M sont agencés et parcourus par des courants tels que chaque module M génère les mêmes composantes verticale et horizontales de champ magnétique.
Le circuit de conducteurs, et donc chaque cuve 10 d'électrolyse, peut être composé d'un certain nombre N de modules M, déterminant la longueur des cuves 10 d'électrolyse et l'intensité du courant traversant les cuves 10 d'électrolyse (l'intensité du courant d'électrolyse IE circulant dans la série de cuves d'électrolyse étant égale à l'intensité de la fraction de courant d'électrolyse traversant chaque module M multipliée par le nombre N de modules M).
Il est important de préciser que, compte-tenu de la configuration magnétique de chaque module M, le choix du nombre N de modules M par cuve 10 d'électrolyse, compensé par le circuit secondaire de compensation 6 sur les extrémités de cuve, ne perturbe que peu l'équilibre magnétique des cuves 10 d'électrolyse. Cela permet d'obtenir une configuration magnétique optimale, et ce, pour des ampérages au-delà de 1000 kA voire 2000 kA lors de la conception ou une extension de la longueur des cuves 10 d'électrolyse par addition de tels modules. A contrario, l'allongement de cuves d'électrolyse de type autocompensée ou compensée par des circuits magnétiques de compensation disposés sur les côtés des cuves connues de l'art antérieur imposent de redessiner complètement les circuits de conducteurs. Aussi, le rapport de la quantité de matériau formant le circuit de conducteurs ramené à la surface de production des cuves 10 d'électrolyse ne se dégrade pas lorsque l'on allonge les cuves 10 d'électrolyse, il augmente proportionnellement au nombre N de modules M et à l'intensité traversant les cuves 10 d'électrolyse. Ainsi, les cuves 10 d'électrolyse peuvent être allongées simplement en fonction des besoins et l'intensité du courant les traversant n'est pas limitée. La construction modulaire des conducteurs électriques des cuves 10 d'électrolyse offre donc un avantage en termes d'évolutivité, puisque cette construction modulaire, combinée à un simple ajustement de l'ampérage du circuit secondaire de compensation, permet de modifier les cuves 10 d'électrolyse sans porter atteinte à leur équilibrage magnétique et électrique.
Le tableau de la figure 9, lu en combinaison avec la figure 8, montre pour un module les valeurs d'intensité parcourant les différents éléments électriquement conducteurs des cuves 10 d'électrolyse, ces éléments conducteurs étant symbolisés par des segments : S1 pour les conducteurs de montée et de connexion amont 22A ; S2, S5 et S8 pour la première partie 34 du support 30 ; S3 et S9 pour la deuxième partie 36 du support 30, la ou les anodes 32, le bain électrolytique, la nappe d'aluminium 40, la cathode 16, les conducteurs cathodiques 18 et les sorties cathodiques 20 ; S4, S6 et S10 pour les conducteurs d'acheminement 24 ; S7 pour les conducteurs de montée et de connexion aval 22 B.
On précise que la somme des intensités i et ia indiquées dans le tableau des figures 9, 13 et 14 est égale à l'intensité du courant d'électrolyse amont IEA divisée par le nombre N de modules de la cuve 10 d'électrolyse ; l'intensité ib est égale à l'intensité du courant d'électrolyse aval IEB divisée par le nombre N de modules de la cuve 10 d'électrolyse ; la somme de ia et ib est égale à i ; la somme des courants d'électrolyse amont et aval IEA, IEB est donc égale à 2i multiplié par le nombre N de modules ; et l'intensité du courant d'électrolyse IE circulant à travers la série de cuves d'électrolyse est égale à la somme de l'intensité du courant d'électrolyse amont IEA traversant toute la partie amont de la cuve d'électrolyse et de l'intensité du courant d'électrolyse aval IEB traversant toute la partie aval de la cuve d'élecrtolyse, c'est-à-dire au produit de 2i et du nombre N de modules de la cuve d'électrolyse. Les figures 10 à 12 sont des vues schématiques filaires du circuit électrique parcouru par le courant d'électrolyse dans un module d'une cuve 10 d'électrolyse de l'aluminerie 1 , et montrant pour cette cuve 10 d'électrolyse les trois zones principales P1 , P2, P3 générant un champ magnétique perturbateur significatif : une zone P1 amont, une zone P2 intermédiaire centrale, et une zone P3 aval symétrique de la zone P1 amont par rapport à un plan médian longitudinal YZ des cuves 10 d'électrolyse.
Le tableau de la figure 13, lu en combinaison avec les figures 10, 11 et 12, montre schématiquement la composante verticale du champ magnétique généré par les conducteurs électriques (représentés schématiquement par des segments) de la cuve 10 d'électrolyse, respectivement dans les trois zones P1 , P2, P3 des cuves 10 d'électrolyse, par les premier et deuxième circuits de compensation 4, 6. En additionnant les contributions de chacun de ces conducteurs électriques, et celle du premier et du deuxième circuit de compensation 4, 6, on constate que la composante verticale Bz de champ magnétique généré par la circulation du courant d'électrolyse est nulle, c'est-à-dire parfaitement compensée. Ainsi, les instabilités MHD sont réduites au minimum ; cela offre la possibilité d'améliorer substantiellement le rendement.
En outre, le tableau de la figure 14, lu aussi en combinaison avec les figures 10, 1 1 et 12, montre schématiquement la composante horizontale longitudinale du champ magnétique généré par la circulation du courant d'électrolyse à travers les conducteurs électriques (symbolisés par des segments) de la cuve 10 d'électrolyse, zone par zone, et à travers les premier et deuxième circuits de compensation 4, 6. La composante horizontale transversale du champ magnétique est quant à elle bien antisymétrique car les conducteurs sont symétriques par rapport au plan XZ. En additionnant les contributions de chaque segment, et celles des premier et deuxième circuits de compensation 4, 6, on constate que la composante horizontale longitudinale By du champ magnétique est antisymétrique (opposée dans les zones P1 , P3 amont et aval, et nulle dans la zone P2 centrale). Cette antisymétrie supprime les effets délétères liés aux composantes horizontales du champ magnétique.
Le premier circuit électrique de compensation 4 est décrit plus en détails ci-après.
Le premier circuit électrique de compensation 4 s'étend sous les cuves 10 d'électrolyse. Ce premier circuit électrique de compensation 4 est destiné à être parcouru par un premier courant de compensation IC1 , en sens inverse du sens de circulation global du courant d'électrolyse IE, comme cela est visible sur les figures 5 et 7. On rappel que par sens de circulation global du courant d'électrolyse IE on entend sens de circulation du courant d'électrolyse IE à l'échelle de l'aluminerie 1 ou de la ou des files 2 de cuves 10 d'électrolyse. Le premier circuit électrique de compensation 4 comprend des conducteurs électriques qui peuvent être des barres métalliques, par exemple en aluminium, cuivre ou acier, ou, de manière avantageuse, des conducteurs électriques en matériau supraconducteur, ces derniers permettant de réduire la consommation d'énergie et, du fait de leur masse plus faible que celle des conducteurs équivalents en métal, de réduire les frais de structure pour les supporter ou pour les protéger d'éventuelles coulées de métal au moyen de déflecteurs 42 métalliques (figure 7) ou en les enterrant. Avantageusement, ces conducteurs électriques en matériau supraconducteur peuvent être agencés pour réaliser plusieurs tours en série sous la ou les files de cuves, comme cela est décrit dans la demande de brevet WO2013007893 au nom de la demanderesse.
L'aluminerie 1 comprend une station 44 d'alimentation configurée pour faire circuler à travers le premier circuit électrique de compensation 4 une intensité de courant IC1 égale au double de l'intensité du courant d'électrolyse aval IEB, à plus ou moins 20% près, et de préférence à plus ou moins 10% près.
Cette station 44 d'alimentation peut être une station d'alimentation électrique propre, c'est-à-dire distincte de la station 8 d'alimentation alimentant les cuves 10 d'électrolyse en courant d'électrolyse IE. La station 44 d'alimentation électrique du premier circuit de compensation 4 est donc exclusivement dédiée à l'alimentation de ce premier circuit de compensation 4.
Le premier circuit électrique de compensation 4 est ainsi également indépendant du circuit électrique principal parcouru par le courant d'électrolyse IE comprenant notamment la ou les files 2 de cuves 10 d'électrolyse. Si le premier circuit électrique de compensation 4 subit une avarie, par exemple un perçage d'une des cuves 10 d'électrolyse par les liquides contenus dans les cuves d'électrolyse, dont la température est proche de 1 000°C, la réaction d'électrolyse peut se poursuivre, avec un rendement moindre toutefois puisque la compensation magnétique est impactée. De plus, l'intensité du premier courant de compensation IC1 est modifiable indépendamment du courant d'électrolyse IE. Cela est d'une importance primordiale en termes d'évolutivité et d'adaptabilité. D'une part parce que cela permet, en cas d'augmentation de l'intensité du courant d'électrolyse IE en cours de vie de l'aluminerie 1 , d'adapter la compensation magnétique à cette évolution, par variation de l'intensité du premier courant de compensation IC1 en fonction des besoins. D'autre part parce que cela permet d'adapter l'ampérage du premier courant de compensation IC1 aux caractéristiques et à la qualité de l'alumine disponible. Cela permet de contrôler la vitesse des écoulements MHD pour favoriser ou limiter le brassage des liquides et la dissolution de l'alumine dans le bain en fonction des caractéristiques de l'alumine disponible, ce qui in fine contribue à un rendement le meilleur possible compte- tenu des approvisionnements en alumine.
Les conducteurs électriques du premier circuit électrique de compensation 4 s'étendent sous les cuves d'électrolyse en formant ensemble une nappe de conducteurs électriques parallèles, avantageusement de deux à douze, et de préférence de trois à dix conducteurs électriques parrallèles. En d'autres termes, en section longitudinal d'une cuve 10 d'électrolyse, c'est-à-dire dans un plan longitudinal YZ de la cuve 10 d'électrolyse, comme cela est représenté sur la figure 7, le premier circuit électrique de compensation 4 s'étend sous plusieurs endroits de la cuve 10 d'électrolyse. On notera que le premier courant de compensation IC1 circule en sens contraire du sens de circulation global du courant d'électrolyse IE, ce à travers tous les conducteurs électriques formant la nappe. La nappe peut être formée par un même circuit électrique formant plusieurs tours ou boucles en série sous les cuves 10 d'électrolyse, chaque boucle correspondant à un conducteur électrique de la nappe. Alternativement, la nappe peut être formée par une division en un faisceau de conducteurs électriques parallèles du premier circuit électrique de compensation 4, ce dernier pouvant former le cas échéant une seule boucle sous lés cuves 10 d'électrolyse.
L'intensité du premier courant de compensation IC1 est égale à la somme des intensités du courant de compensation parcourant chaque conducteur électrique de la nappe. De préférence, l'intensité du premier courant de compensation IC1 dans chaque conducteur électrique de la nappe est égale à l'intensité du premier courant de compensation IC1 divisée par le nombre de conducteurs électriques de cette nappe.
Les conducteurs électriques de la nappe sont avantageusement équidistants les uns des autres. Une même distance sépare donc deux conducteurs électriques adjacents de la nappe. On améliore encore ainsi la compensation du champ magnétique défavorable.
Les conducteurs électriques de la nappe peuvent s'étendre parallèlement les uns aux autres. Ils s'étendent de préférence parallèlement à la direction transversale X des cuves 10 d'électrolyse. Par ailleurs, les conducteurs électriques formant la nappe peuvent être agencés tous dans un même plan horizontal XY. Cela permet aussi d'améliorer la compensation du champ magnétique généré par la circulation du courant d'électrolyse.
De plus, les conducteurs électriques de la nappe peuvent s'étendre sensiblement symétriquement par rapport au plan médian transversal XZ des cuves d'électrolyse, c'est- à-dire par rapport au plan perpendiculaire à la direction longitudinale Y, ce plan séparant les cuves 10 d'électrolyse en deux moitiés sensiblement égales. Selon l'exemple de la figure 7, le premier circuit électrique de compensation 4 forme une nappe de trois conducteurs sensiblement équidistants et agencés dans un même plan XY sensiblement horizontal. Cette nappe comprend autant de conducteurs électriques que la cuve 10 d'électrolyse comprend de modules M.
De fait, la nappe est avantageusement configurée pour que chaque module M de la cuve 10 d'électrolyse comprenne le même nombre de conducteurs électriques du premier circuit électrique de compensation 4. Cela permet d'obtenir une compensation du champ magnétique par module, ce qui produit de meilleurs effets et offre un avantage significatif en termes de mise en œuvre et d'évolutivité.
Le deuxième circuit électrique de compensation 6 est décrit plus en détails ci-après.
Le deuxième circuit électrique de compensation 6 s'étend sur au moins un côté, transversal, des cuves 10 d'électrolyse, de façon sensiblement parallèle à la direction transversale X des cuves 10 d'électrolyse, c'est-à-dire parallèlement à la ou les files 2 de cuves 10 d'électrolyse. Le deuxième circuit électrique de compensation 6 est destiné à être parcouru par un deuxième courant de compensation IC2, dans le même sens que le sens de circulation global du courant d'électrolyse IE.
De préférence, le deuxième circuit électrique de compensation 6 s'étend le long des deux côtés transversaux des cuves 10 d'électrolyse, comme cela est illustré sur la figure 5. Dans ce cas, on désigne par boucle interne 61 les conducteurs électriques du deuxième circuit électrique de compensation 6 qui sont situés entre les deux premières files 2 adjacentes de cuves 10 d'électrolyse, et par boucle externe 62 les conducteurs électriques du deuxième circuit électrique de compensation 6 qui sont situés côté extérieur des files 2 de cuves 10 d'électrolyse, c'est-à-dire qui sont de l'autre côté des cuves 10 d'électrolyse par rapport aux conducteurs électriques formant la boucle interne 61. La boucle interne 61 est parcourue par un deuxième courant de compensation IC21 et la boucle externe 62 est parcourue par un deuxième courant de compensation IC22. Les deuxième courants de compensation IC21 et IC22 circulent dans le même sens. La somme des courants IC21 et IC22 circulant respectivement dans la boucle interne 61 et dans la boucle externe 62 est égale au courant de compensation IC2. La boucle interne 61 et/ou la boucle externe 62 peuvent éventuellement faire plusieurs tours en série ; le cas échéant l'intensité du courant IC21 , respectivement IC22, est le produit du nombre de tours en série par l'intensité du courant circulant dans chaque tour en série.
L'aluminerie 1 comprend une station 46 d'alimentation qui est avantageusement configurée pour faire circuler à travers le deuxième circuit électrique de compensation 6 (boucle interne 61 et/ou boucle externe 62) une intensité totale (le cas échéant boucle interne 61 plus boucle externe 62) de courant de compensation IC2 comprise entre 50% et 100% de la différence d'intensité entre les courants d'électrolyse amont et aval, et de préférence comprise entre 80% et 100% de la différence d'intensité entre les courants d'électrolyse amont et aval. Cette valeur d'intensité, fixée en fonction de la répartition dissymétrique du courant d'électrolyse IE dans chaque cuve 10 d'électrolyse, offre, en synergie avec le choix de la valeur de répartition dissymétrique IEA, IEB et de l'intensité du premier courant de compensation IC1 , les meilleurs résultats de compensation du champ magnétique, applicable efficacement aux cuves 10 d'électrolyse de grandes dimensions.
De préférence, l'intensité du courant IC21 circulant dans la boucle interne 61 diffère de l'intensité du courant IC22 circulant dans la boucle externe 62. Plus particulièrement, l'intensité du courant IC21 circulant dans la boucle interne 61 est avantageusement supérieure à l'intensité du courant IC22 circulant dans la boucle externe 62.
Le courant parcourant la boucle interne 61 pourra être augmenté afin de compenser l'impact de la file voisine sur le champ magnétique vertical. Cette augmentation aura une valeur typique voisine de (à 50% près) IE2xD61/DP2, où IE2 = IE— IC1 + IC2 = IE + IEA - 3 IEB et DP2 est la distance de la file voisine au centre de la cuve et D61 est la distance de la boucle interne 61 au centre de la cuve. Pour une série d'électrolyse classique IE2 est supérieur ou égal à IE. On peut noter que IE + IEA - 3 IEB est très inférieur à IE. Ceci est un gain de ce design qui permet le rapprochement de la file voisine car la création du champ magnétique par la file voisine est beaucoup plus faible sans surcoût par rapport à ce qui est connue par l'homme du métier.
La station 46 d'alimentation alimentant le deuxième circuit de compensation 6 peut être une station d'alimentation électrique propre, c'est-à-dire distincte de la station 8 d'alimentation alimentant les cuves 10 d'électrolyse en courant d'électrolyse IE et distincte de la station 44 d'alimentation alimentant le premier circuit électrique de compensation 4. La station 46 d'alimentation électrique du deuxième circuit de compensation 6 est donc exclusivement dédiée à l'alimentation de ce deuxième circuit de compensation 6. Le deuxième circuit électrique de compensation 6 est ainsi également indépendant du circuit électrique principal parcouru par le courant d'électrolyse IE. L'intensité du deuxième courant de compensation IC2 est modifiable indépendamment du courant d'électrolyse IE, offrant ainsi des avantages substantiels en termes d'évolutivité et d'adaptabilité de l'aluminerie 1 , comme expliqué précédemment concernant le premier circuit électrique de compensation 4. Avantageusement, le deuxième circuit de compensation 6 peut être également distinct du premier circuit de compensation 4. Quand le deuxième circuit électrique de compensation 6 s'étend des deux côtés des cuves 10 d'électrolyse, les conducteurs électriques formant ce deuxième circuit électrique de compensation 6 peuvent avantageusement être symétriques par rapport à un plan XZ transversal médian des cuves 10 d'électrolyse. Cela améliore la compensation du champ magnétique délétère.
Par ailleurs, toujours dans l'optique de compenser efficacement ce champ magnétique, créé par la circulation du courant d'électrolyse IE, les conducteurs électriques du deuxième circuit électrique de compensation 6 s'étendent avantageusement dans un même plan horizontal XY. De préférence, ce plan horizontal XY est situé à hauteur de la nappe d'aluminium 40 liquide formée à l'intérieur des cuves 10 d'électrolyse au cours de la réaction d'électrolyse.
On notera que les conducteurs électriques formant le deuxième circuit électrique de compensation 6 peuvent avantageusement être configurés de manière à limiter les effets de « fin de file », comme cela est montré sur la figure 5.
Les conducteurs électriques formant le deuxième circuit électrique de compensation 6 peuvent être des barres métalliques, par exemple en aluminium, cuivre ou acier, ou, de manière avantageuse, à des conducteurs électriques en matériau supraconducteur, ces derniers permettant de réduire la consommation d'énergie et, du fait de leur masse plus faible que celle des conducteurs équivalents en métal, de réduire les frais de structure pour les supporter. Avantageusement, ces conducteurs électriques en matériau supraconducteur peuvent être agencés pour réaliser plusieurs tours en série sur le ou les côtés des files 2 de cuves 10 d'électrolyse, comme cela est décrit dans la demande de brevet WO2013007893 au nom de la demanderesse.
L'invention concerne également un procédé de compensation du champ magnétique créé par la circulation d'un courant d'électrolyse IE dans les cuves 10 d'électrolyse de l'aluminerie 1 décrite ci-dessus. Ce procédé comprend :
le fait de faire circuler, en sens contraire du sens de circulation global du courant d'électrolyse IE, le premier courant de compensation IC1 à travers le premier circuit électrique de compensation 4,
le fait de faire circuler, dans le même sens de circulation que le sens de circulation global du courant d'électrolyse IE, le deuxième courant de compensation IC2 à travers le deuxième circuit électrique de compensation 6.
Le procédé comprend aussi avantageusement le fait de répartir de façon dissymétrique le courant d'électrolyse IE entre les conducteurs électriques de montée et de connexion amont 22A et les conducteurs électriques de montée et de connexion aval 22B. Cette étape de répartition dissymétrique du courant d'électrolyse entre l'amont et l'aval des cuves 10 d'électrolyse comprend la séparation du courant d'électrolyse IE en un courant d'électrolyse amont IEA, qui circule à travers l'ensemble des conducteurs électriques de montée et de connexion amont 22A de chaque cuve 10 d'électrolyse, de sorte que l'intensité du courant d'électrolyse amont IEA soit comprise entre ]50-100[% de l'intensité du courant d'électrolyse IE, et en un courant d'électrolyse aval IEB, qui circule à travers l'ensemble des conducteurs électriques de montée et de connexion aval 22B de chaque cuve 10 d'électrolyse, de sorte que l'intensité du courant d'électrolyse aval IEB soit comprise entre ]0-50[% de l'intensité du courant d'électrolyse IE, la somme des intensités des courants d'électrolyse amont et aval IEA, IEB étant égale à l'intensité du courant d'électrolyse IE.
L'étape de mise en circulation du premier courant de compensation IC1 est avantageusement telle que l'intensité du premier courant de compensation IC1 soit égale au double de l'intensité du courant d'électrolyse aval IEB, à plus ou moins 20% près, et de préférence à plus ou moins 10% près.
L'étape de mise en circulation du deuxième courant de compensation IC2 est avantageusement telle que l'intensité totale (boucle interne 61 + externe 62) du deuxième courant de compensation IC2 soit comprise entre 50% et 100% de la différence d'intensité entre les courants d'électrolyse amont IEA et aval IEB , et de préférence comprise entre 80% et 100% de la différence d'intensité entre les courants d'électrolyse amont et aval.
Pour ces valeurs d'intensités du courant d'électrolyse amont IEA, du courant d'électrolyse aval IEB, du premier courant de compensation IC1 et du deuxième courant de compensation IC2, la demanderesse a constaté que le champ magnétique généré par la circulation du courant d'électrolyse est le plus efficacement compensé.
De plus, l'intensité du courant IC21 circulant dans la boucle interne 61 peut différer de l'intensité du courant IC22 circulant dans la boucle externe 62. Plus particulièrement, l'intensité du courant IC21 circulant dans la boucle interne 61 est avantageusement supérieure à l'intensité du courant IC22 circulant dans la boucle externe 62.
Par ailleurs, le procédé peut comprendre avantageusement une étape d'analyse d'au moins une caractéristique de l'alumine dans au moins une des cuves 10 d'élecrolyse de l'aluminerie 1 décrite précédemment, et la détermination d'une répartition de valeurs d'intensité des courants d'électrolyse amont et aval IEA, IEB à faire circuler en fonction de cette caractéristique analysée, ce qui définit aussi le cas échéant les valeurs d'intensité des premier et deuxième courants de compensation IC1 , IC2 et le cas échéant des courants d'électrolyse amont et aval IEA, IEB. Les valeurs d'intensité des premier et deuxième courants de compensation IC1 , IC2, et le cas échéant des courants d'électrolyse amont et aval IEA, IEB, peuvent être ensuite modifiées jusqu'aux valeurs déterminées précédemment si les valeurs d'intensité des premier et deuxième courants de compensation IC1 , IC2 et des courants d'électrolyse amont et aval IEA, IEB initiales diffèrent des valeurs ainsi déterminées. Ainsi, le procédé permet de modifier là compensation magnétique, afin d'augmenter ou réduire le brassage des liquides tout en contrôlant les instabilités MHD. De manière générale plus le brassage (ou l'écoulement) des liquides est fort, plus la dissolution d'alumine va être efficace mais plus l'interface bain/métal va être instable (= instabilité MHD), ce qui peut dégrader le rendement des cuves. Un tel procédé est particulièrement intéressant avec la configuration des conducteurs électriques décrite ci-dessus car il rend les cuves 10 d'électrolyse magnétiquement très stables et offre donc une plus grande plage pour moduler/optimiser le brassage en fonction de la qualité de l'alumine. Les caractéristiques de l'alumine analysées peuvent notamment être l'habilité de l'alumine à se dissoudre dans le bain, la fluidité de l'alumine, sa solubilité, sa teneur en fluor, son humidité...
La détermination d'une répartition de valeurs d'intensité des courants de compensation amont et aval IEA, IEB et/ou de valeurs d'intensité des premier et deuxième courants de compensation IC1 , IC2 en fonction des caractéristiques de l'alumine analysée peut être notamment effectuée par utilisation d'un abaque, par exemple réalisé par l'homme du métier par calcul, expérimentation et consignation des correspondances optimales intensités des courants d'électrolyse amont et aval IEA, IEB / caractéristiques de l'alumine. Il s'agit ici de quantifier l'intensité du brassage des liquide souhaité au regard du niveau d'instabilités MHD.
Il peut arriver que l'alumine disponible pour un fonctionnement continu de Paluminerie soit de qualité différente, notamment plus ou moins pâteuse, et donc ayant des habilités différentes à se dissoudre dans le bain d'électrolyse. Dans ce cas, les mouvements des liquides dans les cuves 10 d'électrolyse constituent un atout, car ils permettent de brasser cette alumine pour favoriser sa dissolution. Or, dans le cas de l'auto-compensation notamment (utilisée dans l'état de la technique), le champ magnétique à l'origine des mouvements des liquides est directement compensé via le courant d'électrolyse lui- même, avec une distribution du champ magnétique imposée et figée par le parcours des conducteurs d'acheminement. Il n'est donc pas possible dans les alumineries avec autocompensation d'introduire volontairement et temporairement un déséquilibre dans la compensation du champ magnétique afin d'augmenter l'intensité du brassage de l'alumine dans les cuves, et ce afin d'augmenter l'efficacité de la dissolution. Ainsi, lorsque l'alumine disponible est uniquement de l'alumine plus difficile à dissoudre que d'ordinaire, le rendement d'alumineries avec auto-compensation peut être sensiblement affecté.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit- ci-dessus, ce mode de réalisation n'ayant été donné qu'à titre d'exemple. Des modifications sont possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par la substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du champ de protection de l'invention. Ainsi, la présente invention est par exemple compatible avec l'utilisation d'anodes de type « inerte » au niveau desquelles se forme de l'oxygène au cours de la réaction d'électrolyse.

Claims

REVENDICATIONS
1. Aluminerie (1 ) comprenant au moins une file (2) de cuves (10) d'électrolyse agencées transversalement par rapport à la longueur de ladite au moins une file (2), une des cuves (10) d'électrolyse comprenant des ensembles anodiques (14) et des conducteurs électriques de montée et de connexion (22) aux ensembles anodiques (14), caractérisée en ce que les conducteurs électriques de montée et de connexion (22) s'étendent vers le haut le long de deux bords longitudinaux (38) opposés de la cuve (10) d'électrolyse pour conduire le courant d'électrolyse (IE) vers les ensembles anodiques (14), et en ce que Paluminerie (1 ) comprend :
au moins un premier circuit électrique de compensation (4) s'étendant sous les cuves (10) d'électrolyse, ledit au moins un premier circuit électrique de compensation (4) pouvant être parcouru par un premier courant de compensation (IC1 ) destiné à circuler sous les cuves (10) d'électrolyse en sens inverse du sens de circulation global du courant d'électrolyse (IE),
au moins un deuxième circuit électrique de compensation (6) s'étendant sur au moins un côté de ladite au moins une file (2) de cuves (10) d'électrolyse, ledit au moins un deuxième circuit électrique de compensation (6) pouvant être parcouru par un deuxième courant de compensation (IC2) destiné à circuler dans le même sens que le sens de circulation global du courant d'électrolyse (IE).
2. Aluminerie (1 ) selon la revendication 1 , dans laquelle les conducteurs électriques de montée et de connexion (22) comprennent des conducteurs électriques de montée et de connexion amont (22A), adjacents au bord longitudinal (38) amont de la cuve (10) d'électrolyse, et des conducteurs électriques de montée et de connexion aval (22B), adjacents au bord longitudinal (38) aval de la cuve (10) d'électrolyse, et l'aluminerie (1 ) est configurée pour que la répartition du courant d'électrolyse (IE) soit dissymétrique entre les conducteurs électriques de montée et de connexion amont (22A) et aval (22B), l'intensité du courant d'électrolyse amont (IEA) destiné à parcourir l'ensemble des conducteurs électriques de montée et de connexion amont (22A) de la cuve (10) d'électrolyse étant égale à ]50-100[% de l'intensité du courant d'électrolyse (IE), et l'intensité du courant d'électrolyse aval (IEB) destiné à parcourir l'ensemble des conducteurs électriques de montée et de connexion aval (22B) de la cuve (10) d'électrolyse étant égale à ]0-50[% de l'intensité du courant d'électrolyse (IE), la somme des intensités des courants d'électrolyse amont et aval (IEA), (IEB) étant égale à l'intensité du courant d'électrolyse (IE).
3. Aluminerie (1 ) selon la revendication 2, dans laquelle l'aluminerie comprend une station (44) d'alimentation configurée pour faire circuler à travers ledit au moins un premier circuit électrique de compensation (4) un premier courant de compensation (IC1 ) d'intensité égale au double de l'intensité du courant d'électrolyse aval (IEB), à plus ou moins 20% près, et de préférence à plus ou moins 10% près.
4. Aluminerie (1 ) selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle l'aluminerie (1 ) comprend une station (46) d'alimentation configurée pour faire circuler à travers ledit au moins un deuxième circuit électrique de compensation (6) un deuxième courant de compensation (IC2) d'intensité comprise entre 50% et 100% de la différence d'intensité entre les courants d'électrolyse amont et aval (IEA, IEB), et de préférence comprise entre 80% et 100% de la différence d'intensité entre les courants d'électrolyse amont et aval (IEA, IEB).
5. Aluminerie (1 ) selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle les conducteurs électriques de montée et de connexion (22) sont répartis à intervalle régulier le long du bord longitudinal (38) de la cuve (10) d'électrolyse auquel ces conducteurs électriques de montée et de connexion (22) sont adjacents.
6. Aluminerie (1) selon selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle les conducteurs électriques de montée et de connexion amont (22A) et les conducteurs électriques de montée et de connexion aval (22B) sont situés à équidistance d'un plan médian longitudinal (YZ) de la cuve (10) d'électrolyse.
7. Aluminerie (1) selon la revendication 6, dans laquelle les conducteurs électriques de montée et de connexion (22) amont (22A) et les conducteurs électriques de montée et de connexion aval (22B) sont disposés de façon sensiblement symétrique par rapport audit plan médian longitudinal (YZ) de la cuve (10) d'électrolyse.
8. Aluminerie (1 ) selon selon l'une des revendications 1 à 7, dans laquelle ledit au moins un premier circuit électrique de compensation (4) comprend des conducteurs électriques s'étendant sous les cuves (10) d'électrolyse en formant ensemble une nappe constituée d'une pluralité de conducteurs électriques parallèles, typiquement de deux à douze, et de préférence de trois à dix conducteurs électriques parallèles.
9. Aluminerie (1 ) selon la revendication 8, dans laquelle les conducteurs électriques de ladite nappe sont agencés à intervalle régulier les uns des autres selon une direction longitudinale (Y) des cuves (10) d'électrolyse.
10. Aluminerie (1) selon, la revendication 8 ou 9 dans laquelle les conducteurs électriques de ladite nappe sont agencés de façon sensiblement symétrique par rapport à un plan médian transversal (XZ) des cuves (10) d'électrolyse.
1 1. Aluminerie (1 ) selon l'une des revendications 8 à 10, dans laquelle les conducteurs électriques de ladite nappe sont agencés dans un même plan horizontal (XY).
12. Aluminerie (1 ) selon l'une des revendications 1 à 1 1 , dans laquelle ledit au moins un deuxième circuit électrique de compensation (6) comprend des conducteurs électriques s'étendant de chaque côté de ladite au moins une file (2) de cuves (10) d'électrolyse, et le deuxième courant de compensation (IC2) circule dans le même sens que le sens de circulation global du courant d'électrolyse (IE) de chaque côté des cuves (10) d'électrolyse.
13. Aluminerie (1 ) selon la revendication 12, dans laquelle l'intensité d'un deuxième courant de compensation (IC21 ) circulant dans une boucle interne dudit au moins un deuxième circuit de compensation (6) diffère de l'intensité d'un deuxième courant de compensation (IC22) circulant dans une boucle externe dudit au moins un deuxième circuit de compensation (6).
14. Aluminerie (1 ) selon la revendication 13, dans laquelle l'intensité du deuxième courant de compensation (IC21 ) circulant dans la boucle interne est supérieure à l'intensité du deuxième courant de compensation (IC22) circulant dans la boucle externe.
15. Aluminerie (1 ) selon l'une des revendications 12 à 14, dans laquelle les conducteurs électriques formant le deuxième circuit électrique de compensation (6) sont sensiblement symétriques par rapport à un plan (XZ) transversal médian des cuves (10) d'électrolyse.
16. Aluminerie (1) selon l'une des revendications 12 à 15, dans laquelle les conducteurs électriques du deuxième circuit électrique de compensation (6) s'étendent dans un même plan horizontal (XY), de préférence à hauteur d'une nappe d'aluminium liquide (40) formée à l'intérieur des cuves (10) d'électrolyse au cours de la réaction d'électrolyse.
17. Aluminerie (1 ) selon l'une des revendications 1 à 16, dans laquelle ledit au moins un premier circuit électrique de compensation (4) est indépendant du circuit électrique principal parcouru par le courant d'électrolyse (IE).
18. Aluminerie (1 ) selon l'une des revendications 1 à 17, dans laquelle ledit au moins un deuxième circuit électrique de compensation (6) est indépendant du circuit électrique principal parcouru par le courant d'électrolyse (IE).
19. Aluminerie (1) selon l'une des revendications 1 à 18, dans laquelle la cuve (10) d'électrolyse présente une construction électrique modulaire en N modules (M) répétés dans le sens de sa longueur, chaque module (M) comprenant des conducteurs électriques configurés pour générer une même configuration magnétique prédéterminée.
20. Procédé de compensation d'un champ magnétique créé par la circulation d'un courant d'électrolyse (IE) dans une pluralité de cuves (10) d'électrolyse d'une aluminerie (1 ) selon l'une des revendications 1 à 19, le procédé comprenant : la circulation, en sens contraire du sens de circulation global du courant d'électrolyse (IE), d'un premier courant de compensation (IC1) à travers ledit au moins un premier circuit électrique de compensation (4), la circulation, dans le même sens que le sens de circulation global du courant d'électrolyse (IE), d'un deuxième courant de compensation (IC2) à travers ledit au moins un deuxième circuit électrique de compensation (6).
21. Procédé selon la revendication 20, dans lequel le procédé comprend une répartition dissymétrique du courant d'électrolyse (IE) entre l'amont et l'aval des cuves (10) d'électrolyse, l'ensemble des conducteurs électriques de montée et de connexion (22) à l'amont des cuves (10) d'électrolyse étant parcouru par un courant d'électrolyse amont (IEA) d'intensité comprise entre ]50-100[% de l'intensité du courant d'électrolyse (IE), et l'ensemble des conducteurs électriques de montée et de connexion (22) à l'aval des cuves (10) d'électrolyse étant parcouru par un courant d'électrolyse aval (IEB) d'intensité comprise entre ]0-50[% de l'intensité du courant d'électrolyse (IE), la somme des intensités des courants d'électrolyse amont et aval (IEA), (IEB) étant égale à l'intensité du courant d'électrolyse (IE).
22. Procédé selon la revendication 21 , dans lequel l'intensité du premier courant de compensation (IC1) est égale au double de l'intensité du courant d'électrolyse aval (IEB), à plus ou moins 20% près, et de préférence à plus ou moins 10% près.
23. Procédé selon la revendication 21 ou 22, dans lequel l'intensité du deuxième courant de compensation (IC2) est comprise entre 50% et 100% de la différence d'intensité entre les courants d'électrolyse amont et aval (IEA, IEB), et de préférence comprise entre 80% et 100% de la différence d'intensité entre les courants d'électrolyse amont et aval (IEA, IEB).
24. Procédé selon l'une des revendications 20 à 23, dans lequel ledit au moins un deuxième circuit électrique de compensation (6) comprend une boucle interne et une boucle externe, et dans lequel l'intensité d'un deuxième courant de compensation (IC21) circulant dans la boucle interne diffère de l'intensité d'un deuxième courant de compensation (IC22) circulant dans la boucle externe.
25. Procédé selon la revendication 24, dans lequel l'intensité du deuxième courant de compensation (IC21 ) circulant dans la boucle interne est supérieure à l'intensité du deuxième courant de compensation (IC22) circulant dans la boucle externe.
26. Procédé selon l'une des revendications 20 à 25, dans lequel le procédé comprend une étape d'analyse d'au moins une caractéristique de l'alumine dans au moins une des cuves (10) d'électrolyse de ladite aluminerie (1), et la détermination des valeurs d'intensité du premier courant de compensation (IC1) et du deuxième courant de compensation (IC2) à faire circuler en fonction de ladite au moins une caractéristique analysée.
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