FR3042509A1

FR3042509A1 - Serie de cellules d'electrolyse pour la production d'aluminium comportant des moyens pour equilibrer les champs magnetiques en extremite de file

Info

Publication number: FR3042509A1
Application number: FR1502186A
Authority: FR
Inventors: Benoit BARDET; Olivier Martin
Original assignee: Rio Tinto Alcan International Ltd
Current assignee: Rio Tinto Alcan International Ltd
Priority date: 2015-10-15
Filing date: 2015-10-15
Publication date: 2017-04-21
Anticipated expiration: 2035-10-15
Also published as: CA3000482A1; RU2018117703A; RU2018117703A3; AU2016339054B2; CA3000482C; ZA201801921B; EP3362590A1; EP3362590A4; WO2017064547A1; CN108368624A; CN108368624B; RU2722026C2; EP3362590B1; AU2016339054A1; FR3042509B1

Abstract

L'invention a pour objet une série (1) de cellules d'électrolyse (100) destinée à la production d'aluminium comportant : - deux files (F, F') rectilignes et parallèles de cellules d'électrolyse raccordées électriquement en série, - un conducteur de raccordement (20) entre une première cellule d'extrémité (100') d'une file et la première cellule d'extrémité (100') correspondante de l'autre file, et au moins un circuit d'équilibrage magnétique (21) des cellules d'extrémité de file comportant un premier conducteur électrique (22) d'équilibrage magnétique des cellules d'extrémité s'étendant le long d'une des files de cellules uniquement en regard d'une portion d'extrémité (P) de la première file de cellules.

Description

Domaine de l'invention L'invention concerne la production d'aluminium par électrolyse ignée, à savoir par électrolyse de l'alumine en solution dans un bain de cryolithe fondue, appelé bain d’électrolyte, selon le procédé bien connu de Hall-Héroult. L'invention concerne tout particulièrement l'équilibrage du champ magnétique des séries de cellules d'électrolyse, typiquement de forme rectangulaire et disposées transversalement.

Etat de la technique

Les usines de production d’aluminium par électrolyse ignée contiennent un grand nombre de cellules d'électrolyse - typiquement plusieurs centaines - disposées en ligne, et raccordées électriquement en série à l'aide de conducteurs de liaison, de manière à former deux ou plusieurs files parallèles qui sont électriquement liées entre elles par des conducteurs de raccordement. Les cellules, qui sont de forme rectangulaire, peuvent être orientées soit longitudinalement (c'est-à-dire de façon à ce que leur grand axe soit parallèle à l’axe longitudinal des files), soit transversalement (c'est-à-dire de façon à ce que leur grand axe soit perpendiculaire à l’axe longitudinal des files).

Un grand nombre d’arrangements de cellules et de conducteurs de liaison a été proposé afin, d’une part, de limiter les pertes par effet Joule et, d’autre part, de réduire l’impact des champs magnétiques produits par les conducteurs de liaison et les cellules voisines sur le processus d’électrolyse. Par exemple, la demande de brevet français FR 2 552 782 (correspondant au brevet américain US 4 592 821), au nom d'Aluminium Pechiney, décrit une file de cellules d'électrolyse disposées transversalement pouvant fonctionner industriellement à des intensités supérieures à 300 kA. Selon ce brevet, la stabilité magnétique des cellules est assurée par la configuration des conducteurs de liaison, notamment ceux passant sous la cuve.

Aussi, la demande de brevet français FR 2 425 482 (correspondant au brevet américain US 4 169 034) au nom d’Aluminium Pechiney, décrit une aluminerie comportant au moins deux files voisines parallèles de cellules dans laquelle le champ magnétique généré par le courant circulant dans la file voisine de cellules est compensé au moyen d’au moins un conducteur de correction indépendant passant sur le côté des cuves, le long de toutes les cellules de la série et traversé par un courant continu de correction.

Par ailleurs, la demande de brevet français FR 2 583 069 (correspondant au brevet américain US 4 713 161), également au nom d'Aluminium Pechiney, décrit une file de cellules d'électrolyse disposées transversalement pouvant fonctionner à des intensités pouvant atteindre 500 à 600 kA. Selon ce brevet, les coûts de construction et de mise en place des circuits sont minimisés grâce à l’utilisation de conducteurs de liaison aussi petits et aussi directs que possible, alors que la stabilité magnétique et le rendement Faraday sont maximisés grâce à l’utilisation de conducteurs de correction indépendants, disposés parallèlement à chaque file et de chaque côté de celle-ci.

La disposition en file des cellules d’électrolyse présente l’avantage de simplifier la configuration des conducteurs de liaison et d’uniformiser la carte des champs magnétiques. Toutefois, la présence de conducteurs de raccordement entre les files perturbe l’uniformité de la carte des champs magnétiques des cellules d'extrémité de chaque file.

Les brevets américains US 3 775 280 et US 4 189 368 proposent des arrangements de conducteurs de raccordement pour des séries de cellules disposées longitudinalement destinés à limiter les perturbations provoquées par ces conducteurs de raccordement. En outre, les intensités de ce type de cellules n’excèdent généralement pas 100 kA.

Les demandes de brevet européen EP 0 342 033 et chinois CN 2 477 650 décrivent des arrangements de conducteurs de raccordement applicables aux séries de cellules disposées transversalement destinés à limiter les perturbations provoquées par ces conducteurs de raccordement. Ces documents concernent des séries de cellules d'électrolyse munies de cuves destinées à des intensités de l'ordre de 300 kA.

Le brevet FR 2 868 436 (correspondant au brevet américain US 7 513 979) au nom d’Aluminium Pechiney décrit une série de deux files de cellules disposées transversalement et munie d’au moins un conducteur de correction le long du côté intérieur des files, avec un arrangement particulier du conducteur de correction consistant à réaliser un tronçon transversal longeant dans sa longueur la première cellule d’extrémité de la file à une distance déterminée et traversé par un courant circulant depuis le côté intérieur vers le côté extérieur des files de cellules. Un tel arrangement permet de compenser de façon satisfaisante le champ magnétique généré par les conducteurs de raccordement dans un faible nombre de cellules d’extrémité (environ 1 à 3) alors qu’un plus grand nombre de cellules d’extrémité (environ 1 à 10) sont perturbées par le champ magnétique généré par les conducteurs de raccordement. Par conséquent un nombre important de cellules d’extrémité de file restent instables et difficiles à opérer.

La demanderesse a donc recherché des solutions économiquement et techniquement satisfaisantes pour équilibrer les champs magnétiques des cellules d'extrémité des files, et notamment de séries de cellules formées de cellules rectangulaires longues, disposées transversalement.

Description de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet une série de cellules d'électrolyse destinée à la production d'aluminium par électrolyse ignée selon le procédé Hall-Héroult, comportant : au moins une première et une deuxième files rectilignes et parallèles l'une à l'autre de cellules d’électrolyse raccordées électriquement en série, un conducteur de raccordement entre une première cellule d'extrémité de la première file et la première cellule d'extrémité correspondante de la deuxième file, et caractérisée en ce que la série comprend au moins un circuit d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité de file comportant un premier conducteur électrique d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité s’étendant le long d’une première file de cellules uniquement en regard d’une portion d’extrémité de la première file de cellules.

La demanderesse a noté que, en l'absence de circuit d'équilibrage magnétique des cellules d’extrémité tel que défini ci-dessus, les cellules d'extrémité des files sont surtout affectées par un champ magnétique vertical moyen supplémentaire ΔΒζ, quand les cellules de la portion centrale des files sont correctement équilibrées magnétiquement. L'invention vise ainsi à maintenir le champ vertical supplémentaire ΔΒζ dans une fourchette limitée par une valeur minimale et une valeur maximale autour d'une valeur visée proche de zéro.

La demanderesse a eu l'idée de disposer ledit premier conducteur électrique à proximité des cellules d’extrémité notoirement instables de la file de cellules afin de pouvoir faire circuler dans ledit premier conducteur électrique un courant électrique permettant de compenser le champ magnétique produit notamment par les conducteurs de raccordement entre les files, et équilibrer les champs magnétiques au niveau des cuves des cellules d'électrolyse d’extrémité.

Le premier conducteur électrique s’étendant le long de la file de cellules s’étend parallèlement ou sensiblement parallèlement à l’axe longitudinal de la file de cellules.

Par les termes « le long de la file de cellules », la demanderesse entend que le conducteur s’étend à proximité directe de la file de cellules, pour que son impact sur le champ magnétique dans les cellules à proximité soit maximisé, et typiquement à une distance inférieure à 5 mètres et avantageusement inférieure à 3 mètres.

Cette configuration permet en particulier de limiter sensiblement le champ magnétique vertical Bz dans ces cellules d’extrémité. L'utilisation d'un tel circuit d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité de file permet en outre un ajustement fin de l’équilibrage magnétique grâce aux paramètres ajustables complémentaires qu'il procure.

Le premier conducteur électrique est parcouru lors du fonctionnement de la série par un courant continu d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité.

Le premier conducteur électrique s’étend continûment le long d’une pluralité de cellules adjacentes de la portion d’extrémité pour lesquelles un déséquilibre du champ magnétique vertical dû à la présence du conducteur de raccordement est constaté.

Une telle portion d’extrémité de la première file de cellules comporte typiquement de 3 à 10 cellules, et de préférence de 6 à 8 cellules.

Pour que l’impact stabilisant sur le champ magnétique des cellules d’extrémité soit adéquat et viable économiquement, le premier conducteur électrique d’équilibrage magnétique s’étend avantageusement sur une longueur au moins égale à trois fois l’entraxe entre deux cellules (l’entraxe entre deux cellules étant la distance entre les axes longitudinaux médians de deux cellules d’électrolyse adjacentes, correspondant typiquement à 5 à 10 mètres).

Le conducteur de raccordement ne constitue plus un élément déstabilisant pour les cellules d’électrolyse disposées au-delà de la dixième cellule en partant de la première cellule d’extrémité, du fait de la distance importante entre ces cellules et le conducteur de raccordement.

Pour le cas de séries de cellules d’électrolyse existantes, des moyens d’équilibrage magnétiques des cellules d’extrémité connus peuvent avoir déjà été installés et équilibrent correctement la première cellule d’extrémité. Auquel cas, le premier conducteur électrique d’équilibrage magnétique peut ne pas s’étendre le long de cette première cellule d’extrémité. L’invention a également pour objet une méthode d’utilisation d’une série de cellules d’électrolyse. En fonctionnement, les files de cellules d’électrolyse et le conducteur de raccordement sont parcourus par un courant d’électrolyse et le premier conducteur électrique d’équilibrage magnétique est parcouru par un courant électrique d’équilibrage : circulant dans le même sens que le courant d’électrolyse circulant dans la première file de cellules si le premier conducteur électrique d’équilibrage magnétique se situe le long de la première file de cellules du côté de la deuxième file de cellules d’électrolyse ; circulant dans le sens opposé par rapport au courant d’électrolyse circulant dans la première file de cellules si le premier conducteur électrique d’équilibrage magnétique se situe le long de la première file de cellules du côté opposé à la deuxième file de cellules d’électrolyse.

Ainsi, au niveau des cellules d’extrémité le long de laquelle le premier conducteur électrique s’étend, le courant électrique d’équilibrage génère en passant dans le premier conducteur électrique un champ magnétique vertical opposé au champ magnétique vertical généré par le courant d’électrolyse en passant dans le conducteur de raccordement.

Selon un mode de réalisation, le circuit d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité de file comporte un deuxième conducteur électrique parallèle au premier conducteur électrique d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité. Ce deuxième conducteur électrique parallèle participe à la fermeture du circuit d’équilibrage magnétique et potentiellement à la réalisation d’un circuit d’équilibrage magnétique comportant une pluralité de boucles en série. Aussi, ce deuxième conducteur électrique est parcouru par le courant électrique d’équilibrage circulant en sens inverse par rapport au courant électrique d’équilibrage circulant dans le premier conducteur électrique. Ce deuxième conducteur électrique est disposé avantageusement de manière à améliorer la configuration magnétique des cellules d’extrémité de la première file ou de la deuxième file, et à minima de manière à ce que son éventuel impact négatif sur l’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité soit minimisé et inférieur à l’impact positif du premier conducteur électrique.

Selon un mode de réalisation particulier, le deuxième conducteur électrique s’étend le long de la première file de cellules uniquement en regard de la portion d’extrémité de la première file de cellules, le premier et le deuxième conducteur électrique s’étendant le long de côtés opposés de la première file de cellules. Le champ magnétique vertical généré par la circulation du même courant électrique d’équilibrage, en sens inverse, de l’autre côté de la file de cellule, dans le deuxième conducteur électrique s’additionne alors au champ magnétique vertical généré par la circulation d’un courant électrique d’équilibrage dans le premier conducteur électrique pour contrer le champ magnétique vertical déstabilisant généré par le courant circulant dans le conducteur de raccordement.

Selon un autre mode de réalisation particulier, le deuxième conducteur électrique s’étend du même côté de la première file de cellules que le premier conducteur électrique, la distance entre le premier conducteur électrique et la première file de cellules étant plus petite que la distance entre le deuxième conducteur électrique et la première file de cellules. Ainsi, comme le deuxième conducteur électrique est du même côté mais plus éloigné de la première file de cellules d’électrolyse que le premier conducteur électrique, les champs magnétiques verticaux générés par la circulation du courant électrique d’équilibrage en sens inverse dans les premier et deuxième conducteurs électriques s’opposent, mais avec une intensité moindre pour le champ magnétique vertical généré par la circulation du courant électrique d’équilibrage dans le deuxième conducteur électrique que dans le premier conducteur électrique, au niveau des cellules d’extrémité le long desquelles le premier conducteur électrique s’étend.

Avantageusement, le deuxième conducteur électrique est plus éloigné des cellules d’électrolyse de la première file que le premier conducteur électrique de telle sorte que le rapport des valeurs du champ magnétique vertical généré par le même courant d’équilibrage circulant dans le deuxième conducteur électrique et dans le premier conducteur électrique est inférieur à 0.5 et de préférence inférieur à 0.3, au niveau des cellules d’extrémité le long desquelles le premier conducteur électrique s’étend.

Selon un mode de réalisation particulier, le deuxième conducteur électrique s’étend le long de la deuxième file de cellules uniquement en regard d’une portion d’extrémité de la deuxième file de cellules. Ainsi, le circuit d’équilibrage magnétique permet d’équilibrer magnétiquement à la fois les cellules d’extrémité de la première file de cellules et les cellules d’extrémité correspondantes de la deuxième file de cellules.

Selon un mode de réalisation préféré, le circuit d’équilibrage magnétique est connecté à une station d’alimentation électrique spécifique. L’intensité du courant circulant dans le circuit d’équilibrage magnétique peut avantageusement être facilement contrôlée et ajustée. Par station d’alimentation électrique spécifique, on entend que cette station d’alimentation électrique n’alimente pas en courant le circuit d’électrolyse (conducteurs de liaison), ou des conducteurs de correction destinés à réaliser une correction magnétique sur l’ensemble des cellules de la série.

Selon un mode de réalisation préféré, le circuit d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité comporte deux extrémités qui sont connectées à des conducteurs reliant électriquement des cellules d’électrolyse entre elles. Le circuit d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité est alors alimenté par au moins une partie du courant d’électrolyse circulant dans les cellules et forme une partie du circuit d’électrolyse au travers duquel circule le courant d’électrolyse de la série.

Selon un mode de réalisation préféré, le circuit d’équilibrage magnétique est connecté aux conducteurs reliant électriquement des cellules d’électrolyse entre elles en parallèle avec un ou plusieurs conducteurs électriques dits parallèles. Ainsi une partie seulement du courant d’électrolyse circule dans le circuit d’équilibrage magnétique.

Avantageusement, le circuit d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité forme une partie du conducteur de raccordement. L’équilibrage électrique entre les conducteurs électriques dits parallèles et le circuit d’équilibrage magnétique est ainsi facilité.

Selon un mode de réalisation préféré, la série de cellules d’électrolyse comporte un circuit de correction comportant au moins un premier conducteur de correction, s’étendant le long de la première file, un deuxième conducteur de correction s’étendant le long de la deuxième file, et au moins un conducteur de correction de raccordement entre les premier et deuxième conducteurs de correction, et dans laquelle le circuit d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité de file comporte deux extrémités qui sont connectées au circuit de correction.

Tel que présenté en préambule, certaines séries comportent un ou plusieurs circuits de correction s’étendant le long de l’ensemble des cellules d’électrolyse de la série pour corriger les champs magnétiques déstabilisant générés par les courants de forte intensité circulant dans les circuits de conducteurs de cellule à cellule ou dans la file de cellules voisine. Le circuit de correction fait partie intégrante de la série et est alimenté en courant électrique. Cette solution est donc particulièrement avantageuse car elle ne nécessite pas l’installation d’une station d’alimentation spécifique qui représente un coût d’équipement important et peut en outre s’avérer difficile à installer du fait de l’encombrement nécessaire.

Avantageusement, le circuit d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité de file est connecté en série entre deux portions du circuit de correction. Comme les premier et deuxième conducteurs de correction s’étendent le long de l’ensemble des cellules d’électrolyse, il suffit de connecter le circuit d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité en série en un point intermédiaire du circuit de correction à un endroit approprié le long des files de cellule. Le courant de correction circulant dans le circuit de correction passe également dans le circuit d’équilibrage magnétique et devient dans ce circuit d’équilibrage magnétique le courant d’équilibrage magnétique.

Selon un mode de réalisation préféré, le premier conducteur de correction s’étend le long de la première file du côté de la deuxième file, et le deuxième conducteur de correction s’étend le long de la deuxième file du côté de la première file de cellules. Le premier conducteur et le deuxième conducteur du circuit d’équilibrage magnétique connecté au circuit de correction sont avantageusement disposés à l’extérieur des deux files de cellules. Le côté extérieur des files de cellules, opposé au circuit de correction, est moins encombré que le côté intérieur et la mise en place du circuit d’équilibrage magnétique facilitée. Un tel circuit d’équilibrage magnétique peut notamment être mis en place sur une série existante comportant déjà un circuit de correction disposé à l’intérieur des deux files de cellules.

Selon un mode de réalisation particulier, le conducteur de raccordement comporte un conducteur d’équilibrage magnétique de la première cellule d’extrémité longeant la première cellule d’extrémité perpendiculairement à l’axe longitudinal de la file de cellules, et le premier conducteur électrique ne s’étend pas le long de la première cellule d’extrémité. La première cellule d’extrémité est déjà équilibrée magnétiquement via le conducteur d’équilibrage magnétique de la première cellule d’extrémité, de sorte que modifier son champ magnétique au moyen du premier conducteur électrique aurait pour conséquence de la déstabiliser.

Selon un mode de réalisation particulier, le circuit d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité de file comporte un conducteur transversal reliant électriquement le circuit de correction au premier conducteur électrique, le conducteur transversal s’étendant sous la file de cellules.

Selon un mode de réalisation, le circuit d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité de file forme une pluralité de boucles et le premier conducteur électrique d’équilibrage magnétique est formé par une pluralité de brins de boucle s’étendant côte à côte le long de la première file de cellules uniquement en regard de la portion d’extrémité de la première file de cellules. Le courant circule dans le même sens dans chacun des brins de boucle du premier conducteur électrique et l’impact sur le champ magnétique du courant circulant dans le premier conducteur électrique est la somme de l’impact sur le champ magnétique du courant circulant dans chacun des brins de boucle formant le premier conducteur électrique.

Selon un mode de réalisation préféré, les cellules sont disposées transversalement par rapport aux files de cellules.

Les cellules d’électrolyse sont typiquement raccordées électriquement en série au moyen de conducteurs électriques de liaison reliant la cathode d’une cellule d’électrolyse à l’anode de la cellule d’électrolyse suivante. L’invention est décrite en détail ci-après à l'aide des figures annexées.

La figure 1 représente, de manière simplifiée et en coupe transversale, deux cellules d’électrolyse successives (n ; n+1) typiques d’une file de cellules.

Les figures 2 à 4 illustrent, de manière schématique, différents modes de réalisation d’une série de cellules d’électrolyse selon l'invention comportant deux files et des circuits d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité.

La figure 5 illustre, de manière schématique, un mode de réalisation de l’invention dans lequel une partie du courant d’électrolyse de la série est utilisée pour alimenter des circuits d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité.

La figure 6 illustre, de manière schématique, une série de cellules d’électrolyse selon l'état de l’art comportant deux files et un circuit de correction.

La figure 7 illustre, de manière schématique, une extrémité de série de cellules d’électrolyse selon l'invention comportant deux files et des circuits d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité connectés à un circuit de correction.

La figure 8 illustre, de manière schématique, une extrémité de série dans laquelle chaque circuit d’équilibrage magnétique forme deux boucles.

La figure 9 illustre, de manière schématique, une extrémité de série de cellules d’électrolyse selon l'invention comportant deux files, un agencement particulier du conducteur de raccordement permettant d’équilibrer magnétiquement la première cellule d’extrémité et des circuits d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité connectés à un circuit de correction. L'invention concerne une série 1 de cellules d'électrolyse comprenant, comme le montre les figures 2 à 5, 7 et 8, une pluralité de cellules d'électrolyse 100, 100’ de forme sensiblement rectangulaire, qui sont agencées de manière à former au moins deux files F, F' de cellules sensiblement rectilignes, parallèles et ayant chacune un axe longitudinal A, A'.

Les cellules 100 sont typiquement disposées transversalement (c'est-à-dire de façon à ce que leur axe principal ou côté long soit perpendiculaire à l’axe longitudinal A, A' desdites files) et situées à la même distance les unes des autres. Les cellules d’électrolyse 100 ont typiquement un côté long supérieur à 3 fois leur côté court.

Les files F, F sont séparées d'une distance dépendant de choix technologiques qui tiennent compte notamment de l'intensité l0 du courant d’électrolyse de la série et de la configuration des circuits de conducteurs. La distance D entre les deux files est typiquement comprise entre 30 et 100 m pour les séries récentes.

Tel qu’illustré à la figure 1, chaque cellule d'électrolyse 100 de la série 1 comprend typiquement une cuve 3, des anodes 4 supportées par les moyens de fixation comportant typiquement une tige 5 et un multipode 6 et reliées mécaniquement et électriquement à un cadre anodique 7 à l’aide de moyens de raccordement 8. La cuve 3 comprend un caisson métallique, habituellement renforcé par des raidisseurs, et un creuset formé par des matériaux réfractaires et des éléments cathodiques disposés à l'intérieur du caisson. Le caisson comporte généralement des parois latérales verticales. En fonctionnement, les anodes 4, typiquement en matériau carboné, sont partiellement immergées dans un bain d’électrolyte (non illustré) contenu dans la cuve. La cuve 3 comprend un ensemble cathodique 9 muni de barres cathodiques 10, typiquement en acier, dont une extrémité 11 sort de la cuve 3 de manière à permettre un raccordement électrique aux conducteurs de liaison 12 à 17 entre cellules.

Les conducteurs de liaison 12 à 17 sont raccordés aux dites cellules 100 de façon à former une série électrique, qui constitue le circuit électrique d’électrolyse de la série de cellules d'électrolyse. Les conducteurs de liaison comprennent typiquement des conducteurs flexibles 12, 16, 17, des conducteurs de liaison amont 13 et des montées 14, 15. Les conducteurs de liaison, notamment amont, peuvent, en tout ou partie, passer sous la cuve et/ou la contourner.

La figure 2 illustre de façon schématique un mode de réalisation comprenant une série composée de deux files F, F’ de cellules 100 d’électrolyse orientées transversalement par rapport à l’axe longitudinal A, A’ des files. Les files sont rectilignes et disposées parallèlement entre elles. Les files, et plus particulièrement les premières cellules d’extrémité 100’ correspondantes des deux files F, F’, sont liées électriquement entre elles par des conducteurs de raccordement 20. Les conducteurs de raccordement 20 sont formés seulement de conducteurs électriques ou de conducteurs électriques associés à une station d’alimentation électrique.

Avantageusement la série comporte en outre quatre circuits électriques d’équilibrage magnétique 21 des cellules d’extrémité. Ainsi un circuit d’équilibrage magnétique 21 équilibre le champ magnétique au niveau de chacune des deux extrémités des deux files F, F’. Ces circuits d’équilibrage magnétique sont disposés au niveau des cellules d’extrémité des files à l’extérieur des files F, F’ de cellules, c’est-à-dire hors de l’espace entre les deux files F, F’ de cellules.

Chaque circuit d’équilibrage magnétique 21 comporte un premier conducteur électrique 22 d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité qui s’étend le long d’une file F, F’ de cellules uniquement en regard d’une portion d’extrémité P de ladite file F, F’ de cellules.

Par cellules d’extrémité, on entend les n cellules d’extrémité adjacentes en partant de la première cellule d’extrémité 100’ d’une file de cellules qui sont impactées magnétiquement par la circulation du courant d’électrolyse l0 dans le conducteur de raccordement 20. Typiquement, n est compris entre 3 et 10. La portion d’extrémité P de la file de cellules en regard de laquelle s’étend le premier conducteur électrique 22 se limite donc à un segment de la file longeant les cellules d’extrémité.

Chaque circuit d’équilibrage magnétique 21 comporte en outre un deuxième conducteur électrique 23 sensiblement parallèle au premier conducteur électrique 22 d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité et disposé à une distance plus importante de la file de cellules que le premier conducteur électrique 22.

Les premier et deuxième conducteurs électriques 22, 23 sont connectés électriquement ensemble au moyen de conducteurs transversaux 24 pour former un circuit électrique fermé autour d’une station d’alimentation électrique 30 connectée avantageusement en un point du deuxième conducteur électrique 23.

Le premier conducteur électrique 22, qui s’étend le long de la file F, F’ devant les cellules d’extrémité, permet de limiter sensiblement le champ magnétique vertical Bz dans les cellules d’extrémité lorsqu’il est parcouru par un courant d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité d’intensité h et de sens opposé au courant d’électrolyse l0 circulant dans les cellules d’extrémité de la file F, F’ devant laquelle il s’étend. Le deuxième conducteur électrique 23 est plus éloigné des cellules d’extrémité que le premier conducteur électrique 22 de sorte que le champ magnétique qu’il génère impact peu la stabilité des cellules d’extrémité. Du fait de leur éloignement et de leur faible longueur, les conducteurs transversaux 24 impactent peu la stabilité des cellules d’extrémité.

Avantageusement, pour une série parcourue par un courant d’électrolyse l0 compris entre 300kA et 600kA avec des files de cellules distantes de 30 à 80 mètres : le premier conducteur électrique 22 longeant la file de cellules s’étend à une distance du bord des cellules d’extrémité inférieure à 5 mètres, avantageusement inférieure à 3 mètres ; le deuxième conducteur électrique 23 est disposé à une distance du bord des cellules d’extrémité supérieure à 7 mètres, avantageusement supérieure à 10 mètres ; le courant d’équilibrage h des cellules d’extrémité est compris entre 30 et 150kA. L’intensité du courant d’équilibrage h, et donc l’équilibrage magnétique résultant, peut être facilement contrôlé et ajusté du fait de l’utilisation d’une station d’alimentation électrique spécifique.

La figure 3 illustre de façon schématique un autre mode de réalisation dans lequel chaque circuit d’équilibrage magnétique 21 entoure les cellules d’extrémité de la file de cellules. Chaque circuit d’équilibrage magnétique comporte : un premier conducteur électrique 22 d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité qui s’étend le long d’une file F, F’ de cellules uniquement en regard d’une portion d’extrémité P de ladite file F, F’ de cellules, côté extérieur par rapport aux deux files de cellules ; un deuxième conducteur électrique 23’ d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité et s’étendant le long de la même file F, F’ de cellules que le premier conducteur électrique 22 uniquement en regard d’une portion d’extrémité P de la file F, F’ de cellules, côté intérieur par rapport aux deux files de cellules, c’est-à-dire entre les deux files F, F’ de cellules ; des conducteurs transversaux 24 connectant électriquement les premier et deuxième conducteurs électriques 22, 23’ pour former un circuit électrique fermé autour d’une station d’alimentation électrique 30 connectée en un point du deuxième conducteur électrique 23’.

Les premier et deuxième conducteurs électriques 22, 23’ qui s’étendent le long de la file F, F’ devant les cellules d’extrémité, pemettent de limiter sensiblement le champ magnétique vertical Bz dans les cellules d’extrémité lorsqu’ils sont parcourus par un courant d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité d’intensité h, de sens opposé au courant d’électrolyse l0 circulant dans les cellules d’extrémité de la file F, F’ devant laquelle il s’étend pour le premier conducteur électrique 22 et de sens identique au courant d’électrolyse l0 circulant dans les cellules d’extrémité de la file F, F’ devant laquelle il s’étend pour le deuxième conducteur électrique 23’. Dans ce mode de réalisation, les premier et deuxième conducteurs électriques 22, 23’ ont un impact magnétique bénéfique cumulatif.

Les conducteurs transversaux 24 peuvent notamment passer sous les files F, F’ de cellules. Du fait de leur faible longueur, les conducteurs transversaux 24 impactent peu la stabilité des cellules d’extrémité.

Avantageusement, pour une série parcourue par un courant d’électrolyse l0 compris entre 300kA et 600kA avec des files de cellules distantes de 30 à 80 mètres : les premier et deuxième conducteurs électriques 22, 23’ longeant la file de cellules s’étendent à une distance du bord des cellules d’extrémité inférieure à 5 mètres, avantageusement inférieure à 3 mètres ; le courant d’équilibrage I! des cellules d’extrémité est compris entre 15 et 75kA.

La figure 4 illustre de façon schématique un autre mode de réalisation d’une série de deux files F, F’ de cellules comportant deux circuits électriques d’équilibrage magnétique 21 des cellules d’extrémité, dans lequel chaque circuit d’équilibrage magnétique 21 est disposé entre les deux files F, F’ de cellules. Chaque circuit d’équilibrage magnétique comporte : un premier conducteur électrique 22 d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité qui s’étend le long de la première file F de cellules uniquement en regard d’une portion d’extrémité P de ladite file F de cellules, côté intérieur par rapport aux deux files de cellules ; un deuxième conducteur électrique 23” d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité et qui s’étend le long de la deuxième file F’ de cellules uniquement en regard d’une portion d’extrémité P’ de ladite file F’ de cellules, côté intérieur par rapport aux deux files de cellules ; des conducteurs transversaux 24 connectant électriquement les premier et deuxième conducteurs électriques 22, 23” pour former un circuit électrique fermé autour d’une station d’alimentation électrique 30 connectée en un point d’un des conducteurs transversaux 24.

Les premier et deuxième conducteurs électriques 22, 23”, qui s’étendent respectivement le long des files F et F’ devant les cellules d’extrémité, permettent de limiter sensiblement le champ magnétique vertical Bz dans les cellules d’extrémité de la file devant laquelle ils s’étendent lorsqu’ils sont parcourus par un courant d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité d’intensité h, de sens identique au courant d’électrolyse l0 circulant dans les cellules d’extrémité de la file F, F’ devant laquelle ils s’étendent. Dans ce mode de réalisation, les premier et deuxième conducteurs électriques 22, 23” ont un impact magnétique bénéfique sur les cellules d’extrémité des deux files F et P de cellules qu’ils longent respectivement.

Les conducteurs transversaux 24, de longueur conséquente entre les deux files F, F’ impactent seulement légèrement négativement la stabilité des cellules, du fait que le courant h circulant dans les conducteurs transversaux 24 est d’intensité moindre que le courant d’électrolyse l0 circulant dans les conducteurs de raccordement 20. L’impact négatif de ces conducteurs transversaux 24 est bien inférieur à l’impact positif des premier et deuxième conducteurs qui sont positionnés au plus près des cellules d’extrémité.

Avantageusement, pour une série parcourue par un courant d’électrolyse l0 compris entre 300kA et 600kA avec des files de cellules distantes de 30 à 80 mètres : les premier et deuxième conducteurs électriques 22, 23” s’étendent à une distance du bord des cellules d’extrémité inférieure à 5 mètres, avantageusement inférieure à 3 mètres ; le courant d’équilibrage h des cellules d’extrémité est compris entre 30 et 150kA.

La figure 5 illustre de façon schématique une extrémité d’une série comportant des circuits électriques d’équilibrage magnétique 21 des cellules d’extrémité reprenant les mêmes principes d’équilibrage magnétique que ceux présentés en référence à la figure 2. La méthodologie d’alimentation en courant électrique de ce circuit d’équilibrage magnétique diffère. Au lieu d’être alimenté en courant électrique au moins d’une station d’alimentation électrique spécifique, chaque circuit d’équilibrage magnétique 21 est alimenté à partir du courant d’électrolyse l0 circulant dans les cellules d’électrolyse de la série.

Le circuit d’équilibrage magnétique 21 comporte un premier conducteur électrique 22, un deuxième conducteur électrique 23 et des conducteurs transversaux 24 reliant électriquement les premier et deuxième conducteurs électriques entre eux ou reliant électriquement les premier et deuxième conducteurs électriques à des conducteurs reliant électriquement entre elles les cellules d’électrolyse d’extrémité 100’ correspondantes des deux files voisines.

Les conducteurs transversaux 24 forment deux extrémités du circuit d’équilibrage magnétique qui sont connectées à des conducteurs reliant électriquement deux cellules d’électrolyse entre elles. Le circuit d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité forme une partie du circuit d’électrolyse, et plus particulièrement du conducteur de raccordement 20, au travers duquel circule le courant d’électrolyse de la série.

Le circuit d’équilibrage magnétique est connecté aux conducteurs reliant électriquement les cellules d’électrolyse d’extrémité 100’ en parallèle d’un conducteur électrique dit parallèle 25. Ainsi, en opération, une partie du courant d’électrolyse l0, correspondant au courant d’équilibrage magnétique h, circule dans le circuit d’équilibrage magnétique. Une autre partie du courant d’électrolyse l0, d’intensité égale à l0 - h, circule dans le conducteur électrique dit parallèle 25.

Ce mode de réalisation présente l’avantage d’éliminer le besoin d’utiliser une station d’alimentation spécifique.

La figure 6 illustre, de façon schématique, une série de cellules d’électrolyse selon l'état de l’art comportant deux files F, F’ de cellules et un circuit de correction 26 disposé entre les deux files de cellules. Ce circuit de correction 26 comporte deux conducteurs de correction 27 s’étendant le long de chacune des files F, F’ de cellules entre les deux files F, F’, des conducteurs de correction de raccordement 28 entre les deux conducteurs de correction 27 et une station d’alimentation électrique 31 du circuit de correction. Un tel circuit de correction permet notamment de compenser au niveau d’une file le champ magnétique généré par le courant d’électrolyse l0 circulant dans la file voisine. Les conducteurs de correction sont typiquement parcourus par un courant de correction l2 circulant dans le même sens que le courant d’électrolyse l0 circulant dans la file qu’ils longent.

Pour une série parcourue par un courant d’électrolyse l0 compris entre 300kA et 600kA avec des files de cellules distantes de 30 à 80 mètres, le courant de correction l2 est typiquement compris entre 30 et 150kA.

La figure 7 illustre de façon schématique une extrémité d’une série comportant des circuits électriques d’équilibrage magnétique 21 des cellules d’extrémité et un circuit de correction tel que présenté en référence à la figure 6. Les circuits d’équilibrage magnétique 21 des cellules d’extrémité reprennent les mêmes principes d’équilibrage magnétique que ceux présentés en référence aux figures 2 et 5. Par contre, la méthodologie d’alimentation en courant électrique de ce circuit d’équilibrage magnétique diffère. Chaque circuit d’équilibrage magnétique 21 est alimenté à partir du courant de correction l2 circulant dans les conducteurs 27, 28 du circuit de correction 26.

Le circuit d’équilibrage magnétique 21 comporte un premier conducteur électrique 22, un deuxième conducteur électrique 23 et des conducteurs transversaux 24 reliant électriquement les premier et deuxième conducteurs électriques entre eux ou reliant électriquement les premier et deuxième conducteurs électriques à des conducteurs 27, 28 du circuit de correction 26.

Les conducteurs transversaux 24 forment ainsi deux extrémités du circuit d’équilibrage magnétique qui sont connectées aux conducteurs 27, 28 du circuit de correction 26. Le circuit d’équilibrage magnétique 21 des cellules d’extrémité forme alors une partie du circuit de correction 26 au travers duquel circule le courant de correction.

Le circuit d’équilibrage magnétique est plus particulièrement connecté aux conducteurs 27, 28 du circuit de correction en série entre deux portions du circuit de correction. Ainsi, en opération, la totalité du courant de correction l2 circule dans le circuit d’équilibrage magnétique. Ainsi, l’intensité du courant d’équilibrage magnétique h est égale à l’intensité du courant de correction l2.

Ce mode de réalisation présente l’avantage d’éliminer le besoin d’utiliser une station d’alimentation spécifique pour le circuit d’équilibrage magnétique 21 des cellules d’extrémité. Comme les conducteurs 27, 28 du circuit de correction s’étendent le long des files F, F’ sur toute la longueur des files, le raccordement électrique du circuit d’équilibrage magnétique 21 est aisé et réalisable en tout point considéré approprié. Le positionnement du circuit d’équilibrage magnétique 21 du côté opposé de la file F, F’ par rapport au conducteur de correction 27 correspondant est avantageux pour des raisons d’encombrement et car l’insertion des cellules d’extrémité entre le premier conducteur électrique 22 et le conducteur de correction 27 est particulièrement stabilisant pour ces cellules d’extrémité.

La figure 8 illustre de façon schématique une extrémité d’une série comportant des circuits électriques d’équilibrage magnétique 21 des cellules d’extrémité et un circuit de correction. Le circuit d’équilibrage magnétique 21 des cellules d’extrémité de file forme deux boucles et le premier conducteur électrique 22 d’équilibrage magnétique est formé par les deux brins de boucle 29 du circuit d’équilibrage magnétique s’étendant côte à côte le long de la file de cellules uniquement en regard de la portion d’extrémité P de la file de cellules.

Le courant circule dans le même sens dans chacun des brins de boucle 29 s’étendant côte à côte pour former le premier conducteur électrique 22 et l’impact sur le champ magnétique du courant circulant dans le premier conducteur électrique est la somme de l’impact sur le champ magnétique du courant circulant dans chacun des brins de boucle 29 formant le premier conducteur électrique 22.

Comme le circuit d’équilibrage magnétique est connecté en série aux conducteurs 27, 28 du circuit de correction la totalité du courant de correction l2 circule dans chacun des brins de boucle 29 du circuit d’équilibrage magnétique 21. Ainsi, l’intensité du courant d’équilibrage magnétique li circulant dans le premier conducteur électrique 22 est égale à deux fois l’intensité du courant de correction l2.

La figure 9 illustre de façon schématique une variante du mode de réalisation de la figure 7 dans lequel le conducteur de raccordement 20 comporte un conducteur 40 d’équilibrage magnétique de la première cellule d’extrémité 100’ longeant cette première cellule d’extrémité 100’ perpendiculairement à l’axe longitudinal de la file F, F’ de cellules. Au moins une partie du courant d’électrolyse l0 circule dans le conducteur 40 dans un sens opposé au sens de circulation du courant d’électrolyse l0 dans la branche principale du conducteur de raccordement 20 s’étendant entre les deux files F, F’. L’impact magnétique négatif engendré par le conducteur de raccordement 20 est ainsi contré au niveau de la première cellule d’extrémité 100’ longée par le conducteur 40. Il n’est donc pas nécessaire d’équilibrer magnétiquement cette première cellule d’extrémité 100’ au moyen du circuit 21 d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité de file. La portion d’extrémité P de la file en regard de laquelle s’étend le premier conducteur électrique 22 du circuit d’équilibrage magnétique 21 des cellules d’extrémité de file ne comprend alors avantageusement pas la première cellule d’extrémité 100’. Le premier conducteur électrique 22 s’étendant le long de la file F, F’ de cellules uniquement en regard d’une portion d’extrémité P ne longe pas la première cellule d’extrémité.

Le conducteur transversal 24 reliant électriquement les conducteurs 27, 28 du circuit de correction 26 au premier conducteur électrique 22 s’étend sous la file F, F’ de cellules et plus particulièrement sous la première cellule d’extrémité 100’.

Il est ainsi possible d’améliorer la stabilité des cellules d’extrémité d’une série d’électrolyse existante comprenant un arrangement d’équilibrage magnétique de la première cellule d’extrémité du type connu des demandes de brevet européen EP 0 342 033 ou chinois CN 2 477 650.

Comme représenté sur les figures, le courant d’électrolyse l0 parcoure les files F, F’ de cellules d’électrolyse 100 et le conducteur de raccordement 20 et le premier conducteur électrique 22 d’équilibrage magnétique est parcouru par un courant électrique d’équilibrage h : circulant dans le même sens que le courant d’électrolyse l0 circulant dans la file F, F’ de cellules qu’il longe si le premier conducteur électrique 22 d’équilibrage magnétique se situe le long de la file F, F’ du côté de l’autre file de cellules d’électrolyse de la série ; circulant dans le sens opposé par rapport au courant d’électrolyse l0 circulant dans la file F, F’ de cellules qu’il longe si le premier conducteur électrique 22 d’équilibrage magnétique se situe le long de la file F, F de cellules du côté opposé à l’autre file de cellules d’électrolyse de la série. Le deuxième conducteur électrique 23 d’équilibrage magnétique est également parcouru par le courant électrique d’équilibrage L mais circulant dans le sens inverse du courant électrique d’équilibrage L circulant dans le premier conducteur électrique 22 d’équilibrage magnétique.

Claims

REVENDICATIONS

1. Série (1) de cellules d'électrolyse (100) destinée à la production d'aluminium par électrolyse ignée selon le procédé Hall-Héroult, comportant : au moins une première et une deuxième files (F, F’) rectilignes et parallèles l'une à l'autre de cellules d’électrolyse raccordées électriquement en série, un conducteur de raccordement (20) entre une première cellule d'extrémité (100’) de la première file et la première cellule d'extrémité (100’) correspondante de la deuxième file, et caractérisée en ce que la série comprend au moins un circuit d’équilibrage magnétique (21) des cellules d’extrémité de file comportant un premier conducteur électrique (22) d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité s’étendant le long de la première file de cellules uniquement en regard d’une portion d’extrémité (P) de la première file de cellules.
2. Série de cellules d’électrolyse selon la revendication 1, dans laquelle le circuit d’équilibrage magnétique (21) des cellules d’extrémité de file comporte un deuxième conducteur électrique (23, 23’, 23”) parallèle au premier conducteur électrique 22 d’équilibrage magnétique des cellules d’extrémité.
3. Série de cellules d’électrolyse selon la revendication 2, dans laquelle le deuxième conducteur électrique (23’) s’étend le long de la première file (F, F’) de cellules uniquement en regard de la portion d’extrémité (P) de la première file de cellules, le premier et le deuxième conducteurs électrique (22, 23) s’étendant le long de côtés opposés de la première file de cellules.
4. Série de cellules d’électrolyse selon la revendication 2, dans laquelle le deuxième conducteur électrique (23) s’étend du même côté de la première file (F, F’) de cellules que le premier conducteur électrique (22), la distance entre le premier conducteur électrique et la première file de cellules étant plus petite que la distance entre le deuxième conducteur électrique et la première file de cellules.
5. Série de cellules d’électrolyse selon la revendication 4, dans laquelle le deuxième conducteur électrique (23”) s’étend le long de la deuxième file (F, F’) de cellules uniquement en regard d’une portion d’extrémité (P’) de la deuxième file de cellules.
6. Série de cellules d’électrolyse selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le circuit d’équilibrage magnétique (21) des cellules d’extrémité de file comporte deux extrémités qui sont connectées à une station d’alimentation (30).
7. Série de cellules d’électrolyse selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle le circuit d’équilibrage magnétique (21) des cellules d’extrémité de file comporte deux extrémités qui sont connectées à des conducteurs reliant électriquement des cellules d’électrolyse entre elles.
8. Série de cellules d’électrolyse selon l’une des revendications 1 à 5, comportant un circuit de correction (26) comportant au moins un premier conducteur de correction (27), s’étendant le long de la première file (F, F’), un deuxième conducteur de correction (27) s’étendant le long de la deuxième file (F, F’), et au moins un conducteur de correction de raccordement (28) entre les premier et deuxième conducteurs de correction (27), et dans laquelle le circuit d’équilibrage magnétique (21) des cellules d’extrémité de file comporte deux extrémités qui sont connectées au circuit de correction (26).
9. Série de cellules d’électrolyse selon la revendication 8, dans laquelle le circuit d’équilibrage magnétique (21) des cellules d’extrémité de file est connecté en série entre deux portions du circuit de correction (26).
10. Série de cellules d’électrolyse selon l’une des revendications 8 et 9, dans laquelle le premier conducteur de correction (27) s’étend le long de la première file (F, F’) du côté de la deuxième file, et le deuxième conducteur de correction (27) s’étend le long de la deuxième file (F, F’) du côté de la première file de cellules.
11. Série de cellules d’électrolyse selon l’une des revendications 8 à 10, dans laquelle le premier conducteur (22) et le deuxième conducteur (23) du circuit d’équilibrage magnétique (21) connecté au circuit de correction (26) sont disposés à l’extérieur des deux files (F, F’) de cellules.
12. Série de cellules d’électrolyse selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le conducteur de raccordement (20) comporte un conducteur (40) d’équilibrage magnétique de la première cellule d’extrémité (100’) longeant la première cellule d’extrémité perpendiculairement à l’axe longitudinal de la file (F, F’) de cellules, et dans laquelle le premier conducteur électrique (22) ne s’étend pas le long de la première cellule d’extrémité.
13. Série de cellules d’électrolyse selon la revendication 12 lorsqu’elle dépend de la revendication 11, dans laquelle le circuit d’équilibrage magnétique (21) des cellules d’extrémité de file comporte un conducteur transversal (24) reliant électriquement le circuit de correction (26) au premier conducteur électrique (22), le conducteur transversal s’étendant sous la file (F, F’) de cellules.
14. Série de cellules d’électrolyse selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le circuit d’équilibrage magnétique (21) des cellules d’extrémité de file forme une pluralité de boucles et le premier conducteur électrique (22) d’équilibrage magnétique est formé par une pluralité de brins de boucle (29) s’étendant côte à côte le long de la première file (F, F’) de cellules uniquement en regard de la portion d’extrémité P de la première file de cellules.
15. Série d’électrolyse selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la portion d’extrémité (P) de la première file (F, F’) de cellules comporte de 3 à 10 cellules, et de préférence de 6 à 8 cellules.
16. Méthode d’utilisation d’une série (1) de cellules d’électrolyse (100) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle les files (F, F’) de cellules d’électrolyse et le conducteur de raccordement (20) sont parcourus par un courant d’électrolyse (l0) et dans laquelle le premier conducteur électrique (22) d’équilibrage magnétique est parcouru par un courant électrique d’équilibrage (h) : circulant dans le même sens que le courant d’électrolyse (l0) circulant dans la première file (F, F’) de cellules si le premier conducteur électrique (22) d’équilibrage magnétique se situe le long de la première file de cellules du côté de la deuxième file (F, F’) de cellules d’électrolyse ; circulant dans le sens opposé par rapport au courant d’électrolyse (l0) circulant dans la première file de cellules (F, F’) si le premier conducteur électrique (22) d’équilibrage magnétique se situe le long de la première file de cellules du côté opposé à la deuxième file (F, F’) de cellules d’électrolyse.
17. Méthode d’utilisation d’une série de cellules d’électrolyse selon la revendication 16, dans laquelle la série (1) comporte un deuxième conducteur électrique (23, 23’, 23”) d’équilibrage magnétique et dans laquelle ce deuxième conducteur électrique d’équilibrage magnétique est parcouru par le courant électrique d’équilibrage (h) mais circulant dans le sens inverse du courant électrique d’équilibrage (h) circulant dans le premier conducteur électrique (22) d’équilibrage magnétique.