WO1981001299A1 - Procede et dispositif pour la suppression des perturbations magnetiques dans les cuves d'electrolyse - Google Patents

Procede et dispositif pour la suppression des perturbations magnetiques dans les cuves d'electrolyse Download PDF

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WO1981001299A1
WO1981001299A1 PCT/FR1980/000156 FR8000156W WO8101299A1 WO 1981001299 A1 WO1981001299 A1 WO 1981001299A1 FR 8000156 W FR8000156 W FR 8000156W WO 8101299 A1 WO8101299 A1 WO 8101299A1
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WO
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tank
series
cathode
current
conductors
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PCT/FR1980/000156
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English (en)
Inventor
P Homsi
M Keinborg
P Morel
B Langon
Original Assignee
Pechiney Aluminium
P Homsi
M Keinborg
P Morel
B Langon
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Publication date
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/16—Electric current supply devices, e.g. bus bars

Definitions

  • the present invention relates to a new device and a new method for eliminating magnetic disturbances harmful to the proper functioning of very high intensity electrolysis cells placed across.
  • These tanks are intended for the production of aluminum by electrolysis of the alumina dissolved in the baths of aluminum and sodium fluorides.
  • the invention applies to the reduction of the magnetic forces applied to the liquid metal contained in these tanks. These forces are due to the combined action of the horizontal currents appearing in the metal and the magnetic field created by the conductors of a tank and its neighbors in the same line, as well as by the conductors of the tanks of adjacent lines.
  • the tanks are, in fact, arranged in series according to a number of adjacent rows, so as to ensure the return of the current to its source.
  • the invention only applies to the balancing of the magnetic field created by the conductors of the tank and of its neighbors in the same line.
  • the influence of one or more adjacent queues, when these are at a distance relatively close to the queue considered, is the subject of separate patents: French patent 2,333,060 and its certificate of addition 2,343,826 and French patent application 2071 filed on May 11, 1978 under No. 78 14676.
  • the sides of the tank are called “short sides” and “long sides”, the latter being, in the case of series of tanks across, perpendicular to the axis of the series; the expression “head” is used to designate the ends, on the short sides, of both the tank and the anode system.
  • the direction of the current will go from the bottom to the top of each drawing and will be indicated by an arrow.
  • tank considered the one from which we extract the current through the cathode
  • previous tank that which supplies, from its cathode outputs, the anode system of the tank in question
  • nonext tank that whose anode spider is supplied with current from the cathode outputs of the tank considered.
  • the object of the invention is a device for the suppression of magnetic disturbances in the series of igneous electrolysis cells intended for the production of aluminum from alumina dissolved in the molten cry ⁇ lithe, operating at an intensity of up to 200 000 to 300,000 amperes, said tanks comprising a parallelepipedic box supporting cathode blocks in which the cathode current outputs are sealed (called "cathode outputs"), and an anode system (which can be of the Soderberg type for self-cooking, or of the type for multiple anodes precooked) - suspended from a cross, the tanks being electrically connected in series by the conductors connecting the cathode outputs of a given tank to the cross of the next tank in the series, the tanks being, moreover, arranged across by relative to the axis of the series, device in which the cathode outputs consist of a plurality of elements conductive elements, most often metallic, emerging vertically from the bottom of the box, and in which, in addition, part of the connecting
  • Another object of the invention is a method for the suppression of magnetic disturbances in the series of igneous electrolysis cells, intended for the production of aluminum, from alumina dissolved in molten cryolite, operating at an intensity up to 200,000 to 300,000 amperes, said tanks comprising a parallelepipedic box supporting carbon cathode blocks in which the cathode current outputs are sealed and an anode system suspended from a spider, the tanks being electrically connected in series by conductors connecting the outputs cathodics of a tank at the cross of the next tank, and being arranged crosswise with respect to the axis of the series, process in which the cathode current is extracted by a plurality of conductive elements sealed in the cathode blocks and exiting vertically through the bottom of the box and in which a fraction of the total current flowing in the connecting conductors between the tanks, fraction between 30 and 54%, is derived in conductors arranged, on at least part of their path, outside the two vertical planes passing through the ends of the
  • This derivative current may be symmetrical with respect to the axis of the series, and may also be distributed on each side of the tanks, or be asymmetrical, and be distributed unevenly on each side of the tanks.
  • the spider of a tank considered is supplied with current from the cathode outputs of the previous tank by a plurality of vertical risers which can be connected either entirely on the upstream side of said spider, or both on the upstream side and on the downstream side a part of the current which can, moreover, be brought to one and / or the other of the heads of said spider.
  • FIG. 1 shows the two cathode outlet systems drawn, for simplicity, on the same tank: lateral outlets and outlets from the bottom.
  • FIG. 2 schematically represents the section of a tank, on which the three axes of coordinates used to define the direction of the components of the magnetic field appear.
  • FIG. 3 represents the distribution of the average of the vertical component Bz of the magnetic field over the four quadrants of the tank.
  • Figure 4 shows schematically the position of the connecting conductors, according to the invention, relative to the vertical plane zz 'passing through the end of the anode system.
  • FIGS 5, 6, 7 show, schematically, the various variants of the paths that can be followed by the connecting conductors, in the part of the invention.
  • FIG. 8 indicates how the connections between tanks would be made up, using the knowledge of the prior art.
  • FIGS 9 to 13 show the implementation of the invention in five different variants, each of which is the subject of an example of implementation.
  • Figure 14 is a diagram of a practical embodiment and Figure 15, a section along the axis of the series, of the same embodiment, indicating the actual position of the conductors.
  • the current is extracted from the carbon cathode by vertical outlets (2) which we will designate in the rest of the description by the term of bottom outlets.
  • This process makes it possible to considerably reduce the horizontal currents in the metal while obtaining a gain of the order of 0.1 V on the cathodic drop.
  • This improvement in cathodic drop results in a reduction of 300 kMh / t in the specific energy consumed by the tank.
  • the invention makes it possible to eliminate magnetic disturbances on these tanks by eliminating horizontal currents and by balancing the magnetic field.
  • the components Bx and Bz are, by construction, asymmetrical with respect to the plane x o z.
  • the point values of Bz should be low.
  • the field will be calculated taking into account the effect of the ferromagnetic parts of the tank and its environment. - A secondary criterion consisting in the reduction of the maximum value of the horizontal component Bx. The maximum value will generally be located at the end of the anode plane, on the short sides of the tank.
  • the invention consists, for cross tanks, of an intensity between 200,000 A and 300,000 A, by a combination of the bottom outlets and a branch of part of the current in conductors arranged outside the two vertical planes passing through the ends of the anode system.
  • the branch conductors are therefore placed in the hatched area ABCDEF of FIG. 4.
  • This area is delimited on the box side, by the vertical wall AB on the short side of the box, and, below the box, by the bottom up 'plumb with the end of the anode system (BC).
  • BC anode system
  • the conductor will be slightly moved away from the wall of the box, at a distance compatible with the requirements of electrical safety.
  • On the side opposite the wall of the box there is no theoretical limit of the area.
  • an EF plane located about one meter from the wall of the box.
  • the height of the zone is theoretically unlimited, but, for reasons of economy of journey and so that the bypass conductor does not interfere with operations on the tank, the height of the zone will be delimited, in its upper part, by the top of the box (FA) and, in its lower part, by an ED border located about one meter below the bottom of the box.
  • Figures 5, 6 and 7 provide a better definition of the term "branch conductor".
  • the cathodic current collected under the tank considered circulates in the conductor (10) and is derived by the heads of the tank considered (outside the vertical plane passing through the end of the anode system ( 4) by the bypass conductor (11) which bypasses the two upstream and downstream angles of the end (12) of the anode plane).
  • the bypass conductor (11) passes under the box (3) of the considered tank and is connected to the cross of the next tank by the rise (13).
  • the cathodic current collected under the tank considered circulates in the conductor (14) and is derived by the heads of the next tank by the bypass conductor (15) which bypasses the two angles upstream and downstream of the end (12) of the anodic plane of the next tank (outside the vertical plane passing through the end of said anodic system).
  • the bypass conductor (15) runs along the side of the next tank on its short side.
  • part of the cathodic current collected under the tank considered circulates in the conductor (16) and is derived by the heads of the tank considered by the bypass conductor (17) which bypasses the two upstream and downstream angles of the end (12) of the anode plane of the tank considered.
  • the bypass conductor (17) runs along the box (3) of the tank considered on its short side.
  • Another part of the cathode current, collected under the tank considered circulates in the conductor (18 and is derived by the heads of the next tank by the same bypass conductor (19) which bypasses the two angles upstream and downstream of the end mite (12) of the anodic plane of the next tank
  • the bypass conductor (19) runs along the box (3) of the next tank on its short side.
  • the part of the current which is derived by each of the heads of the tank is between 15% and 27% of the total current of the tank. More precisely :
  • the number of positive rises will generally be greater than or equal to four. However, in the case where the invention is applied to tanks with an intensity of less than 200,000 A, it will be possible to settle for less than four positive rises.
  • FIGS. 9 and 13 we only very schematically represent the conductors connecting the cathode outputs (2) of the tank in question to the spider (9) supplying the anodes of the next tank.
  • the connecting conductors pass below the level of the work surface, and then join the braces by vertical or slightly oblique climbs.
  • each cathode block arranged parallel to the axis Ox has three vertical outlets. But, of course, the actual number of outputs can be different without departing from the scope of the invention.
  • the current drawn at the two ends of the cathode is derived by the heads of the next tank to feed its cross-bar downstream by two positive rises located at 1/4 and 3/4.
  • the fraction of current flowing through each of the two bypass conductors is 3/16, or 18.75%, of the total current.
  • the rest of the current feeds the brace of the next tank upstream, in three positive ascents, one located along the axis Ox of the tank and the other two at the heads of the brace.
  • the latter climbs can be placed either on the large or on the small side of the tank.
  • the maximum horizontal field Bx is 60. 10 -4 .
  • EXAMPLE 2 Tanks with outlet from the bottom, with six positive ascents, the current derived by the heads of the next tank is collected in the inter-tank space and is sent downstream of the cross of the next tank ( Figure 10) The current drawn at the two ends of the cathode is collected on either side of the tank considered in the inter-tank space. Part of this current is derived on the heads of the tank in question.
  • the bypass conductor then goes along the heads of the next tank and feeds its spider, downstream at 1/4 and 3/4 of the long side. Each of the bypass conductors by the heads of the next tank is crossed by 3/5 of the total current.
  • the rest of the cathode current feeds upstream the cross of the next tank by four positive ascents located at 1/8, 3/8, 5/8 and 7/8.
  • the maximum horizontal field Bx is 25.10 -4 T.
  • the current taken at 1/4 and 3/4 of the cathode joins along the large upstream side of the tank considered the bypass conductor circulating on the heads of the tank considered before supplying upstream the heads of the spider of the next tank by a positive rise on both sides of the tank.
  • the climbs can be placed either on the long side or on the short side of the tank.
  • Each of the bypass conductors through the heads of the tank der ⁇ e is covered by 3/16, or 18.75%, of the total intensity.
  • the rest of the cathode current feeds directly upstream, as shown in Figure 11, the cross of the next tank by three positive rises located 1/4, 1/2 and 3/4 of the long side.
  • the maximum horizontal field Bx is 40.10 -4 T.
  • EXAMPLE 4 Tank with outlet from the bottom, with five positive ascents, the current derived by the heads of the cuvée in question is taken at both ends of the cathode ( Figure 12)
  • the current taken at the two ends of the cathode joins along from the large upstream side of the tank considered the bypass conductor circulating on the heads of the tank considered before supplying the upstream end of the spider of the next tank by a positive rise on either side of the tank.
  • the climbs can be placed either on the long side or on the short side.
  • Each of the bypass conductors by the heads of the tank in question is traversed by 1/4 of the total intensity.
  • the rest of the cathode current feeds directly upstream the cross of the next tank by three positive ascents located 1/4, 1/2 and 3/4 of the long side.
  • the maximum horizontal field Bx is 48.10 -4 T.
  • EXAMPLE 5 Tank with outputs from the bottom, with four positive ascents, the current derived by the heads of the tank considered is collected in the inter-tank space upstream of the tank considered ( Figure 13)
  • This collector supplies the bypass conductor by heads of the tank in question.
  • the bypass current then feeds the upstream crosspiece of the next tank by two positive ascents located 1/8 and 7/8 of the long side.
  • Each of the bypass conductors by the heads of the tank in question is traversed by 1/4 of the total intensity.
  • the rest of the cathode current feeds upstream the cross of the next tank by two positive ascents located 3/8 and 5/8 of the long side.
  • the maximum horizontal field Bx is 22.10 -4
  • the inten- operating site was set at 250,000 A.
  • Figure 14 schematically gives the arrangement of all the connecting conductors between the tank considered and the next tank.
  • Figure 15 is a cross section along an axis parallel to Ox of the tank considered and the next tank. The numbering of the elements is common to the two figures.
  • the alumina supply device, the superstructure, the anodes and their support system have either been omitted, or shown very schematically for clarity of the drawing. They are, in reality, in accordance with the prior art.
  • the cathodic outputs through the bottoms (20) are connected to several negative collectors (21).
  • the current collected at the two ends of the cathode is connected by the conductors (22) to the bypass conductors (8) by the heads of the next tank and then feeds the crosspiece (9) of this tank by the risers (23) located on the downstream side at 1/4 and 3/4.
  • Each of the heads bypass conductors is crossed by 3/16, or 18.75%, of the total intensity.
  • the Oz dimension of these conductors is determined so as to ensure the balance of the magnetic field.
  • the location area of these conductors was previously defined ( Figure 4).
  • the current collected at the center of the cathode is connected by the conducers (24) to three vertical ascents, connected to the heads and in the middle of the spider, on the upstream side.
  • Each of the conductors supplying the heads of the cross is crossed by 1/4 of the total intensity and the conductor feeding the center of the cross is crossed by 1/8 of the total intensity.
  • the tanks of the series built according to the invention have the following characteristics: anode surface: 348,000 cm2 interior dimension of the box: 13, 68 x 4, 15
  • the invention applies more particularly to series of electrolytic cells operating at intensities between 200 and 300,000 amperes, it can also be applied to series of cells operating at lower intensities included, for example, between 100,000 and 200,000 amps.

Landscapes

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Abstract

Procede et dispositif pour la suppression des perturbations magnetiques dans les series de cuves d'electrolyse ignee, pour la production d'aluminium, disposees en travers par rapport a l'axe de la serie, fonctionnant sous des intensites allant de 200.000 a 300.000 Amperes. Elle consiste a extraire le courant cathodique par une pluralite d'elements conducteurs (20) scelles dans les blocs cathodiques et sortant verticalement par le fond du caisson, et a deriver de 30 a 54% du courant cathodique total dans des conducteurs de liaison (8) disposes, sur au moins une partie de leur trajet, a l'exterieur des deux plans verticaux passant par les extremites du systeme anodique.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA SUPPRESSION DES PERTURBATIONS MAGNETIQUES DANS LES CUVES D 'ELECTROLYSE
La présente invention concerne un nouveau dispositif et un nouveau procédé pour la suppression des perturbations magnétiques néfastes au bon fonctionnement des cuves d'électrolyse à très haute intensité placées en travers. Ces cuves sont destinées à la production d'aluminium par électrolyse de l'alumine dissoute dans les bains de fluorures d'aluminium et de sodium. L'invention s'applique à la réduction des forces magnétiques appliquées au métal liquide contenu dans ces cuves. Ces forces sont dues à l'action conjuguée des courants horizontaux apparaissant dans le métal et du champ magnétique créé par les conducteurs d'une cuve et de ses voisines d'une même file, ainsi que par les conducteurs des cuves des files adjacentes. Les cuves sont, en effet, disposées en série selon un certain nombre de files adjacentes, de façon à assurer le retour du courant à sa source.
L'invention ne s'applique qu'à l'équilibrage du champ magnétique créé par les conducteurs de la cuve et de ses voisines de la même file. L'influence d'une ou plusieurs files adjacentes, lorsque celles-ci se trouvent à une distance relativement proche de la file considérée, fait l'objet de brevets séparés : brevet français 2 333 060 et son certificat d'addition 2 343 826 et demande de brevet français 2071 déposée le 11 Mai 1978 sous le n° 78 14676.
EXPOSE DU PROBLEME
On sait que pour réduire les investissements et diminuer les coûts d'exploitation, la tendance est d'augmenter la taille des unités de production, ce qui entraîne un accroissement de .l' intensité traversant chaque cuve. La gamme d'intensité des nouvelles cuves, qui se situait récemment en-dessous de 200000 A, est actuellement comprise dans la fourchette 200.000 à 300.000 A.
A ces intensités, les effets magnétiques prennent une telle amplitude que, si l'on ne prenait pas de dispositions particulières pour en atténuer les effets, le rendement des cellules d'électrolyse s'en trouverait fortement diminué et, à la limite, tout fonctionnement normal pourrait devenir impossible.
Ces perturbations se manifestent par plusieurs effets :
- déformation permanente de la nappe de métal avec, d'une part, une dé nivellation globale, pente pouvant atteindre, dans certains cas, une valeur supérieure à la distance anode-métal et, d'autre part, une déformation en dôme symétrique;
- existence de mouvements permanents du bain et du métal dont la configuration peut être plus ou moins favorable au bon déroulement de l'é lectrolyse;
- existence de mouvements périodiques de l'interface bain/métal, néfastes au rendement de l'électrolyse (instabilités), et pouvant aller, dans certains cas, jusqu'à l'expulsion de métal liquide hors de la cuve .
Pour supprimer les perturbations magnétiques, on peut soit agir sur les courants horizontaux, soit agir sur le champ magnétique, soit sur les deux; la présente invention est basée sur ce dernier cas.
EXPOSE DE L'INVENTION
Par convention, dans tout ce qui suit, on désigne par Bx, By et Bz les composantes du champ magnétique selon les axes Ox, Oy et Oz, dans un trièdre direct dont l'origine 0 est le centre du plan cathodique de la cuve, Ox étant l'axe transversal de la cuve dirigé dans le sens de la circulation du courant dans la file des cuves, Oy l'axe longitudinal de la cuve et Oz l'axe vertical dirigé vers le haut.
Les cotés de la cuve sont appelés "petits côtés" et "grands côtés", ces derniers étant, dans le cas de séries de cuves en travers, perpendiculaires à l'axe de la série; l'expression "tête" est utilisée pour désigner les extrémités, sur les petits côtés, aussi bien de la cuve que du système anodique. De la façon habituelle, on parlera pour chaque cuve de côté amont et de côté aval par référence au sens conventionnel du courant dans la série. Sur les figures qui suivront, le sens du courant ira du bas vers le haut de chaque dessin et sera indiqué par une flèche.
Enfin, on conviendra d'appeler "cuve considérée" celle dont on extrait le courant par la cathode, "cuve précédente" celle qui alimente, à partirde ses sorties cathodiques, le système anodique de la cuve considérée, et "cuve suivante" celle dont le croisillon anodique est alimenté en courant à partir des sorties cathodiques de la cuve considérée.
Toutes les valeurs des champs magnétiques sont données en "Tesla" (T) (1 T = 10-4 Gauss).
L'objet de l'invention est un dispositif pour la suppression des perturbâtions magnétiques dans les séries de cuves d'électrolyse ignée destinnées à la production d'aluminium à partir d'alumine dissoute dans la cryόlithe fondue, fonctionnant sous une intensité pouvant atteindre 200 000 à 300.000 ampères, lesdites cuves comportant un caisson parallélépipédique supportant des blocs cathodique dans lesquels sont scellées les sorties de courant cathodique (dites "sorties cathodiques"), et un système anodique (qui peut être du type Soderberg à autocuisson, ou du type à anodes multiples précuites) - suspendu à un croisillon, les cuves étant connectées électriquement en série par les conducteurs reliant les sorties cathodiques d'une cuve donnée au croisillon de la cuve suivante dans la série, les cuves étant, en outre, disposées en travers par rapport à l'axe de la série, dispositif dans lequel les sorties cathodiques sont constituées par une pluralité d'éléments conducteurs, le plus souvent mêtalliques, sortant verticalement par le fond du caisson, et dans lequel, en outre, une partie des conducteurs de liaison entre cuves sont disposés, sur au moins une partie de leur trajet, à l'extérieur des deux plans verticaux passant par les extrémités du système anodique.
Un autre objet de l'invention est un procédé pour la suppression des perturbations magnétiques dans les séries de cuves d'électrolyse ignée, destinées à la production d'aluminium, à partir d'alumine dissoute dans de la cryolithe fondue, fonctionnant sous une intensité pouvant atteindre 200.000 à 300.000 ampères, lesdites cuves comportant un caisson parallélëpipédique supportant des blocs cathodiques en carbone dans lesquels sont scellées les sorties de courant cathodique et un système anodique suspendu à un croisillon, les cuves étant connectées électriquement en série par des conducteurs reliant les sorties cathodiques d'une cuve au croisillon de la cuve suivante, et étant disposées en travers par rapport à l'axe de la série, procédé dans lequel le courant cathodique est extrait par une pluralité d'éléments conducteurs scellés dans les blocs cathodiques et sortant verticalement par le fond du caisson et dans lequel une fraction du courant total circulant dans les conducteurs de liaison entre les cuves, fraction comprise entre 30 et 54 %,est dérivée dans des conducteurs disposés, sur au moins une partie de leur trajet, à l'extérieur des deux plans verticaux passant par les extrémités du système anodique.
La répartition de ce courant dérivé peut être symétrique par rapport à l'axe de la série, et se répartir également sur chaque côté des cuves, ou être dissymétrique,et se répartir inégalement sur chaque côté des cuves.
Le croisillon d'une cuve considérée est alimenté en courant à partir des sorties cathodiques de la cuve précédente par une pluralité de montées verticales qui peuvent se raccorder soit en totalité sur le côté amont dudit croisillon, soit à la fois sur le côté amont et sur le côté aval une partie du courant pouvant, en outre, être amenée à l'une et/ou à l'autre des têtes dudit croisillon.
La figure 1 représente les deux systèmes de sorties cathodiques dessinées, par simplification, sur la même cuve : sorties latérales et sorties par le fond.
La figure 2 représente schématiquement la coupe d'une cuve, sur laquelle apparaissent les trois axes de coordonnées utilisées pour définir la direction des composantes du champ magnétique.
La figure 3 représente la répartition de la moyenne de la composante verticale Bz du champ magnétique sur les quatre quadrants de la cuve.
La figure 4 schématise la position des conducteurs de liaison, selon l'in vention, par rapport au plan vertical zz' passant par l'extrémité du système anodique.
Les figures 5, 6, 7 indiquent, de façon schématique, les diverses variantes des trajets que peuvent suivre les conducteurs de liaison, dans le cadre de l'invention.
La figure 8 indique comment seraient constituées les liaisons entre cuve, en mettant en oeuvre les connaissances de l'art antérieur.
Les figures 9 à 13 représentent la mise en oeuvre de l'invention sous cinq variantes différentes, qui font chacune l'objet d'exemple de mise en oeuvre.
La figure 14 est le schéma d'une réalisation pratique et la figure 15, une coupe, dans le sens de l'axe de la série, de cette même réalisation, indiquant la position réelle des conducteurs.
Sur ces différentes figures, les mêmes éléments sont désignés par les mêmes repères numériques. (1) désigne les sorties cathodiques latérales selon l'art antérieur, (2) les sorties cathodiques par le fond du caisson, (3) le caisson, (4) le contour des blocs anodiques, (5) le système anodique, (6) le bain d'électrolyse, (7) la nappe d'aluminium liquide formée sur la cathode, (8) le conducteur (ou groupe de conducteurs) de dérivation, (9) le croisillon.
Dans les cuves classiques, les courants horizontaux sont principalement générés par le mode de collecte du courant cathodique. Le courant est extrait par des barres cathodiques (1) latérales qui ont l'inconvénient de concentrer le courant sur les deux grands côtés de la cathode. Quand on augmente la taille de la cuve, on est amené à élargir la cathode, ce qui a pour effet d'accroître les courants horizontaux dans le métal liquide.
Dans la présente invention, le courant est extrait de la cathode de carbone par des sorties verticales (2) que nous désignerons dans la suite de l'exposé par le terme de sorties par le fond. Ce procédé permet de réduire considérablement les courants horizontaux dans le métal tout en obtenant un gain de l'ordre de 0, 1 V sur la chute cathodique. Cette amëlioration de la chute cathodique se traduit par une réduction de 300 kMh/t de l'énergie spécifique consommée par la cuve.
Du fait des sorties par le fond, nous ne distinguerons plus le courant cathodique extrait par l'amont de celui extrait par l'aval, comme il était d'usage de le faire dans le cas des cuves à sorties cathodiques latérales, puisque l'ensemble du courant sort par le dessous de la cuve. La définition du nombre, de la position e t du dispositif d'ancrage dans la cathode de carbone des sorties verticales par le fond, sera considérée comme connue de l'homme de l'art.
L'idée des sorties par le fond a été décrite dans plusieurs brevets anciens; trois d'entre eux ne font appel qu'aux sorties par le fond, à l'exclusion de toute description des conducteurs de liaison : FR 953 374 IT 451 183 et FR 1 125 949. Le premier ne concerne que les cuves à intensité relativement faible, voisine de 100.000 A. Deux autres brevets, ne s 'appliquant également qu'aux cuves d'intensité voisine de 100.000 A, décrivent des dispositions coûteuses des conducteurs conduisant à un équilibrage sommaire sur le plan du champ magnétique : N0 83 883 et
FR 1 079 131 et son additif n° 65 320. Les trajets des conducteurs de liaison sont longs, entraînant un investissement important en conducteur et des chutes de tension en ligne élevées. L'invention permet de supprimer les perturbations magnétiques sur ces cuves par la suppression des courants horizontaux et par l'équilibrage du champ magnétique.
En ce qui concerne le champ magnétique, on conviendra d'appeler "antisymétrique" par rapport à un plan donné, une composante, lorsqu'à tout couple de points symétriques par rapport à ce plan correspondent deux faleurs opposées de la composante.
Dans les cuves en travers, en l'absence de l'effet de files voisines, le composantes Bx et Bz sont, par construction, antisymétriques par rapport au plan x o z.
En ce qui concerne l'équilibrage du champ magnétique, qui préside au choix de la disposition des conducteurs de liaisons, nous avons adopté les deux critères suivants :
- Un critère principal appliqué à la composante verticale consistant en l'égalité des moyennes de Bz par quart de cuve. La numérotation des quadrants de cuve est définie sur la figure 3. L'égalité des moyennes s ' écrit :
Bz1 = - Bz2 Cette égalité, compte tenu de l'antisymétrie, entraînera, en l'absence dé files-voisines : Bz1 = - Bz4 = Bz3 = - Bz2
De plus, les valeurs ponctuelles de Bz devront être faibles. Le champ sera calculé en prenant en compte l'effet des pièces ferromagnétiques de la cuve et de son environnement. - Un critère secondaire consistant en la réduction de la valeur maximale de la composante horizontale Bx. La valeur maximale sera généralement située à l'extrémité du plan anodique, sur les petits côté de la cuve.
L'invention consiste, pour les cuves en travers, d'intensité comprise entre 200.000 A et 300.000 A, en une combinaison des sorties par le fond et d'une dérivation d'une partie du courant dans des conducteurs disposés à l'extérieur des deux plans verticaux passant par les extrémités du système anodique.
En réalité, cette définition de. l'emplacement des conducteurs de dérivation doit être précisée, car elle englobe une partie du caisson, et il est évident que les conducteurs de liaison ne peuvent pas passer àal' intérieur du caisson.
En pratique, les conducteurs de dérivation sont donc placés dans la zone hachurée ABCDEF de la figure 4. Cette zone est délimitée côté caisson, par la paroi verticale AB du petit côté du caisson, et, au-dessous du caisson, par le fond jusqu'à l'aplomb de l'extrémité du système anodique (BC) . Néanmoins, le conducteur sera légèrement écarté de la paroi du caisson, à une distance compatible avec les exigences de la sécurité électrique. Côté opposé à la paroi du caisson, il n'y a pas de limite théorique de la zone. Cependant, afin de ne pas allonger inconsidérément le trajet des conducteurs, on ne s'écartera pas au-delà d'un plan EF situé à un mètre environ de la paroi du caisson. La hauteur de la zone est théoriquement illimitée, mais, pour des raisons d'économie de trajet et afin que le conducteur de dérivation ne gêne pas les opérations sur la cuve, la hauteur de la zone sera délimitée, en sa partie supérieure, par le haut du caisson (FA) et, en sa partie inférieure, par une frontière ED située à un mètre environ en-dessous du fond du caisson. Les figures 5, 6 et 7 permettent de mieux préciser le terme de "conducteur de dérivation".
Sur là figure..5, le courant cathodique collecté sous la cuve considérée, circule dans le conducteur (10) et est dérivé par les têtes de la cuve considérée (à l'extérieur du plan vertical passant par l'extrémité du système anodique (4) par le conducteur de dérivation (11) qui contourne les deux angles amont et aval de l'extrémité (12) du plan anodique). Le conducteur de dérivation (11) passe sous le caisson (3) de la cuve con sidérée et se raccorde au croisillon de la cuve suivante par la montée (13).
Sur la figure 6, le courant cathodique collecté sous la cuve considérée circule dans le conducteur (14) et est dérivé par les têtes de la cuve suivante par le conducteur de dérivation (15) qui contourne les deux angles amont et aval de l'extrémité (12) du plan anodique de la cuve suivante (à l'extérieur du plan vertical passant par l'extrémité dudit système anodique). Le conducteur de dérivation (15) longe le caisson de la cuve suivante sur son petit côté.
Sur la figure 7, une partie du courant cathodique collecté sous la cuve considérée, circule dans le conducteur (16) et est dérivée par les têtes de la cuve considérée par le conducteur de dérivation (17) qui contourne les deux angles amont et aval de l'extrémité (12) du plan anodique de la cuve considérée.Le conducteur de dérivation (17) longe le caisson (3) de la cuve considérée sur son petit côté. Une autre partie du courant cathodique, collecté sous la cuve considérée, circule dans le conducteur ( 18 et est dérivée par les têtes de la cuve suivante par le même conducteur de dérivation (19) qui contourne les deux angles amont et aval de l'extré mité (12) du plan anodique de la cuve suivante. Le conducteur de dérivation (19) longe le caisson (3) de la cuve suivante sur son petit côté.
La partie du courant qui est dérivée par chacune des têtes de la cuve est comprise entre 15 % et 27 % de la totalité du courant de la cuve. Plus précisément :
-dans le cas où le conducteur de dérivation alimente le croisillon de la cuve suivante par une montée positive située sur le grand côté amont de la cuve suivante, la fraction de courant dérivé par chacune des têtes de la cuve considérée sera comprise entre 15 % et 27 % de l'intensité totale; -dans le cas où le conducteur de dérivation alimente le croisillon de la cuve suivante par une montée positive située sur le grand côté aval de la cuve suivante, la fraction de courant dérivé par chacune des têtes de la cuve suivante sera comprise entre 15 % et 27 % de l'intensité totale.
Dans ces fourchettes, on ne prend pas en compte la compensation de l'effet d'une ou plusieurs files voisines adjacentes à la file considérée.
Pour les cuves à haute intensité, le nombre de montées positives sera généralement supérieur ou égal à quatre. Néanmoins, dans le cas où l'invention est appliquée à des cuves d'intensité inférieure à 200.000 A, on pourra se contenter de moins de quatre montées positives.
Illustrons sur un exemple l'importance d'un choix judicieux des conduc¬ teurs de liaisons pour une cuve à sorties par le fond :
En reliant directement les sorties par le fond au plan anodique de la cuve suivante à l'aide de cinq montées positives d'égale intensité, ré¬ parties sur le grand côté d'une cuve 250.000 ampères (figure 8), comme on le ferait en appliquant les connaissances de l'art antérieur, on obtient un champ magnétique vertical croissant du centre de la cuve vers les têtes, avec des valeurs moyennes par quadrant, déduction faite de l'effet des pièc ferromagnetiques:
Figure imgf000011_0001
la condition
Bz1 - Bz2 n'est absolument pas vérifiée puisque l'on a au contraire :
Bz1 = Bz2 Ce circuit, bien que présentant l'avantage du trajet électrique le plus court, ne permet par l'équilibrage du champ magnétique d'une cuve à sor- ties par le fond.
Nous fournissons ci-après des exemples d'application de l'invention qui montrent l'amélioration obtenue sur l'équilibrage du champ magnétique. Sur les figures 9 et 13, par souci de clarté, nous ne représentons très schëmatiquement que les conducteurs reliant les sorties cathodiques (2) de la cuve considérée au croisillon (9) alimentant les anodes de la cuve suivante. En pratique, les conducteurs de liaison passent au-dessous du niveau du plan de travail, et rejoignent ensuite les croisillons par des montées verticales ou légèrement obliques.
Dans tous les exemples présentés, chaque bloc cathodique disposé paral lèlement à l'axe Ox, présente trois sorties verticales. Mais, bien entendu, le nombre réel de sorties peut être différent sans sortir du cadre de l'invention.
EXEMPLE 1 - Cuves à sorties par le fond, à cinq montées positives, dont le courant dérivé par les têtes de la cuve suivante alimente cette dernière par le grand côté aval (figure 9)
Le courant prélevé aux deux extrémités de la cathode est dérivé par les têtes de la cuve suivante pour aller alimenter son croisillon par l'aval par deux montées positives situées aux 1/4 et 3/4. La fraction de courantparcourant chacun des deux conducteurs de dérivation est égale aux 3/16, soit 18,75 %, de l'intensité totale. Le reste du courant alimente le croisillon de la cuve suivante à l'amont, selon trois montées positives, l'une située selon l'axe Ox de la cuve et les deux autres au têtes du croisillon. Ces dernières montées peuvent être indifféremment placées sur le grand ou sur le petit côté de la cuve.
Le champ vertical moyen par quadrant de cette cuve à 250.000 A, et compte tenu de l'effet des pièces ferromagnétiques, est :
Figure imgf000012_0001
Le champ horizontal Bx maximum est de 60. 10-4 .
EXEMPLE 2 : Cuves à sorties par le fond, à six montées positives, dont le courant dérivé par les têtes de la cuve suivante est collecté dans l'espace intercuve et est envoyé à l'aval du croisillon de la cuve suivante (figure 10) Le courant prélevé aux deux extrémités de la cathode est collecté de part et d'autre de la cuve considérée dans l'espace intercuve. Une partie de ce courant est dérivée sur les têtes de la cuve considérée. Le conducteur de dérivation longe ensuite les têtes de la cuve suivante et alimente son croisillon, par l'aval aux 1/4 et3/4 du grand côté. Chacun des conducteurs de dérivation par les têtes de la cuve suivante est traversé par 3/5 du courant total. Le reste du courant cathodique alimente par l'amont le croisillon de la cuve suivante par quatre montées positives situées aux 1/8, 3/8, 5/8 et 7/8.
Le champ vertical moyen par quadrant de cette cuve à 250.000 A,et compte tenu de l'effet des pièces ferromagnétiques, est :
Figure imgf000013_0001
Le champ horizontal Bx maximum est de 25.10-4 T.
EXEMPLE 3 — Cuve à sorties par le fond, à cinq montées positives dont le courant dérivé par les têtes de la cuve considérée est prélevé aux 1/4 et 3/4 de la cathode (figure 11)
Le courant prélevé aux 1/4 et 3/4 de la cathode rejoint le long du grand côté amont de la cuve considérée le conducteur de dérivation circulant sur les têtes de la cuve considérée avant d'alimenter par l'amont les têtes du croisillon de la cuve suivante par une montée positive de part et d'autre de la cuve. Les montées peuvent être indifféremment placées sur le grand côté ou sur le petit côté de la cuve.
Chacun des conducteurs de dérivation par les têtes de la cuve consi- dérëe est parcouru par 3/16, soit 18,75 %, de l'intensité totale. Le reste du courant cathodique alimente directement par l'amont, comme indiqué sur la figure 11, le croisillon de la cuve suivante par trois montées positives situées aux 1/4, 1/2 et 3/4 du grand côté.
Le champ vertical moyen par quadrant de cette cuve à 250.000 A, et compte tenu de l'effet des pièces ferromagnétiques est :
Figure imgf000014_0001
Le champ horizontal Bx maximum est de 40.10-4 T.
EXEMPLE 4 - Cuve à sorties par le fond, à cinq montées positives, dont le courant dérivé par les têtes de la cuvé considérée est prélevé aux deux extrémités de la cathode (figure 12) Le courant prélevé aux deux extrémités de la cathode rejoint le long du grand côté amont de la cuve considérée le conducteur de dérivation circulant sur les têtes de la cuve considérée avant d'alimenter l'extrémité amont du croisillon de la cuve suivante par une montée positive de part et d'autre de la cuve. Les montées peuvent être indifféremment placées sur le grand côté ou sur le petit côté. Chacun des conducteurs de dérivation par les têtes de la cuve considérée est parcouru par 1/4 de l'intensité totale. Le reste du courant cathodique alimente directement par l'amont le croisillon de la cuve suivante par trois montées positives situées aux 1/4, 1/2 et 3/4 du grand côté.
Le champ vertical moyen par quadrant de cette cuve à 250.000 A et compte tenu de l'effet des pièces ferromagnétiques est :
Figure imgf000015_0002
Le champ horizontal Bx maximum est de 48.10-4 T.
EXEMPLE 5 - Cuve à sorties par le fond, à quatre montées positives dont le courant dérivé par les têtes de la cuve considérée est collecté dans l'espace intercuve amont de la cuve considérée (figure 13) Ce collecteur alimente le conducteur de dérivation par les têtes de la cuve considérée. Le courant dérivé alimente ensuite le croisillon amont de la cuve suivante par deux montées positives situées aux 1/8 et 7/8 du grand côté. Chacun des conducteurs de dérivation par les têtes de la cuve considérée est parcouru par 1/4 de l'intensité totale. Le reste du courant cathodique alimente par l'amont le croisillon de la cuve suivante par deux montées positives situées aux 3/8 et 5/8 du grand côté.
Le champ vertical moyen par quadrant de cette cuve 250.000 A, et compte tenu de l'effet des pièces ferromagnétiques est :
Figure imgf000015_0001
Le champ horizontal Bx maximum est de 22.10-4
MISE EN OEUVRE DE L'INVENTION
Nous avons réalisé une série de cuves suivant l'invention dont l' inten- site de fonctionnement a été fixée à 250.000 A.
La figure 14 donne schematiquement la disposition de l'ensemble des con ducteurs de liaison entre la cuve considérée et la cuve suivante.
La figure 15 est une coupe transversale selon un axe parallèle à Ox de la cuve considérée et de la cuve suivante. La numérotation des éléments est commune aux deux figures. Sur la figure 15, le dispositif d'alimentation en alumine, la superstructure, les anodes et leur système de su pension ont été soit supprimés, soit représentés très schematiquement pour la clarté du dessin. Ils sont, dans la réalité, conformes à l'art antérieur.
Les sorties cathodiques par les fonds (20) sont reliées à plusieurs collecteurs négatifs (21). Le courant collecté aux deux extrémités de la cathode est raccordé par les conducteurs (22) aux conducteurs de dérivation (8) par les têtes de la cuve suivante et alimente ensuite le croisillon (9) de cette cuve par les montées (23) situées sur le côté aval au 1/4 et au 3/4.
Chacun des conducteurs de dérivation par les têtes est traversé par 3/16, soit 18,75 %, de l'intensité totale. La cote selon Oz de ces conducteurs est déterminée de façon à assurer l'équilibrage du champ magnétique. La zone de localisation de ces conducteurs a été définie précédemment (figure 4).
Le courant collecté au centre de la cathode est raccordé par les conduecteurs (24) à trois montées verticales, reliées aux têtes et au milieu du croisillon, du côté amont. Chacun des conducteurs alimentant les têtes du croisillon est traversé par 1/4 de l'intensité totale et le conducteur alimentant le centre du croisillon est traversé par 1/8 de l'intensité totale.
Les cuves de la série construite selon l'invention ont les caractéristiques suivantes : surface anodique : 348.000 cm2 dimension intérieure du caisson : 13, 68 x 4 , 15
(en mètres)
Au cours de leur fonctionnement, les résultats suivants ont été obtenus : intensité moyenne : 252.000 A rendement Faraday : 92,5 % tension moyenne : 3,94 V La consommation spécifique d'énergie correspondante est de 12.690 kMh/ tonne Al, ce qui constitue une valeur raccord avec des cuves fonctionnant à une intensité aussi élevée. Ce gain a été obtenu entre autres par un abaissement de la chute cathodique qui s'est située en moyenne à 0,25 V.
Bien que l'invention s'applique plus particulièrement aux séries de cuves d'électrolyse fonctionnant sous des intensités comprises entre 200 et 300.000 ampères, elle peut s'appliquer également a des séries de cuves fonctionnant à des intensité plus faibles comprises, par exemple, entre 100.000 et 200.000 ampères.

Claims

REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour la suppression des perturbations magnétiques dans les séries de cuves d'électrolyse ignée destinées à la production d'aluminium, à partir d'alumine dissoute dans de la cryolithe fondue, fonctionnant sous une intensité très élevée, pouvant atteindre de 200 à 300.00 ampères, lesdites cuves comportant un caisson parallelepipedique suppor tant des blocs cathodiques dans lesquels sont scellées les sorties de courant cathodique et un système anodique suspendu à un croisllon, les cuves étant connectées électriquement en série par des conducteurs de liaison et disposées en travers par rapport à l'axe de la série, carac térisé en ce que les sorties cathodiques sont constituées par une pluralité d'éléments conducteurs scellés dans les blocs cathodiques et sortant verticalement par le fond du caisson, et en ce qu'une partie des conducteurs de liaison reliant les sorties cathodiques d'une cuve au croisillon de la cuve suivante, sont disposés, sur au moins une partie de leur trajet, à l'extérieur des deux plans verticaux passant par les extrémités du système anodique.
2/ Procédé pour la suppression des perturbations magnétiques dans les séries de cuves d'électrolyse ignée destinées à la production d'aluminium à partir d'alumine dissoute dans de la cryolithe fondue, fonctionnant sous une intensité pouvant atteindre 200.000 à 300.000 ampères, lesdites cuves comportant un caisson parallelepipedique supportant des blocs cathodiques en carbone dans lesquels sont scellées les sorties du courant cathodique, et un système anodique suspendu à un croisillon, les cuves étant connectées électriquement en série par des conducteurs reliant les sorties cathodiques d'une cuve au croisillon de la cuve suivante, et étant disposées en travers par rapport à l'axe de la série caractérisé en ce que le courant cathodique est extrait par une pluralité d'éléments conducteurs scellés dans les blocs cathodiques et sortant verticalement par le fond du caisson, et en ce que une fraction du courant total, comprise entre 30 et 54 %, circulant dans les conducteurs de liaison entre les cuves, est dérivée dans des conducteurs disposés, sur au moins une partie de leur trajet, à l'extérieur des deux plans verticaux passant par les extrémités du système anodique.
3/ Procédé pour la suppression des perturbations magnétiques dans les séries de cuves d'électrolyse ignée, selon revendication 2, caractérisé en ce que le courant dérivé est réparti dans les conducteurs de dérivation symétriquement par rapport à l'axe de la série.
4/ Procédé pour la suppression des perturbations magnétiques dans les séries de cuves d'électrolyse ignée, selon revendication 2, caractérisé en ce que le courant dérivé est réparti dans les conducteurs de dérivation de façon dissymétrique par rapport à l'axe de la série.
5/ Procédé pour la suppression des perturbations magnétiques dans les séries de cuves d'électrolyse ignée, selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le croisillon de chaque cuve est alimenté en courant à partir des sorties cathodiques de la cuve précédente, par une pluralité de montées verticales raccordées sur son côté amont.
6/ Procédé pour la suppression des perturbations magnétiques dans les séries de cuves d'électrolyse ignée, selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le croisillon de chaque cuve est alimenté en courant à partir des sorties cathodiques de la cuve précédente, partiellement par une pluralité de montées verticales raccordées sur son côté amont, et partiellement par une pluralité de montées verticales raccordées sur son côté aval.
7/ Procédé pour la suppression des perturbations magnétiques dans les séries de cuves d'électrolyse ignée,, selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le croisillon de chaque cuve est partiellement alimenté en courant, à partir des sorties cathodiques de la cuve précédente par des montées verticales reliées à l'une ou à l'autre ou à ses deux extrémités.
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