CA1113428A - Dispositif pour la reduction des perturbations magnetiques dans les series de cuves d'electrolyse a tres haute intensite - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif de liaison électrique pour la réduction des perturbations magnétiques dans les séries de cuves d'électrolyse à haute intensité. Le dispositif est caractérisé par l'alimentation du croisillon anodique à la fois par ses deux extrémités et par au moins une montée centrale alimentée à partir de sorties cathodiques amont et par une dérivation prise sur les barres de sorties cathodiques aval de la cuve précédente. Application à la production d'aluminium par électrolyse d'alumine dans de la cryolithe fondue.

Description

1~134Z8 La présente invention concerne un nouveau dispositif pour réduire les perturbations magnétiques dans les séries de cuves d'électrolyse en travers, à très haute intensité, destinées à la production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans de la cryolithe fondue. E:Lle s'applique à la réduction des perturbations dues aù champ propre créé par chaque cuve et par ses voisines de la mêrne file. L'in~luence d'une ou plusieurs files adjacentes lorsque celles-ci se trouvent à une distance relativement proche de la file consi-dérée fait l'objet d'une demande de brevet séparée.
On sait que, pour réduire les investissements etaugmenter les rendements, la tendance est d'augmenter la puis-sance des cuves, qui, alimentées sous 100,000 ampères, il y a vingt ans, atteignent maintenant 200 000 ampères. On sait également que les cuves disposées en travers par rapport à
l'axe de la filej présentent à dimensions égales, des effets magnétiques moindres que les cuves, disposées en long, malgré
la complication des conditions d'exploitation qui en résultent. ~-Dans tout ce qui va suivre, on désignera, selon les ~;
conventions habituelles, par Bx, By et Bz les composantès du champ magnétique selon les axes Ox, Oy et Oz, dans un trièdre rectangle direct dont le centre 0 est le centre d~ plan cathodique de la cuve, Ox est l'axe longitudinal dans le sens de la file, Oy, l'axe transversal et Oz l'axe vertical dirigé
vers le haut.
Selon la convention habituelle, on désigne les positions amont et aval par référence au sens conventionnel du courant dans la série.
~ n ce qui concerne les diagrammes des champs magnéti-ques, on conviendra d'appeler "antisymétrique" par rapportun plan donné, une fonction lorsqu'~ tout couple de points symé~riques par rapport à ce plan correspondent deux valeurs ` i .,,~ ~

`~
19~13g~

r égales et de signe opposé de la fonction.
La figure 1 représente schématiquement, en coupe verticale transversale passant par le point 0 défini ci-dessus, une cuve d'électrolyse disposée en travers par rapport à l'axe ~:
de la série. L'axe Ox est donc perpendic-ulaire au plan de figure. :. ~
Sur la demi-coupe de gauche, on a figuré les vecteurs : .
des champs magnétiques induits par les montées centrales et . les liaisons latérales. Sur la demi-coupe de gauche, on a figurél'encombrement du système anodique de demi-longueur a. La demi-largeur b apparaît sur la figure 2. :-La figure 2 représente schématiquement, en coupe horizontale, la cathode d'une cuve d'électrolyse divisée en quatre quarts numérotés par convention 1 à 4, cette convention étant valable pour les autres figures.
La figure 3 est un diagramme des composantes horizcn-tales longitudinales r des forces, dites Forces de Laplace, développ~es dans le métal par les champs magnétiques.
La figure 4 est un diagramme des champs Bz moyen . ~ .
par quart de cuve. ~ .
La figure 5 est un schéma d'ensemble des conducteurs de ~;
liaison entre cuvesl selon l'invention. :~
Les figures 6, 7 et 8 montrent di~férentes variantes de l'alimentation du croisillon, selon l'invention, en faisant varier la fraction de l'intensité alimentant les extrémitës et des prises intermédiaires du croisillon. Pour alléger le dessin, on a figuré l'alimentation de la moitié gauche seule-ment, la partie droite étant symétrique. .
La figure 9 est un diagramme comparatif de la valeur 30 des champs Bz et By des collecteurs latéraux en fonction de leur position par rapport au plan du m,~tal.
Les figures 1 à ~ sont illustratives, et ont pour L342~
but de faciliter l'exposé du problème.
Les figures 5 à 9 se rapportent à l'invention proprement dite.
Le brevet francais N 2 324 761 déposé le 18 Septembre 1975 au nom de "ALUMINIUM PECHINEY" a donné les conditions à
respecter pour réduire les effets magnétiques dans les cuves ~;
en travers et l'expérimentation a montré que l'application de ces conditions pour ce type de cuve, a apporté un progrès important dans la production d'aluminiumj notamment au point , ~
de vue consommation d'énergie.
Mais cette théorie ne tenait pas compte de l'effet d'écran produit par les masses ferro-magnétiques essentiellement constituées par le caisson, la superstructure, les barres cathodiques et éventuellement le bâtiment.
La mise au point d'une technologie de mesure sur les cuves en fonctionnement au sein du bain et du métal cathodique a permis de déterminer l'influence de ces masses ferro-magnéti-~ ques sur les champs déterminés par le calcul.
;~ ~ Nous appellerons "champ d'aimantation" l'écart entre ~;
les champs mesurés et calculés. IL est variable en tous points de la cathode, et l'expérience mo~tre qu'il est maximum dans les extrémités de la cufe, et qulil décroît en se dépla~ant vers le centre o~ il est nul.
En particulier, pour la composante verticale Bcet écart est généralement positif pour des points de la cathode située du côté des y positifs, et négatifs par anti-symétrie pour ceux situés du côté des y négatifs. Ceci est dû au fait que la composante Bz est la résultante des champs élémentaires des différents conductèurs entourant la cuve, dont les principaux sont ~fig. 1).
- les liaisons latérales (l) entre cuves situés du côté des y positifs donnant un champ Bz (l) toujours de sens ~ 3 ~

3~2i~

négatif en raisonnant pour les points de la cathode situés du côté des y positifs.
- les montées centrales (2) (2') alimentant le croisillon (3) donnant des champs bz (2) et bæ (2') dont le total est tQu]ours de sens positif. ~;
Dans tout ce qui suit, oh emploiera l'expression "croisillon" de façon générale, pour désigner le système de suspension et d'alimentation électrique du système anodique sans faire aucune hypothèse particuliare sur sa structure, ;
qui peut comporter notamment une seule traverse, deux traverses, ., ~
électriquement séparees ou deux traverses réunies par des liaisons équipotentielles.
- les liaisons latérales (1') entre cuves situées du côté des y négatifs donnant un champ bz (1') toujours de :~
sens positif.
Or le champ vertical résultant des liaisons latérales (1) et (1') toujours négatif est fortement atténué par l'effet d'écran constitué par les têtes du caisson (4 ~ 4') alors que c'est moins le cas pour le cha~p résultant des montées ~;
centrales (2 et 2') toujours positif.
Il en résulte un écart positif du côté des y positifs, de la valeur réelle du champ Bz mesuré par rapport à sa valeur calculée.
Un raisonnement analogue pour les points situés près -du centre, montrè que l'effet d'écran s'affaiblit car il devient assez uniforme pour tous les conducteurs source de bz. En outre, les différents champs tendent à s'équilibrer. Il n'y aura donc que peu d'écart entre les valeurs mesurées et calculées s'appliquant d'ailleurs à un champ résultant Bz faible.

Cette théorie est vérifiée par les mesures expérimen-tales qui permettent de choisir uné disposition et une réparti- ~
tion du courant circulant dans les différents conducteurs `

3~Z~3 alimentant la cuve pour obtenir des effets magnétiques réduits.
Les forces, dites Forces de Laplace, qui se dévelop-pent dans le métal, sont la source de la déformation de l'interface bain-m~tal.
Force suivant l'axe Oy : f(Y) = iZBX - jxBz Force suivant l'axe ox : f(x) = j Bz - jzB
Bx, By et Bz étant les trois composantes mesurées du champ magnétique B suivant les axes parallèles à Ox, Oy et Oz.
Bx mesuré = Bx calculé + Bx champ d'aimantation 10 - By mesuré = By calculé + By champ d'aimantation Bz mesuré = Bz calculé + Bz champ d'aimantation ix, jy et jz étant les trois co~posantes de la densité
de courant dans le métal.
La figure 2 donne la coupe horizontale d'une cuve en travers au niveau du point central du plan cathodique et divisé
en quatre quarts par les axes Ox e~ Oy.
L'ensemble des forces fl(y) sur une parallèle à Oy d'abscisse ~x) dans le premier quart est r r r - ~
Fl(y) = J fl(y z ~ sxdY - ix J Bz dy +a +a -~a (I) car sur chaque axe parallèle à oy :
jz est constant puisque uniforme sur toute la cuve et ix est constant en raison de la disposition habituelle des barres cathodiques.
On aura de même, dans le quatrième quart et sur le meme axe y parallèle à Oy ~` -a r a ra ` F4(y) = Jf4(y~ dy = iz J BxdY ix J z Y (2) ;~-Si Fl (y) = - F4(y) les ~orces sur chaque parallèle à Oy seront égales et opposées. Il suffit pour cela que :

.
~ ' L342a o ~a ~::
J Bxdy = J B~dy (3) --~a , et ~ Bzdy = - ~ 9dy ~ (4) -a ~ ~, Ces deux équations seront vérifiées si les valeurs de Bx et Bz sur un axe y sont antisymétriques par rapport au -~
.
plan xOz. ~ ; ~
Cas du champ horizontal B~ : Dans une cuve en travers, les conducteurs suivant les axes y et z étant habituellement disposés symétriquement par rapport à x O z, le champ Bx `~
calculé sera antisymQtrique. -Il en est de même des masses ferro-magnétiques par rapport à x O z et le champ Bx d'aimantation sera antisymétrique.
I1 en résulte que le champ réel Bx mesuré sera, lui aussi, ~ `~
antisymétrique~par rapport à O x.~ `
. ~
;~ Cas du champ vertical Bz : Dans une cuve en travers, ~ ;
les conducteurs suivant les axes x et y étant habituellement ~ `
._ disposés symétr~iquement par rapport à x O z, le champ B
calculé sera antisymétr1que.
Il en est de même des masses ferro-magnétiques par rapport à x O 9 et le champ Bz d'aimantation sera antisymétrique. -Il en résulte que le champ réel Bz mesuré sera' lui aussi an~1symétrique par rapport à O x.
Au total sur chaque y : ~-l(Y) F4(y) et : :
--O O :~
Fl(y) sur le premier quart = - ~ F4(y~ sur -b -b ,, --3~28 le quatrième quart (6) Examinons maintenant les forces longidutinales dans le deuxième et le troisième quarts: Les équations sont les mêmes que pour le premier et le quatrième quart et l'on obtiendra :

+b +b F2(y) sur le deuxième quart = - ~ F3(y) sur O
le troisième quart (7) :

Les équations 6 et 7 montrent que l'interface bain- ' :
métal sera symétrique par rapport à x 0 z dans chaque moitié
de cuve délimitée par le plan y 0 z. Il convient maintenant d'ajouter une condition supplémentaire pour que dans chaque moitié délimitée par l'axe ox, les forces de Laplace soient égales, c'est-à-dire :
.:
O
~ Fl(y) = ~ F2(y (8) ~

. ``
. 1 j d'où il découlera que :
' ~.
~b 0 ~ F3(y) = L F4~y) (9) :, ~ -b :~
' ~ .
Ecrivons les équations des Forces de Laplace pour : Fl et F2 O O O

F (Y) = 1 fl(y)dy = jz ~ Bxdy ilx ~ z a a - a .- . :

Z~ , et (Y) = ~J f 2 (y)dy = iz I BxdY i2x ~ Z Y (11) a '-~a ~ a car jz est constant sur deux axes disposés symétriquement par rapport à Oy en raison de la disposition habituelle des barres cathodiques.
Pour ix, les courants parcourant les barres cathodiques sont égaux et de sens opposés pour tous points disposés symétri-quement par rapport à Oy.

On aura donc : j2x = -jlx :~ -et l'équation (11) devient dans ie deuxième quart de cuve : :
~.o ~.~o ~,o ~

2(Y) ) f2(Y)dY = iz ) Bxdy + jlx ) Bzdy (12) ;~;
+a , +a -~a Cas du champ horizontal Bx : dans une cuve en travers, les conducteurs parallales aux axes Oy et Oz étan-t disposés : :
symétriquement par rapport au plan y O z, le champ Bx sera symétrique.

Cas du champ vertical Bz : on a égalisé les deux premiers termes des équations (10) et (12). Pour que l'équa-tion (8) soit vérifiée, il suffit donc que :

~0 ' ~ ~
~ ilX J Bzdy ~premier quart) = + jlx ) Bzdy (deuxième quart)-+a +a c'est-à-dire: -O ' O
- ¦Bzdy (premier quart) = ~ iBzdy (deuxième quart). (14) -+a -~a 1~13~L2~ :
~o Autrement dit, si les valeurs de ~ Bzdy sur deux axes disposés symétriquement par rapport à Oy sont antisymétriques, ~ :
l'équation (13) donc, l'équation (~3) seront vérifiées. Or, on :::

constate que dans une vue en trave~s, les valeurs des intégrales O
~ Bzdy du champ réel sur deux axes parallèles à 0y et disposés +a symétriquement sont antisymétriques par rapport à la valeur de f l'intégrale J Bzdy sur l'axe Oy.
+a .
La condition (13) sera donc réalisée lorsque :
r J Bzdy sur l'axe Oy, du champ mesuré, sera égale à 0 ~a On en conclut que si la condition (14) est réalisée, on obtient sur deux axes parallèles à Oy et disposés symétrique-ment par rapport à Oy et à une distance Xl, figure 3 :

1 4; Fl F2 ~ F2 = ~ F3 et F3 = F4 - c'est-à-dire :
F2 = Fl F3 = - Fl (15) _ 20 4 et pour l'ensemble des forces longitudinales par quart de cuve, on aura de même :

~b 0 +b 0 0 0 .~ 2 ~Fl ~ ~F3 = ~ ~ 1 et ~F4 = 1 ~F
0 -b 0 -b -b -b Cette égalité des forces longitudinales opposées deux à deux a pour conséquence que : :
1. l'inter-Eace bain-métal aura une forme de dôme sym~trique par rapport à x 0 z.

2. la flèche du dôme sera minimale et dans la pratique on constate que lorsque la condition (14) est réalisée, l'inter-face bain-métal est pratiquement plate et qu'i:L ne subsiste g _ .. . . ... .. ..

34%i3 à la périphérie du système anodique qu'une légère déni-vélation difficilement mesurabie car inférieure à 1 centimètre~

3. il n'y a plus de mouvement du métal décelable par la variation de résistance de la cuve.
En effet, les équatlons (4) et (13) ont pour consé-quence, en appelant Bzl moyen dans le premier quart de cuve =
O O ~ ' Bzl moyen (premier qu~rt de cuve) = s ~ ~Bzdy s étant la surface d'un quart de cuve Bz moyen premier quart = + B
Bz moyen deuxième quart = - B
Bz moyen troisième quart = + Bzl (16) Bz moyen quatrième quart = - Bz~
Or, on sait que les mouvements de métal dépendent de la valeur moyenne de Bz par quart de cuve. Ils deviennent négligeables lorsque ces valeurs sont égales et de signe opposé `
deux à deux comme de montre la figùre 4.
En plus, cette égalité correspond à une valeur `
minimum par quart de cuve du Bz moyen.
On a vu que les progrès ~echnologiques sur les appareils de mesure ont permis de mettre en évidence l'action différentielle due aux masses ferromagnétiques sur les champs élémentaires des différents conducteurs, suivant leur position par ra~port aux dites masses ferro-magnétiques.
On a donc pu déterminer expérimentalement cette action que nous avons appelée "champ d'aimantation'l et qui constitue une correction non négligeable au calcul. ~0 On a démontré précédemment que la condition~ Bædy = 0 du champ réel mesuré sur l'axe Oy aboutiseait à des valeurs pour Bz moyen par quart de cuv`e égales en valeurs abso-lues, mais de signe contraire pris deux ~ deux qu ' il en résultait~

~134Z8 - une interface bain-métal pratiquement plane, - une absence de mouvement du métal cathodique~
Cette stabilité permet d'optimiser les conditions de marche des cuves et d'obtenir de très bons rendements énergéti-ques en utilisant pleinement la finesse de réglage de l'ordina-teur. ~0 Pour obtenir la condition J Bzdy = 0 et la condition . +asimilaire B dy = 0 du champ réel Bz mesuré sur l'axe Oy, on O
peut jouer sur la position des conducteurs de liaison entre cuves et l'intensité qui les parcourt.
La figure 5 donné schématiquement la disposition de l-'ensemble des conducteurs de liaison entre une cuve amont (n - 1) et une cuve aval (n), figùrée avec deux montées de tête et deux montées centrales aiimentant le croisillon (3) de la cuve aval. Il est bien entendu que le nombre de montées centrales ~ui est ici de deux n'est pas limité. Inversement, dans le cas de cuves à intensité moins élevée, par exemple de 70 000 à 100 000 ampères, ou dans le cas de l'adaptation du dispositif selon l'invention à des cuves existantes où la place disponible est relativement limitée, il est possible de prévoir une seule montée centrale située s~r l'axe Ox de la série.
Les barres cathodiqùes (5) (5') de la cuve amont (n - 1) sont reliées à chacune de leur ex-trémité, à des collec-teurs ~égatifs, (6) (6'), (7), (7') dont le nombre par quart de cuve dépend en général de la dimension de la cuve. Par mesure de simplification, il n'en a été indiqué qu'un par quart de cuve sur la figure 5.
Par ~uart de cuve, l'intensité totale sortant du ou des collecteurs négatifs est 8I .
Les collecteurs négatifs amont (7) (7') de la cuve amont (n - 1) contournent les angles amont (8) (8') de la cuve '~13~L2~
amont et se raccordent aux collecteurs latéraux (1) (1') situés le long des petits côtés de la.cuve amont pour conduire le courant au croisillon (3) de la cuve aval (n).
Les collecteurs négatifs aval (6) (6') de la cuve amont alimentent le croisillon ~3~ de la cuve aval par des montées centrales (2) (2').
On a constaté que suivant la d~Lmension de la cuve, l'importance des masses ferro-magnétiques constituées principale-ment par le caisson, les superstrùctures, les barres cathodiques, :
le bâtiment et la position des barres de liaison entre cuves, l'intensité "i" alimentant chaque extrémité du croisillon devait être comprise entre I/8 et 2 I/~3 ~our aes poids de masses ferro-magnétiques habituellement utilisées dans la construction des cuves.
Les figures (6) (7) et (8) donnent le schéma des conducteurs pour les cas où l'intensité "i" alimentant chaque tête du croisillon est respectivement de I/8, 1,5 x I/8 et 2 x I/8.
On a avantage à choisir, pour les conducteurs de liaison, une position dans le plan horizontal, la plus proche possible des têtes de caisson, mais compatible avec les contrain-tes posées par l'exploitation et la sécurité électrique.
Dans le sens vertical, on place habituellement ces conducteurs dans un plan assez voisin de celui du métal, afin de :
- ne pas allonger les circuits pour un gain relative-ment faible sur la composante Bz qui varie comme le cosinus de l'angle a (figure 9).
- ne pas introduire inutilement des composantes supplémentaires Bx et By qui apparaissent très rapidement lorsqu'on s'éloigne du plan du métal, car elles varient co.~me le sinus de l'angle ~.

LlL34Z~
Dans la pratique industrielle, on est conduit pour des raisons économiques à prendre le tracé le plus court possible pour les conducteurs de iiaison entre cuve, mais ce choix ne restreint pas le domaine d'application du brevet.
~ a détermination de "i" est alors faite de la façon suivante: . -- à partir d'un tracé retenu pour les conducteurs de : ;
liaison, on détermine par le calcul la courbe des valeur~ de B

theorique sur l'axe Oy. Cette courbe est fonction de "i". ~:~
- on connait par l'expérimentation, les valeurs du champ Bz d'aimantation sur l'axe Oy.
Cette courbe est aussi fonction de "i".
- en écrivant que Bz mesuré = Bz théoric~ue + Bz aimantation, on détermine la courbe des Bz réels sur l'axe Oy, fonction de "i". 0 - on calcule l'intégrale J Bzdy réel sur Oy pour différentes valeurs de "i".
On trouve la valeur io qui correspond ~ la condition:
r J Bzdy réel sur l'axe Oy = 0 ~.
. +a la valeur io est comprise entre 8 et 2 8- ' EXEMPLE
Une cuve 175 000 A construite suivant les revendica-tions du brevet francais ~ 2 324 761 a donné les résultats ~: suivants :
~ intensité moyenne : 175 500 Amp.
: rendement Faraday : 91,1 %
tension moyenne : 4,07 volts ce qui correspond ~ une consommation-spécifique de 13 330 kWh/t.

Sur la même cuve, fonctionnant avec les mêmes paramètres de marche, qualité de l'-alumine, acidité du bain,etc...

,, ,, , ....;- ~
-. . , . ~ .. :. . . ... . . ..

1~L3428 on a utilisé une disposition des conducteurs faisant l'objet du présent brevet, avec deux montées centrales, l'alimentation i:
de chaque extrémité du croisillon étant égale à 1,3 8 On a obtenu alors les résultats suivants :
intensité moyenne : 177 000 Amp. :~
rendement Faraday : 92,8 %
tension moyenne : 4,02 volts ce qui correspond à une consommation spécifique de ~2 940 kWh/t, constituant ainsi une des meilleures performances obtenues jusqu'à ce jour, avec des cuves fonctionnant avec un amparage aussi élevé. .
,::

::

Claims (2)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Dispositif de liaison électrique entre des cuves d'électrolyse à très haute intensité, connectées en série et disposées transversalement par rapport à l'axe de la série, chaque cuve comportant un croisillon auquel est suspendu le système anodique, et des barres de sorties cathodiques, caractérisé en ce que le croisillon de chaque cuve est alimenté
en courant à la fois par ses deux extrémités et par au moins une montée centrale, la fraction de l'intensité totale I
alimentant chaque extrémité étant comprise entre I/8 et 2 I/8.

2. Dispositif de liaison électrique entre des cuves d'électrolyse à très haute intensité, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le croisillon de chaque cuve est alimenté
à la fois par les deux têtes et par au moins une montée centrale, chaque montée centrale étant alimentée à la fois à partir des sorties cathodiques aval et à partir d'une dérivation prise sur le conducteur latéral alimentant les têtes du croisillon à
partir des sorties cathodiques amont.