CA1120422A - Procede de reduction des perturbations magnetiques dans les series de cuves d'electrolyse a haute intensite - Google Patents

Abstract

D_ LA DIVULGATION: Procédé de réduction des perturbations magnétiques dans les séries de cuves d'électrolyse à haute intensité pour la production d'aluminium, disposées en long, chaque cuve étant alimentée en courant à partir de celle qui la précède à la fois par la te-te amont sous une fraction a de l'intentisé, et par au moins un autre point situé entre la tête amont et la tête aval incluse, sous la fraction (1 -0) de l'intensité. Le procédé de l'invention est caractérisé en ce que l'on annule la composante horizontale longitudinale By du champ magnétique au centre de la cuve et qu'on rend antisymétrique la composante verticale Bz du champ magnétique par rapport à l'axe Oy en disposant les conducteurs négatifs de façon qu'ils soient soient parallèles à l'axe Ox et passent sensiblement par les points de coordonnées y et Z satisfaisant les deux relations: <IMG> dans lesquelles .mu. et? sont des coefficients indépendants de l'intensité et dépendaTlt uniquement de la demi-largeur "a" du système anodique de la hauteur "h" du croisillon au-dessus du plan cathodique de référence xOy, et de la fraction de l'intensité alimentant la tête amont de chaque cuve. L'invention trouve son application notamment a la production d'aluminium dans des séries de cuves d'électrolyse alimentées sous des intensités pouvant atteindre 200 000 ampères.

Description

~ a présente i.nvention concerne un nouveau procedé
pour rédui.re les perturbation3 magnétiques dalls les séries de cuves d'électrolyse en long, à haute intensité, destinées a la production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissou-te dans de la cryolithe fondue. Elle s'applique à la réduction dcs perturbations dues au champ propre crée par chaque cuve et par ses voislnes de la meme file et de la file adjacente lorsque celle-ci se trouve à une distance rela-tivement proche de la file considérée~
On sai-t que7 pour réduire les investissements et aug-menter les rendements, la tendance est diaugmenter la puissance des cuve3, qui, alimentées~sous 100 000 amperes, il y a vingt and, atteignent maintenant 200 000 ampères. On sait égalernent, que les cuves disposées en travers par rapport à l'axc de la file, présentent à dimensions égales, des effets magnétiques moindres que les cuves disposées en long, malgré la complica-tion des conditions d'exploitation et la détérioration des con-ditions de travail aui en résultent. De ce point de vue, les cuves en long ne présentent pas ce~ inconvénients, et le but de l~inventioIl est un procédé permettant de ramener les effets magnétiques des cuves en long à un niveau infériellr à celui des cuves en travers, d'ou il résulte des économies d'éne~rgie con-sidérables tout en conservant les avan-tages dlexploitation dus la disposition en long.
Dans tou-t ce qui va. suivre, on désignera, selon les conven-tions habituelles, par ~x~ By et Bz les com~osantes du ch~mp magnéti.~ue selon les axes Ox, Oy et Oz, dans un tri.edre rectangle direct dont le cen-tre O est le centre du plan catho-dique d~ la cuve, Ox est l'axe ].ongitudinal dans le sens de ]a file9 Oy, l'axe transversal e-t Oz ltaxe vertical dirige vers le haut.
Selon l.a conven.-tion habituelle 7 on designe les po-~i-tions amon-t ct aval par référcn.ce au sens conventionnel du courant dans la série.
Dans le brevet français n 1.143.879, la Société
Demanderesse a donné les conditions ~ respecter pour réduire les effets mangétiques dans les cuves en long, et la plupart des cuves construites d~ts le monde~ depuis cette époque, on-t utilisé les dispositions des conduc-teurs préconisés, afin de satisfaire à la double conditlon:
ByO = O
dB ~ au centre de la cuve ~ = faible dz dans lequel ByO est la composante horizontale du champ magnéti-que selon l~axe Oy (axe horizonta:l perpendiculaire ~ l~axe de la file) et Y est lc gradient de ce potentiel selon l?axe vertical au cen-tre de ]a cuve.
; Mais les ~onditions préeoni.sées dans le brevet Fr~tais 1.143.879 ne concernaient que le champ horizontal et n~avaient pas d~aetion sur le champ vertieal dont l.a valeur est pratique-ment proportionnelle ~ l'intensité traversant l.a cuve.
Or, toute3 l.es études récentes montre.nt l'importaxtce de ce champ vertieal. 11 es-t respon~abl(-l en par-ticu:l.icr9 d'une déformation "en dôme" de la nappe d'alumi:nium liquide, dôme assy-métri~ue, dont le sommet est décalé vers ]a t~-te aval. dc l.a cuve, et qui oorrespond à tme dénivellation pouvant dépasser 4 centi m~tres par rapport au plan de référenee.
~ es forces, dites forces de ~a~lace, qui s~ dévelop-pen-t, dans le métal sont la source de la déformation de l~in-terface bain-mé-tal~
Forces selon l'axe Ox : f(x) = jy Bz - jz By Forces selon llaxe Oy : f(Y) = jz Bx ~ ix ~z;
Bx~ By et B5 é-tant les trois composantes du champ magnetique B

scl.on l.es axes Ox, Oy9 OZ, jx~ Jy~ et jz é-ta~nt les tro.is com-po~antes de la densité de couran-t d~ls le métal.
~ 'ex~osé de la sol,ution qu'apporte l'invention au problème des effets mangétiques sera facil.ité par une analyse des différentes composantes de ce~ forces, faite en référence aux dessins ci-joints, dans lesquels:
la figure 1 représen-te, en coupe verticale trans~
versale, passan-t par le point 0, ~e cuve d'électrolyse en long;

la figure 2 représente, en coupe hori~ontale sché-mati~ue, passant par l.e point 0, une cuve dlélectrolyse en long;

la figure 3 est un diagramme du champ ~z le l.ong d'un grand côté de la cuve, la figurc 4 représente la forme de l'interface métal-électrolyte selon la répariti-tion du cha~p B~ de la fi~u,re 3;
les figures 5 et 6 schématisent deux dispositions possibles pour l'alimen-tation des cuves en long: par une -tê-te e-t des montées centrales (figure 5) ou par les deux tê-tes : (figure 6);

l.es figures 7, 8, 9 et 10 mon-trcnt la position du conducteur negatif selon l'inver--tion, en fonction du coefficient ~, fraction de courant alimentant la t~tc ~unont;
l.a fi.gure 11 exp:Licite,l'influence du champ de la file voisine sur le champ total. d'une cuve donnée sur son pe-tit axe Oy;
la figure 12 montre la position des conducteurs de compen.sation du champ de la file voisin.e dans une sal.le di~lec-trolyse comporta.nt deux files relativement proches; e-t le~ iigures 13, 1~ et 15 mon-tren-t la position du conducteur négatif en fonction du coefficient~ lorsqu'an tient compte dc :L'influcnce de la fi,le voi~ine.

Consid~rons la coupc horizon-tale d'une cuve en long, figure 2, au niveau du ~oin-t central 0 que l'on divise en qua-trc ~3--~w quarts par le5 axea Ox et Oy, et. de-terminons tout d'abord l.es forces lon~i-tudinal.es selon les paralleles ~ Ox.
~ ensemble des forces f1 (x) sur une parall.èlc à, Ox (dabciss?c y) dans le premier ~uart est:
~Q rO
Fl (x) =J fl (x) dx = ;y~ Bz .d~ - izl By r dx -b J-b J-b car jy est constant en raison de la disposition habituel].e des barres cathodiques à sorties transvers?ales; il en est de meme 10 d~? j z .
On aura de m~me dans le deuxième quar-t:
~b b ~ b ~ -F2 ~x~ =J f2 (x) d% = j,y Bz .dx jz) y -O O
' Si F (x) = ~ F2 (x), les Iorces sur chaque paral-lèle ~ Ox ~eront égales et opposées~ I1 suffit, pour ccla que:
~: O ~b J Bz .dx =-J Bz .dx -b O
et que : O -b J ~ d x ~ B dx -b O
Ces deux conditions sont ré~lisées si les' courbes de B~ et By sont a.ntisymé-triques par rapport à l'axe Oy.
Cas du cha p vertical B~: dans une cuve en long, la courbe dc Bz sur chaque pa.ralIèle à Ox est antisymétrique par rapport ~
~qa valeur a son point mllieu comme on le voit sur la figure 3.
Il suffit donc de rendre Bz nul sur l.'axe Oy, pour que l'ensem-3n blc? de Bz soit anl,i.aymetrique par rapport ~ Oy, ~u centre O de la cuve, B~ (o) est aJ.ors nul par s~ymetr.ie. Bz es-t maxi.mum sur la. parallèle a.(~x pas~ant, pa..r ] ~:? bord exterieur du system~-? ano-_~~

dique e-t si l'on annule B~ au point M, la courbe de~ Bg maximaux sera9 elle aussi, antisymétrique~
Si Bz (M) et Bz (o) sont nul3, la valcur de Bz sur l~axe~ Oy ne dépasse pas 2 ~ 3.10 4 Tesla, pour une cuve de 100 000 ampères, ce qui es-t negligeable.
Donc, les valeurs de Bz en tous les points situés symétriquement par rapport à Oy on-t des valeurs égales et de signe inverse, et les courbes de Bz sur chaque parallele ~ Ox seront antisymé-triques.
Cas du champ hori~ontal By : on conscrve la condition By (au point central 0)=0 déj~ énoncée dans le brevet français nl.-143.87~. On constate que, lorsque By (o) - O, les valeurs de B~ sur le~ axes parallèles ~ 0~ sont minimales et -très f'aibles.
La courbe de By sur chaque axe est alors egalement antisymé-trique.
Au total, lorsque les deux conditions Bz (M) et By (o~ = O sont réalisées, on voit que sur chaque parallèle ~ Ox:
:Fl (~ = ~ F2 (X) et ~ 1 ~x) dans le prcmier quar-t de la cuve, = - ~ (x) dans le deuxième quar-t de la cuve~
~égalité des forces conduit à unc int(?rface bain-métal en forme de dôme symétrique dont la flèche est minimale.
~a figure 4 représente, dans le cas d~une cuve clas-sique de 115 000 ampères, et en correspondance avec la figure 3: en traits pleins, ]a forme cn dôme dissymétrique~ et flèche importante (jusqu'à 4 cm) dan~ le cas d'une courbe Bæ dissy~
métrique (trait plein) et la forme en dôme symétrique à I'aible flache (environ 1 cm) dans le cas Oil Bg est antisymétrique par rapport à lP~xe Oy, c'est-à-dire apres mise en oeuvre de l'invention.
~a force dissymétrique provient, dans le premier cas, du fai-t que l'ensemble des forces positives de R a P, Fl (x) est environ trois fois plus grand que l'ensemble des forces négatives - F2 (x), de P a S.
Déterminons maintenant le~ forces transversa:lcs, selon les parallèles cà Oy avec les m~mes conventions que pour F (x) on a:
O O

~1 (Y) = ~3z ~x dy 1 Jx z Y
a a . ~a F4 (y) = J iz ~X dy - J j~ By dy ~:
O O
Ces forces transversales ~ont beaucoup plu5 faibles que les forces longitudinales ~ (x) car el.les s~excrcent sur des lon.gueurs plus courtes (largeur de la cuve).
Or:
~ x~ dans une cuve bien construite est nul, j~ est constant Dans une cuve e~n long, don-t les conduct;eurs sont habituellement disposés symétriquement par rappor-t au pl.an x OZ~7 Bx es-t antisy~étrique par rapport ~ Ox. I] en resulte que:
Fl (y) - - F4 (y) et que ~ 1 (Y) sur le premier quart de la cuve = - ~ 4 (y) sur le ~uatrième quart de la cuve.
On arrive à la conclusion que, 5i l'on construit une cuve dans laquelle:
By (o) et Bz (M) = O
1/ On diminue la valeur des champs maximaux qui, pour Bz e-t By, sont situés à la périphérie de la cuve.

2/ IJes forces de I,aplace seront minimales 9 égales et opposées par rapport aux axes Ox et Oy.

3/ Il en résultera unc sur:`ace de llinterface électrolyte-nappe d'aluminium liquide, stable e-t pratiquement horizontale.
Il peu-t ê-tre également avantageux dlobtenir la réa-lisation d~ une condition supplémentaire, rel.ative à la compo-sante By au centre, qui es-tO
dByO (centre) dz Bien que ce gradient soit généralement assez faible, on peut chercher dans la mesure ou les différentes condi-tions sont compatibles entre elles, à la rendre aussi proche que pO9-sible de zéro3 ce qui revient, en fait7 à annuler By dans toutellépaisseur de la nappe de métal liquide, qui est ~aible e-t qui ne varie que de quelques centim~-tres par rapport à son niveau moyen.
~ e probl.ème à résoudre étant ainsi posé, l'invention a pou.r objet un procédé permettant de réaliser les deux con-ditions B~ (o) et Bz (M) = 0 et éventuellement la -troisième condition Y = o~ caractérisé par une disposi-tion particu-.
dzre des conducteurs de liaison entre les différentes cuves d'une série d~ns laquelle elles sont disposées en long, tenant compte en outre, de l'influence du champ ma~nétique d'une file voisine lorsque les cleux filcs sont situées ~ ~le di.stance suf-fis~mment rédui-te pour qu'on ne puisse plus négliger cette in-fluence. ~'inv~ntion s'appl.ique aux cuves ~n long alimentées soit par les deux têtes, soit par la tête amont et au moins une montée latérale sur chaque co-te.
De f`açon générale 7 les conduc-teurs négatlfs (conduc-teurs de liaison entre les cuves) son-t d.isposécs symétriquemcnt par rapport au plan médlan xOz. En se référanl à la figure 1, on désignera par Y et Z les coordonnées de ces con~uctcurs dans le plan xOz.
~ e procédé est alors caractérisé en ce que lt`S con-ducteurs négatifs sont di.sposés parallèlemen-t à l'axe Ox et :, ' .

passent ~ensiblement par de~ points dont les coordonnées Y et Z
3atisfaisan-t un premier système d~équation, permettent de réali~
ser le~ deux conditions By (o) = O, et ~z (M) = O, ou, ce qui revient au même, ~z (M) antisymétrique par rapport à l'axe Oy;
il est également caractérieé en ce qu~on s~efforce que les coor-données Y et Z satisfassent, au moins approximativement à une troisi~me ~equation~ permettant de rcaliser la condition sup-plémentaire Y~ = O ou tout au moins, de ~'en approcher au- :
tant que possible dans la mesure où les sol.utions sont compa-tibles entre elles.
Il est enfin caractérisé en ce que, outre les.condi-tions précédentes~ le champ de la file voisine e~t compensé au moyen d'un conducteur auxilaire disposé le long de chaque file dans lequel on fait circuler un courant continu de sens inverse à celui du courant circulant dans la file, et dont llintensité
est ~ournie par la résolution d'un système d~équation tenant compte des diverses influences magnétiques sur chaque cuve.
On examinera successivement le cas d'une série com-portant deux files de cuves suffisamment éloignées pour ne pas introd.uire d'e~fet de file voisine 9 pUis le cas ou il y a un ef~et de file voisine, et dans les deux cas, on distinguera lescuves classiques alimentees par les deux t8tes et les cuves alimentées par la tete amont et par des montées centrales, telles qu1elles ont éte décritee dans le brevet français n 2.378.107 publié le 18 aout 1978, au nom de la Demanderesse et dont la structure est rappelee sur la figure 5, dans le cas d'une montee centrale de chaque cote.
On convient d~appeler ~ la fraction de courant alimen~
tant la tête amont A et (1 - ~) la fraction de courant alimentant 3~ la t~te aval B ou les montées latérales, selon le cas (f.iguxes 5 et 6~.
On va maintenant déterminer la posi-tion des conducteurs negati~s~ :Fonc~ion du parr~metre ~.
De façon à simplifier les calculs, on cherche quelle doi-t être l~in~ensité constante, dans un conducteur, qui mis à
la place du croisillon d'une par-t, et de chaque collecteur néga-tif d'autre part9 créerait le m~me champ magnétique qu'eux.
On trouve, alorsp les inten~ités dites équivalentes figurant dc~ts le tableau I ci-dessous, qui ne sont valables que pour des points situés dans le plan médian yOz.

TAB~U I

( in-tenSit6- ctlve9 à montées centrales . cuves classi é uivalente- (:figure 5) (flgure 6) d . ~I dans tête A ~1 dans -t~te A
ans. (1-~) dans montées centrales ~-~)1 d~ns tête ( croisillon- 0,5~ - 0,5) I
~ collecteur- (0 5 0 25~) I (o,75 -- O,S~ ) I }

A/ CAS D~UNE SURIE ~nMPORr~ANr~ Ul~E SEU~E FI~E OU DEUX FI~ES SUF-FIS~ENT EI.OIGNEES POUR QUtIL N'Y AIl PAS DlINrrERAcTIo~
~, . . .... . . ,....; .. ~
MANGETIQUE EN~E EI~LES
Cas nlo Cuves alimentées e~ une t~te et dcs montées centra-l(s t~`ig. 5) 1) Real_sati_n de la condition ByO - O
By~ d~ au croisillOn 2 x 0,5 ~I.kl_ = ~I kl_ formule dans laquelle kl e~t un coefficient expérimental qui tlent compte du fait que le cxoisillon es-t fo~mé, en pxatique, de deux branches et de la discontinuité duc ~ l'in-tervalle entre les croisillons de chaque cuve d~une file. kl est presque tou-jours voisin de 079 et nous conserverons cette valeur par la ~ sui-te~
h est la hau-te~r du croisillon au~dessus du plan de ré~érence xOy.
by~ d~ au collecteur negati~ y~ du au collecteur négatif 2_ 2~

2 (0~5 - 0~5 ~) I x . ~ 25 ~) I Z
2~~ z2 ~ ~ y2 ~ z2 ~ y2 ~ z2 est égal ~ : b~a(croisillon) + byO (collecteur 1) -~ byO
(collec-teur 2) et doit être égal à 0.
soit~ O 5 ~ + _~ _ = O
y2 + z2 2 h d'où l'on tire:
y2 + z2 = ~ 0,5 ~. 2h z O , 9 C( En posant ~ - (1 - 0,5~) 2h (1) 0,9 O~ :
On a: y2 + z2 + ~1 Z = O (2) 2) Réalisation de la condi-tion B (M) = O
________________.____ _______z_~______ :bz (M) dû au croisillon=

kl x a = _~
~a2 + h2 ~ aZ + h2 bz (M) d~ au collecteur 1:
- 2 (0~5 - 0~25~ ~ I Y - a = - (1 - 0?5~)_I (Y - a) x ~ ~ z~ ~ (Y -- a)2 ~ ~ (y - a) + Z
bz (M) d~ au collecteur 2:
2 (0,5 - 0,25d )I x Y ~ a (L - ~,5 ~) I (Y
(Y - a)2 + z2 (y + a3 + Z (Y -~ a) -~ z ~a condition B~ (M) = O s~écrit:
bz (M) oroisillon + bz (M) collecteur 1 ~ bz (M) collecteur 2=0 c'est-à-dire:
_ _ I (1 - 0~5 ~ _ Y - a +_ Y ~ a _ (y ~ a)2 + z2 (y + a)2 z2 a2 + h2 ou en effectuan-t:
z2 _ y2 + a2 -O 9 d (3) ~.. . , _ z2 + y2 a2)2 + 4a2Z2 2 (a2 ~ h2) (1 - 0,5d 3 On remarqlle que I a disparu, ce qui prouve que la solution sera indépendante de l'intensité traversant la cuve. `~
En posant ~ = -O 9 ~ (~3 z ~ ~ ~ ,~
2(a + h ) (1 - 0,5a) On a aussi r = z2 _ y2 ~ a2 (z2 ~ y2 _ a2)2 + 4a2Z2 En utilisant la valeur de y tirée de l'équation (2) on obtien-t l'équation du deuxième degré: en Z
t 2 ~ 2 2) z2 ~ (1 - 2a2~)`Z -~ a2 (~a ~ O (5 qui permet d'obtenir la valeur de Z que 1'on reporte dans l'equation (2) pour obtenir la valeur de Y.
33 Réalisation de la condition- dBy~ = o On a: ByO dû au croisillon: I kl ~
h h dB O _ O 9~ I
y_ _ ~
dz h' b~o dû aux collecteurs négatifs:
b O = 2 x 2 x (0,5 - 0,25d) I . Z ~ ~ - dZ
Y z2 + ~2 (Z ~ DZ)2 ~ ~2 - (2 - d) I x dz 2~ (y2 Z2)2 On doit a~oir: dby (croisillon) + 2 dby (collecteurs) -- O
soit . 0~9 ~(2 - ~) I (y2 _ z2~ O
h2 (y2 ~ Z2)2 y2 z2 o u - - ~
(y2 + Z2)2 (2 - ~) h2 En posant, comme précédemment ~ =
099 ~
~a condition ~'écrit~ Y ` =2Z2 (Y ~ Z ) h On remarque que:
1 - ~ et ~^sont fonctions du paramètre d 9 défini plus haut. On obtient donc les solutions9 c~est-a-dire les valeurs de Z et Y, sous forme d~une courbe qui est le lieu géométrique de la posi-tion des conducteurs négatifs~ qui realisent les conditions .,,;

posées au départ.
2 - Les équations (5) et (6) sont indépendantes de l~intensite, dans la mesure où a et h ~ui interviennent dans ~ e-t~ sont constan-ts. En fait~ "h" hauteur du croisillon ne dépend pas de la taille des cu~e~ et "a" demi-largeur du système anodique peut ne pas varier si l'on procède ~ l'augmentation de la taille des cuves par simple allongement du syst~me anodique selon Ox.
En pratique, "a" varie assez peu, et vaut, par exemple, 1,20 mètres pour une cuve de lOO 000 ampères et 1,50 ~tres pour une cuve de 200 000 ampères. Au-delà, pour dcs raisons tech-nologiques~ on n'augmente plus "a".
APP~ICATIONS PR~IQUES
EX~M~LE 1 On a appliqué les resultats ci-dessus à une série de cuves de 100 000 .~mp~rcs, ~ montées centrales, pour laquelle h (hauteur du croisillon au-dessus du plan xOy) = 1l77 m et a (demi-largeur du système anodique) = 1,175 et comportan-t sur chaque grand côté~ 11 barres de sorties cathodiques. Dans des conditions, ~ne peut donc varier gue par frac-tion de l/ll.
Mais on peut aussi envisager des variations continues de la va-leur de~ en jou~nt sur la résistance élec-tri~ue dcs conducteurs de ]iaison.
On a considéré six valeurs de ~: 2/ll (0,182), 3/ll (0,273)~ 4jll (0,364) 5/ll (0,455), 6/1] ~0,545~ e-t 7/11 ~0,636 L~application des formules l à 5 donne les résultats suivants:

TA.BI,L;,AU 2 ( ~ c~te ~ Y cote 2 ~ en m en m t ~ . _ 0,1~2 : 6,00 :- 2,04 0,273 : ~,38 ~ 0 0,364 : 3,3~ :1,57 ~
0,455 : 2,68 :- 1,35 ~ -0,546 : 2714 ~),6~6 . 1,66 ~ 0,~
~: IO
N.B.: le signe ~ signifi.e que cette cote est valable : pour les conducteurs negatifs dispo3és de cha~ue côté de la cuve.
Ces valeurs ont été reportées sur le diagramme, figure 7, qui est, en fait une demi-coupe transversale d'une cuve en long, passant par le point central 0~ ~es lignes bor-dées de hachures indiquent llencombrement extérieur du caisson : de la cuve.
On constate que pour des vaLeurs de ~ supérieures à
0,55, les conducteurs devraien-t se trou~er à l~intérieur de la cuve. Pour des considérations economiqucs, et d'encombrement, on peu-t donc choisir dentre 0,35 et 0,55.
On va maintenant chercher à réali.s(.r si.mu:Ltanément:
1 - ~es conditions ~y = O et By~= O
2 - I.e9 condi-tions Bz (M)= O et ByO- O
et voir 9i les soLutions sont compatibles entre elles, tout au moin.s de f~çon approchée, et si les trois conditions peuvent etre realisées si~ultanement:
La condition B O . O implique z2 ~ y2 ~ z = o ou y2 = _ ~ z _ z2 (6~) En portant la valeur de y2 dans (6), il vient:
_ ~uZ -_7,_ - Z
__ _ __ Z ) ~

soit en résolvant:
Z = ~ (7) ~ ~ 2h En introduisan~ cette valeur de Z dans (6A), on trouve Y.
On pourra donc tracer, sur un diagramme, les courbes (Y,Z) = f (~) qui sa.tisfont d~une part dByO = o et ~ O et d~autre part Bz (M) = O et B O= O et voir si leur intersection d,onne 9 pour la position du conducteur9 une valeur accep-table.
EXEMl~E 7 On cherche à réaliser simultanément les trois conditions:
dByO = O, ~ = o, ~z (M) =

On a~oute au tableau I, pour faciliter le tracé de '`'`
la courbe, Y~ Z = f (O satisfa:isant Bz (M) - O et B~ ~ 09 une valeur de ~ - 0,6 qui donne Y = -1,86 ct Z = - 0,98.
~'uis on t.race la courbe Y, Z = f (~), satisfaisant les de w~ équations d~y~ = o et ByO O. On -trouve:
dz TA~ _U_ ( d ~.
0,1~2 :5,22 : - 1,49 0~273 :3,91 - 1,38 0,364 :3,10 : - 1,26 0~456 :2l53 : - 1,16 0l546 :2,10 : - 1906 ( 0,6 ~ 6 : - 0~98 0,6-36 :1,77 : - 0,96 On voit que les deux courbes se coupcnt en un point de coordonnées Y = 1,96, Z = 1~01.
Ce poLnt correspond a une po~ition du co~ducteur ~ -~]4-l'intérieur du caisson, mais en pratique, on peu-t prendre un point voisin, à l'ex-térieur; les deux courbcs ne s'ecartant que lentement, la solution reste encore acceptable.

E~ P~
On a appliqué les m~me~ résultats ~ une cuve de 200 000 ampères, pour laquelle h = 1,77 m, a = 1,50 m possèdant également 1] barres cathodiques sur chaque grand coté. On obtient les valeurs suivantes:
~AB~EAII 4 .

-- . ) Y Z
.
( 0,182 : 6,36 : - 2,34 OJ273 : 4,5~ : - 2,01 0,3~4 : 3,4~ : - 1,70 0,455 : 2969 : - 1,36 ~ 0~54~ 99 : - 0,91 Sur le diagr~nme9 figure 9, on cons-ta-te ~ue les cour-bcs de ~, Z - ~ (d) son-t très voisines pour lOO 000 (~mpères et 200 000 ampères, mais que la valeur ~ - 09546 conduit à une i.mpossibilité géométrique.
~ e~ deux courbes seraient d'ailleurs en colncidence si l'augmentation d'intensité avait été obtenue par le seul allongement de la cathode. En réalité, on a aussi élargi les anodes (fac-teur "a"). Sinon9 a et h étant constants, il en serait de même pour ~ et ~ et l'équation (5) étant indépendante de l'intensité, les courbes ~9 Z - f (~) scraient identiques.
Cas n2: Cuves classi~es ~fi~ure 6)_alimentées par les deux t~tes du croisillon. ~as de file voisine. T,a tete A (amont) ~0 re~oit une intensi-té ~I9 la t~te B (aval reçoi~
~e calcul est identique mais les intensités équiva-lentes (voir tableau I) du cro:isillon et des col:Lecteurs né-gatifs étant différ~ntes, les nouv~l1.es valeurs de~'et~sont les suiva~-tcs:

~u ..- (1,5 - ~) 2h _.. ou, avec kl = 0~9; u' =- ( ' ~? ~ ) kl (2~ ' 0~9 (2~

~, = ~ L- - - ou avec kl ~ 0~9 ~'~ 29 ( ~ ~ ( 2(a ~ h ) (1,5 -~) 2(a + h ) (1~5 -~) ~es équations (10) et ~11) sont donc identiques à (2) et (5), soit:

y2 ~ z2 + ju'Z - 0 (10) (u,2 ~ ~ 4a2 ~ _ 2) z2 _ ~t (1 ~ 2a2 ~ z ~ a2 ~a2 _ 1) = 0 (11) EXEMP~E ~ :
En fonction du résultat ci-des~us, on a dét;e~niné la position des conducteurs négatifs pour une cuve classl~ue de 100 000 ampères, avec croisillon alimenté par les deux t~tes avec h = 1977 m et a -- 1,175 m et compor-ta~nt également l:L bar.res de sorties cathodiqucs sur chaque grand côté.
~ABLE.~U 5 , ( . cote + ~ en m cote ~, en m /11 - 0,'~6 : .9,~4 : - 2,2 7/1.1 = 0,636 : ~.,3~ : - .l.,~0 0,7 , : 3,07 : - 1,4 8/11 = 01725 : 2,68 : - 1,34 0,8 : 1.~6 : - 0,9~j (9/1~. - 0,~ ,66 : - 0,~1 Ces valeurs sorlt reportées sur le diagramme, Ligure 10; on constate que ~- 0,~ condl1it ~ unc impossibi:li.-te, e-t ~ue, ~our de~ raison~ économiques, on e~-t condui-t à choisi..r (~nt.re 0,6'j ~t 0~75.

B/ CAS D~UI;~E S1;JRIL~ COMPORT~ D:~,UX F~ ;,S. VOISINI~'S D~S UN M:E.~II3 Bl~IM E1~
~ n pratique, la solution économi.que est d'installer lcs deux Eiles de cuves dans le m~me b~timent.
On introduit alors un champ ver-tical d~ à la file voisine~ assez uniforme en valeur et de même signe . si 1 ' on appelle bz (cuve~ le champ vertlcal de la cuve avec sa file, et bz (file voisine) le champ vertical induit par la file voi-sine, on voit~ sur 1~ diagramme figure 11, qu'il est impossible dtob-tenir simultanément:
Bz (M) = bz (M) (cuve) -l~ bz (M) (file voisine) = O
e-t Bz (N) = bz (N) (cuvc) -~ b2 (N) (file voisine) =O
car bæ (M) cuve = ~ b~ (N) cuve, puisque bz est antisymé-trique par rapport c~ Oy, alors que bz (M~ 6file voisine) est sensib].e-men-t égal a bz (N) (file voisine) et de m~me signe.
Sur cette figure 11, la courbe 1 représente la va-riation de bz (cuve) sans file voisine, le long de M.O.N, la courbe 2 représente la vari.ation de bz (file voisi.ne) le long de M.O.N, e-t la courbe 3 représc1rlte la vaxi.-~-tion dc .Bz (cuve l ~i.l.e voisine~ le lon.g de M O.N.
I]. fau-t don.c compenser l.'e.ffet de la flle vo:isine.
~)n a déjà, pour cela, proposé anterieurement un cer-tain nomb-re de solutions, par exemple9 celles qui font l~obje-t du bre~e-t franais n 1.079.131 (Compagnie .P~CIIINEY) 9 dans lequel on pro-pose de créer une boucle élec-tr.iquc au-tour de la cuve, et du brevet :Erançais n 1.1~5.548 (Ele~strokemisl; ~.S.) dans lequel on proc~de ~ une ~limentation dissymé-trique des -t~tes A et B, de meme que dans le brevet français n 1 586~67 (Vsesojuzny Nauchnoissle~ovatelsky i Proektny Institut Aluminievoi) ou da~s le brevet :Erançais n2 333~060 (All~linium ~echiney) où l.~on propose de pos1.tionne-c différentiellement les collecteurs né-gati~s de chaque côté de la CUVC . Ce8 deux dern:iares ~olutions diminuent .sensiblement l'ef~et de file voi.sine, mais non uni-formément sur l'ensemb].e de ]a cuve. D'au-tre part, by (cuve) et bz (cuve) ne sont plus antisymétriques par rapport à Ox.
On c.rée, de ce fait, une dissymétr:ie des forces de ~apl.ace en Fy.
~ a méthode que nous allons décrire maintenant utilise un conducteur de compensation parcouru par un courant -i qui circule en sens inverse du courant I de la série~ situe du côt& extér.ieur des deux files de cuves, et placé ~ une distance minimale du caisson, compatible avcc la sécurité électrique.
Une méthode analogue a déjà été d.écrite dans le brevet américain no. 3 616 317. Il convient cepend.ant de la rendre compatible avec les conditions posées préc~demment, et en particulier avec l'obtention de ByO - O et de Bz (M) = O.
~ a figure 12 est ~e coupe schéma-tique d'une salle d'électrolyse (1) comportant deux files voisines, dont on a représcnté uniquement les systèmes anodiques 2 et 3~ et, dans lesquelles les cuves sont di.sposées en long. ~es conducteurs de compensation sont en 4 et 5. ~es conducteurs d~ liaison des cuves sont omis pour ne pas surcharger le dessin. Les f].eches arrondies schéma-tiserlt les sens du champ ma,~lé-tique creé par cha~ue conducteur de compensation.
On appclleo a: la demi largeur du système anodi~ue d: la distance du conducteur de compensation au bord ex-térieur de 11anode ~: la distance en-tre les bords interiellrs dcs système5 anodiques des deux files de cuves E: le champ produi-t par le conducteur de compensation en M
(c8té intérieur) F: le champ produit par le conducteur de compensa.tion en N
(c~té extérieur) e: 1~ champ de :I.a ~i].e voislne en M

: le champ de la ~ile voisine en N
m: le champ b~ d~ la cuve sans ef~e-t de file voisine On a, en tenant compte, des deux conducteurs de compensation:

F. = 2 i ~ 2 d ~ 4a + ~ (12a) d2 ~ d (4a ~ Q) ~ 4a2 + 2a F = - 2 i - 2d ~ 4a ~ Q _ _ (12b) d2 ~ d (4a + Q) On en déduit un rapport K
~ d ~ d (~a + Q) ~ ~12 ~ ~ ~ 2 2 ~ c~
d + d (4a ~ 4a ~ 2a Q
Q et d sont des valeurs fixées ~ la construction et prati~uement indépendantes de la taille des cuves.
K varie avec "a" mais assez faiblcment, comme le montre l~équa--tio~ (12c).
Pour une série de cuves dont la distance entre anodes Q = 7340 m et dont la distance entre le conducteur de compensation et le bord extérieur de l'anode d = 1,80 m, on trouve:
Pour une cuve d~-~ 100 000 ampères, où a = 1,175, identi~ue a celle des exemples 1 et 3: K ~ 0,52.
Pour une cuve de 200 000 ampères, où a _ 1,5, identique à cclle de l~exernple 2, k - 0,47.
On peut donc se baser sur une valeu.r de K = 0~5.
On va maintenant chbisir un schéma de cuve pour la-quelle :La valeur du ch~np ver-tical bz (sans ~ile voisine) soit m au point M, et donc -rn au point N.
On détermine M par les é~uatLons~
m ~ e ~ KF = O
-m ~ F = o ~où les valeurs:
Kf - e (l~a) 1 ~ k F = _ ~ (13b) c (e + f) K (13c) 1 -~ k e et f sont directement proportionnels ~ i9 et ].es valeur~ de m, E et ~ seront donc également proportionnelles à i. On peut donc définir 3 caractéristiques:
~ M
m =

F' = F
I
.E' = E

I
valables pour toutes les cuves disposées en long, en p~enant I, par commodité~ exprimé en kilo ampères.
K étant voisin de 0,5, les équations peuvent siécrire, en prati~ue:
m - 0~5 f ~ e 1,5 1,5 ~) .~I'.P.~ICATIONS :L'R~TIQUES
~0 EXEMP~E 5 Pour un.e sé~ie de cuves de 100 000 amp?~res, i.dentiqu.es ~ cel.les des exemples 1 et 2, les valeurs du champ verti.cal d~ à la fi.le voisine en M et N, avec 1 = 7,40m et d - 1,80 m son-t respective-ment (valeurs mesurée~):
e = 24 9 4.10 4 Tesla f = 18,9010-4 Tesla on a:
K - 09 ',22 - d'apr~s l'equation (12c) m' = - 0~0955.10 4T/1000 A - dlapr~s l~équation (13a) Fl - 0,284.10 4T/1000 A - d~apr~s l~é~uation ~1.3b) E' - - 0,149~10 4'~/1000 A - dtapr~s l'équation (].3c) ~0--42~

D'où i', int~nsité dans le conduc-teur de compens~tion, d~aprè3 l~equation (12a) ou (l~b) = ~26 A/1000 A
soit 22,6 % de I~
On vérifie qu~aux points M et N, on a bien:
~z (M) , ~z (~) = o E:n M - - 9,~.10 4~ - 15.10 4~ ~ 24 9 4.10 4~ = O
En N = ~ ~,6.10 4T - 28,4.10 4T = O
EXEMP.I,E` 6 __ Avec les m~mes cuves que dans les e~emples 1 et 3, on a réduit la distance d ~ 1,20 m (cet-te réduc-tion n'est pos-sible que si la disposition des cUYeS le permet). I1 en résulte une diminution importante de l'intensité i d~ns le conducteur de compensation.
On a:
K -- 09~1 m' . - 0,1184.10 4~/1000 A
t = _ 0~307~10 ~T/1000 A
E? - - 0,126.1.0 4T/1000 A
i1 .- 169 A/1000 A soit 16,9 ~p.
On vérifie qu'aux points M et N, on a bien Bz (~) - Bz (N) = O
l~n M - - 11,8 - 12,6 + 24,4 = O
~n N = ~ 11,8 ~ 30,'1 ~ 18,9 = O
En conclusion:
Si l~on réalise un~ cuve dont le champ m' par 1000 amp~res au point M es-t égal à ~5 f e en 10 4T9 on obtien-1,5 . I (ka) :
dra un champ total Bz nul en utilisant un conducteur dc com-pen~a-tion parcouru par une cour~l-t i qui sera .~onction de sa distance au bord extérieur de l'anode.
~orsque llon transforme une ancienne série pour des ~o raisons de sécurité électrique et d'en.combrement, d sera voisin de 1,80 m et l'intensi.té i du conducteur de compensati.on sera dans ce cas de 22~6 ~0 du courant I de la série.

Dans 1~ cas d'une séri.e ncuve d pourxa ~-trc plus faibl e car i.l sc si tuera dan~ un caniveau indépendant isolé de la série. Pour d = 19 20 le courant de compensa-ti.on ne sera plu~
que 16,9 ~ du courant I.
Cette méthode permet donc dc minimi.ser le co~t d?in vestissemen-t, et la consomma-tion du conducteur de compensation.
Cette mé-thode de compensation va main-tenant être combinée avec la méthode précédemment décrite, visa~t à rendre 13z (m~ et By (o) nuls.
Cas n 3: Cuves à montée centrale (fi~ure 5). alimentation du . .

~ ) I. Ontient com~te ~e la file voisine Da~ns ce cas, la condi~ion B O = O ne change pas car la file voisine et le conducteux de compensation ét~-t sensi-blcment dans le pl~n du métal, ils n1ont pa~, d~ac-tion sur By.
On a donc les m~mes équations que (2) et (5) du cas nl.
g2 + y2 ~ ~z = O (~.4) avec u~ 0,5d) 2h ou = (1 - 0,5~) 2h. (15) kl~ 0,9~
rar contre, la condition Bz (M) csi; mo(ll~iée:
On a:
bæ (M) croisillon + bz ~M) collecteur 1 ~ bz (M) collecteur 2 = m l~n reprena~-t, le m~me calcul que da~.s le ca~ nl, on trouve:
m~k] a 2 2 2 a2 ~ h2 Z - Y ~ a - -- x (z2 ~ y2 ~ a2)~ 4a2~ 0,5~) 2a En posant:
m~ ~ kl a. 0,9~ . a 2 ~ h2) (~2 ~ h2 -- ~ ~ ~ soit9 a.vec Ic] = 0~9 =
(1 - 055~) 2 a ~1 - 0,5~)2a z~

On a:

z2 _ y2 ~ a2 (z2 ~ ~2 _ a2 J ? ~ ~a2Z2 En tirant la valeur de Y de l'équation (14), on obtient l~equation du 2eme degré:
(~21~fl ~ 4 a?~l - 2) z2 ~ 2a2~1) Z + a2 (~1a2 - 1) = O (16) ce-tte équation est identique à. l~équation (5) du cas nl~ sans file voisine, a~ec .un nouveau coefficient~10 ~lle permet de calculer æ que l~on reporte dans l~équation (14) pour obtenir Y.
r3XEMP~. 7 __ . On considère des cuves de 100 000 amp~res identiques à celles des ex~mple 1 et 3, placées en deux files par batlmcnt, avec une dlstance entre anode 1 = 7,40 m et un conducteur de compensation placé ~ une dl~tance d = 1,80 m comme dans l~exemple 4.
On calcule de la même façon et avec les m~mes conventlons pour ~:
~ EAU N6 ZO
( Y en m ; Z en m 0,1~2 : 3,~3 : _ o,7 0,273 : 3,26 : - 0,'~2 364 : 2,76 : ~ 0,96 ~0,455 : 2,31 : - 0~92 Sur la flgure 13, la courbe 1 en polntllles correspond à la solution du ca.s nl, la courbe 2 en trait plein9 correspond à
la solu-tion tcnant compte de la flle voisine. On cons-tate que, pour des raisons pratiques et cconomlques~ on cholsira ~ compris ~23~

entre 07 35 et 0,50.
XI~MP~E 8 On consi.dère des cuves cle 200 000 ampères, identiques à celles des exemples 1 et 39 mais placées en deux files par b~timen-t~ avec une distance entre anodes 1 = 7,40 m et un conducteur de compensation placé à une distance de 1~80 m comme dans l~exemple 5.
On obtient d~ la même façon, les valeurs de ~ et z qui sont reportées sur le diagramme9 figure 14.
TAB~U N 7 0,091 : 5,01 : - 0,62 0,1~2 : 4,24 : - 0,92 ~ 0,27-~ : 3,54 : - 1,10 ( 0,~64 : 2,92 : - 1,10 ~ 0,455 : 2,35 : - 0996 (~
Cas n4: Cuvcs classiclu s (~igure 6)_com~tant un crolsillon alim ~ tete amont (~) sous ~nc intensl-té ~:L et par -_ t~te aval (B), sou~ une intensite (I
On tien-t comp-te de la filc vois.ine.
JJe calcul es-t identi.que à celui du cas nl, mais les intensités équivalentes du croisillon et des col.lecteurs néga-t.i:~s é-tan-t dif~érents, on aura de nouvelles valeurs pour ].es coefficients ~ et V

Réali~ation de la condition By (o) = O

~ 5~ 2h ou (1,5 -~ ~.h_ (17) ~1 (2~- 1) 0,9 (2~ - 1) ~ nlétant pas influence par la file voisine9 ni. par le conduc-teur de compe.nsalion situc dans le pl~l xOy, du métal, on a:

~24~

y2 ~ ~2 + ~'l Z = (~) Réalisation de la cond.ition Bz (M) : O
~a nouvelle valeur de ~ ~l es-t :

(2~ - l) kl a 0,9 (2~- l) a m~' ~ a2 ~ h2 '~ m' -90i t (avec kl=O,9): - -1,5 - ~) 2 a (1,5 - ~) 2a ~'équation (19) donn~nt ~ est la même que (16) avec l.es nou-velles valeurs de ~'~ et ~'l :
(~l V'l + 4 a2 'l ~ 2) z2 _ ~1 ) Z + a2 (~ l a2 _ l) .= o (l9) F,XE
On considère des cuves classiques (figure 6) de lOO 000 ampères ? iden-tique~s à ce:lles de llexemple 4, p].a.ce~es en deux :files, dans le m~me bâtiment, avec une di.s-tance en-tre a~odes, 7,40 m et un conducteur de compensation placé à une~ distance d = 1~80 m (con~e dans l'exemple 5).
On obtient~ de la même façon, que dans les cas précédents, les - valeurs de Y et Z:
'rA13Ll~`l\U ~3 !
~0 ( 0,546 :4,50 : _ o,50 ( 0,636 :3,33 : _ 0,97 0,'727 :2,36 : - 0,97 ~ _ . .. ________ r ~_r~ ~ _ ~ _ __. ._. _ __._._.__ qui sont repo~-tt,~es sur le diagramme, figu~e 15.
CONC.~USION
Il résulte de ces di~férents exemples, comp-te--tenu dt,~s considérations. pra-t.iques e-t economiqllt-?s qui conduis~nt à ne pas ~'alrc passcr les conduc-tt?urs à une distance e~xagéree tle la cuve ni à son contac-t di.rt?ct, que pour la. mise en oeuvre de l~i.n-2~
vention l'on cholsira le coef`ficient ~ de ré~art,ition du couran-t:
cgal ou inférieur à 0,55 da~s le cas de cuves alimentées par unc t~-te et au moins une montée centrale de chaque coté 9 et de pré-~erence5 compris en-tre 0,45 et 0,55, egal ou in:~érieur à 0,75 dans le cas de cuves classiques alimen-tées par les deux têtes, et de préference, compris entre 0,75 et 0,65.

-2~-

Claims (7)

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

1. Procédé de réduction des perturbations magné-tiques dans les séries de cuves d'électrolyse à haute intensité
pour la production d'aluminium, disposées en long, chaque cuve étant alimentée en courant à partir de celle qui la précède à
la fois par la tête amont sous. une fraction ? de l'intensite, et par au moins un autre point situé entre la tête amont et la tète aval incluse, sous la fraction (1 - d) de l'intensité, caractérisé en ce que l'on annule la composante horizontale longitudinale By du champ magnétique au centre de la cuve et qu'on rend antisymétrique la composante verticale Bz du champ magnétique par rapport à 11 axe Oy en disposant les conducteurs négatlfs de façon qu'ils soient parallèles à l'axe Ox et passent sensiblement par les points de coordonnées Y et Z satisfaisant les deux relations:
dans lesquelles µ et ? sont des coefficients indépendants de l'intensit,é et dtpendan.t unique-ment de la d.em.i-largeur "a" du système anodique de la hauteur "h" dll croisillon au-dessus du plan cathodique de référence xOy, et de la fractiont? de l'in-tensité alimentant la tête amont de chaque cuve.

2. Procédé de réduction des perturbations magnétiques dans les séries de cuves d'electroyse à haute intensité selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on annule, en outre, le gradient vertical de la composante horizontale du champ ma-gnétique au centre de la cuve en déterminant les coordon-nées Y et Z des conducteures négatifs de facon qu;elles satisfas-sent, au moins approximativement, a unc troisième relation:

3. Procédé de réduction des perturbations manéti-ques dans les séries de cuves d'electrolyse à haute intensité
selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour une cuve alimentée en courant par les deux têtes, la tête amont recevant une fraction du du courant total, les coefficlents µ
et permettant de fixer la position des conducteurs négatifs sont déterminés par les relations:.

4. Procédé de réduction des perturbations magnétiques dans les séries de cuves d'électxolyse à haute intensité selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour une cuve alimentée en courant par la tête amont et au moins une montéè
centrale, de chaque côté, la tête amont recevant une fraction du courant total, les coefficients µ et ? permettant de fixer la position des conducteurs négatifs sont déterminés par les relations:

5. Procédé de réduction des perturbations magné-tiques dans les séries de cuves d'électrolyse à haute intensité
selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on choisit le coefficient ? de répartition du courant:
-égal ou inférieur à 0,55 dans le cas de cuves alimentées par la tête amont et au moins une montée centrale de chaque côté, - égal ou inférieur à 0,75 dans le cas de cuves classiques alimentées par les deux têtes.

6. Procédé de réduction des perturbations magnéti-ques dans les séries de cuves d'électrolyse à haute intensité
selon la rev. 5, caractérisé en ce que le coefficient ? de ré-partition du courant est compris entre 0,45 et 0,55 dans le cas de cuves alimentées par la tête amont et au moins une mon-tée centrale de chaque côté,

7. Procédé de réduction des perturbations magnéti-ques dans les séries de cuves d'électrolyse à haute intensité
selon la rev. 5, caractérisé en ce que le coefficient ? de ré-partition du courant est compris entre 0,75 et 0,65 dans le cas de cuves classiques alimentées par les deux têtes.