CA1125226A - Procede de compensation du champ magnetique induit par la file voisine dans les series de cuves d'electrolyse a haute intensite - Google Patents
Procede de compensation du champ magnetique induit par la file voisine dans les series de cuves d'electrolyse a haute intensiteInfo
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Abstract
L'invention concerne un procédé de compensation du champ magnétique induit par la file voisine dans les séries de cuves d'électrolyse à haute intensité, placée en travers. On dispose, le long de chaque file, du côté intérieur et/ou du côté extérieur, un conducteur de compensation parcouru par un courant continu, qui induit un champ antagoniste neutralisant le champ parasite de la file voisine. En réglant l'intensité dans chaque conducteur et la distance entre le conducteur et la file, on obtient une excellente compensation. Application aux séries de cuves d'électrolyse ignée, à très haute intensité, pour la production d'aluminium.
Description
Z~ Z6 La présent~ invention concerne un procédé pour compenser le champ magnétique induit par la file voisine dans les séries de cuves d'électrolyse ignée a haute intensité, disposées en travers par rapport à l'axe de la série. Elle s'applique particulièrement aux séries de cellules d'électrolyse ignée pour la production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans de la cryolithe fondue. ~;
La production industrielle de l'aluminium slopère par électrolyse ignée dans des cuves branchées électriquement en série, d'une solution d'alumine dans de la cryolithe portée à une température de l'ordre de 950 à 1000C par l'effet Joule du courant traversant la cuve.
Chaque cuve comprend une cathode rectangulaire formant creuset, dont le fond est constitué par des blocs de carbone scellés sur des barres d'acier dites barres cathodiques, qui servent à évacuer la courant de la cathode vers le anodes de la cuve suivante. Le système anodique, également en carbone, est fixé sous une superstructure dite "croisillonl' et relié
aux barres cathodiques de la cuve précédente.
Entre le système anodique et la cathode se trouve le bain d'électrolyse, c'est-à-dire la solution d'alumine dans de la cryolithe. L'aluminium produit se dépose 5ur la cathode.
Une couche d'aluminium liquide d'une vingtaine de centimètres d'épaisseur est maintenue en permanence au fond du creuset cathodique pour assurer un effet de volant thermique.
Le creuset étant rectangulaire, les barres anodiques `
supportant les anodes sont, en général, paralleles ~ ses grands cotés, alors que les barres cathodiques sont paral~eles à ses petits côtés, dits te-tes de cuve.
Les cuves sont rangées selon des files, en long ou en travers,suivant que leur grand coté ou leur petit côté
est parall~le ~ liaxe de la file. Les cuves : : . . : ,-: .
SZ~6 son-t branchées électriquement en serie, les extrémités de la série étant re]iées aux sorties positive et négative d'une sous-station électrique de redressement et de régulation.
Chaque série de cuves comprend un certain nombre de files branchées en série, le nombre des files ét,ant, de préférence, pair afin d'éviter des longueurs inutiles de conducteurs.
Le courant électrique, qui parcourt les différents conducteurs: électrolyte, métal liquide, anodes, cathodes, conducteurs de liaison, crée des champs magnétiques .importants.
Ces champs induisent, dans le bains d'électrolyse et dans le métal fondu contenu dans le creuset, des forces dites de Laplace qui, par les mouvements qu'elles engendrent, sont nuisibles la bonne marche de la cuve. Le dessin de la cuve e-t de ses conducteurs de liaison est étudié pour que les champs magnétiques cre'~és par les différentes parties de la cuve et les conducteurs de liaison se compensent : on aboutit ainsi à une cuve ayan-t pour plan de symétrie le plan vertical parallele à la file de cuves et passant par le centre du creuset.
Cependant, les cuves sont également soumises à des champs magnétiques perturbateurs provenant de la ou des files -voisines. On entend par "file voisine" la file la plus proche de la file considérée et par "champ de la file voisine", la résultante des champs de toutes les files autres que la file considérée.
Dans tout ce qui suit, on désignera, selon les conven-tions habituelles, - l'amont et l'aval par référence au sens du courant électrique, dans la série, - par Bx, By et Bz les composantes du champ magnétique selon les axes Ox, Oy et Oz dans un triède rectangle direct dont le centre O est le centre du plan cathodique de la cuve, Ox est ; l'axe longitudinal dans le sens de la cuve, Oy l'axe transversal
La production industrielle de l'aluminium slopère par électrolyse ignée dans des cuves branchées électriquement en série, d'une solution d'alumine dans de la cryolithe portée à une température de l'ordre de 950 à 1000C par l'effet Joule du courant traversant la cuve.
Chaque cuve comprend une cathode rectangulaire formant creuset, dont le fond est constitué par des blocs de carbone scellés sur des barres d'acier dites barres cathodiques, qui servent à évacuer la courant de la cathode vers le anodes de la cuve suivante. Le système anodique, également en carbone, est fixé sous une superstructure dite "croisillonl' et relié
aux barres cathodiques de la cuve précédente.
Entre le système anodique et la cathode se trouve le bain d'électrolyse, c'est-à-dire la solution d'alumine dans de la cryolithe. L'aluminium produit se dépose 5ur la cathode.
Une couche d'aluminium liquide d'une vingtaine de centimètres d'épaisseur est maintenue en permanence au fond du creuset cathodique pour assurer un effet de volant thermique.
Le creuset étant rectangulaire, les barres anodiques `
supportant les anodes sont, en général, paralleles ~ ses grands cotés, alors que les barres cathodiques sont paral~eles à ses petits côtés, dits te-tes de cuve.
Les cuves sont rangées selon des files, en long ou en travers,suivant que leur grand coté ou leur petit côté
est parall~le ~ liaxe de la file. Les cuves : : . . : ,-: .
SZ~6 son-t branchées électriquement en serie, les extrémités de la série étant re]iées aux sorties positive et négative d'une sous-station électrique de redressement et de régulation.
Chaque série de cuves comprend un certain nombre de files branchées en série, le nombre des files ét,ant, de préférence, pair afin d'éviter des longueurs inutiles de conducteurs.
Le courant électrique, qui parcourt les différents conducteurs: électrolyte, métal liquide, anodes, cathodes, conducteurs de liaison, crée des champs magnétiques .importants.
Ces champs induisent, dans le bains d'électrolyse et dans le métal fondu contenu dans le creuset, des forces dites de Laplace qui, par les mouvements qu'elles engendrent, sont nuisibles la bonne marche de la cuve. Le dessin de la cuve e-t de ses conducteurs de liaison est étudié pour que les champs magnétiques cre'~és par les différentes parties de la cuve et les conducteurs de liaison se compensent : on aboutit ainsi à une cuve ayan-t pour plan de symétrie le plan vertical parallele à la file de cuves et passant par le centre du creuset.
Cependant, les cuves sont également soumises à des champs magnétiques perturbateurs provenant de la ou des files -voisines. On entend par "file voisine" la file la plus proche de la file considérée et par "champ de la file voisine", la résultante des champs de toutes les files autres que la file considérée.
Dans tout ce qui suit, on désignera, selon les conven-tions habituelles, - l'amont et l'aval par référence au sens du courant électrique, dans la série, - par Bx, By et Bz les composantes du champ magnétique selon les axes Ox, Oy et Oz dans un triède rectangle direct dont le centre O est le centre du plan cathodique de la cuve, Ox est ; l'axe longitudinal dans le sens de la cuve, Oy l'axe transversal
- 2 -52~26 et Oz l'axe vertical dirigé vers le haut, - côté intérieur d'une cuve, celui qui est situé vers la file voisine et côté extérieur, celui opposé ~ la file voisine.
On a déjà décrit antérieurement des procédés pour compenser le champ magnétique induit par la file voisine:
le brevet fransais 1.079.131, au nom de "Péchiney" décrit un dispo~itif de boucle démagnétisante pour atténuer le champ de la file voisine, en faisant revenir, pour cha~ue file, le - courant de retour soit sous la file de cuves, soit au centre de la rangée de deux files de cuves. Ce procédé, quoique efficace, allonge considérablement la longueur des conducteurs.
le brevet des Etats-Unis US. 3.616.317 s'applique exclusivement des séries dans lesquelles les cuves sont disposées en long.
Il décrit un dispositif consistant à placer, sur le côté
externe de séries aménagées en deux files paralleles, un conducteur de compensation parcouru par un courant continu de sens opposé à celui du courant d'électrolyse dans la série adjacente, et d'intensité égale à environ 25 % du courant d'électrolyse.
. les brevets français 2.233.060 et 2.343~826, au nom de "Aluminium Péchiney" décrivent également des procédés de compensation du ch~mp magnétique de la file voisine, mais ils opèrent cuve par cuve, et non sur l'ensemble de la file, et ne relèvent donc pas du même concept inventif.
Cependant, ces différents procédés sont, pour la plupart, inadaptés à la compensation du champ magnétique induit par la ou les files voisines dans les installations les plus récentes où l'intensité peut atteindre et même dépasser 200.000 ampères.
On serait donc conduit, pour conserver au champ de la file voisine une valeur acceptable, à augment~r sensiblement la distance entre files. I1 en résulterait un accroissement
On a déjà décrit antérieurement des procédés pour compenser le champ magnétique induit par la file voisine:
le brevet fransais 1.079.131, au nom de "Péchiney" décrit un dispo~itif de boucle démagnétisante pour atténuer le champ de la file voisine, en faisant revenir, pour cha~ue file, le - courant de retour soit sous la file de cuves, soit au centre de la rangée de deux files de cuves. Ce procédé, quoique efficace, allonge considérablement la longueur des conducteurs.
le brevet des Etats-Unis US. 3.616.317 s'applique exclusivement des séries dans lesquelles les cuves sont disposées en long.
Il décrit un dispositif consistant à placer, sur le côté
externe de séries aménagées en deux files paralleles, un conducteur de compensation parcouru par un courant continu de sens opposé à celui du courant d'électrolyse dans la série adjacente, et d'intensité égale à environ 25 % du courant d'électrolyse.
. les brevets français 2.233.060 et 2.343~826, au nom de "Aluminium Péchiney" décrivent également des procédés de compensation du ch~mp magnétique de la file voisine, mais ils opèrent cuve par cuve, et non sur l'ensemble de la file, et ne relèvent donc pas du même concept inventif.
Cependant, ces différents procédés sont, pour la plupart, inadaptés à la compensation du champ magnétique induit par la ou les files voisines dans les installations les plus récentes où l'intensité peut atteindre et même dépasser 200.000 ampères.
On serait donc conduit, pour conserver au champ de la file voisine une valeur acceptable, à augment~r sensiblement la distance entre files. I1 en résulterait un accroissement
3 -~;25~
inacceptable de certaines dépenses : terrain, infrastructure longueur des conducteurs de liaison entre Eiles de cuves qui diminueront le gain sur l'investissement permis par l'utilisa-tion de cuves d'ampérage eleve.
L'ob~et de la présente invention est précisément un procédé de compensation du champ magneti~ue de la file voisine dans les series de cuves d'électrolyse à tres haute intensité, disposées en travers.
Il est essentiellement caractérisé par la mise en place, sans modification des cuves existantes, d'au moins un conducteur auxiliaire, parallèle à l'axe O~, situé dans le plan de l'interface bain-métal, et le plus pres possible du caisson, c'est-à-dire de l'enveloppe métallique externe de la cuve, conducteur dans lequel on fait passer, dans un sens convenable, un courant continu d'intensité choisiede facon à assurer la compensation recherchée.
Plus particulierement~ la présente invention propose un procédé de compensation du champ magnétique induit par la file voisine dans les séries de cuve d'électrolyse a haute intensité, disposées en travers par rapport a l'axe de la série, et destinées notamment à la production d'aluminium, chaque cuve étant constituée par un caisson métallique, dont le ..
fond supporte une cathode carbonée recouverte par une nappe d'aluminium liquide de faible épaisseur, caractérisé en ce que l'on dispose, le long de chaque file, du coté intérieur ~-et du coté extérieur, un conducteur de compensation situé
sensiblement dans le plan de la nappe d'aluminium liquide et a proximité immédiate du caisson métallique des cuves, et que l'on fai~ passer un courant continu dans le conducteur de compensation.
La fi~ure 1 représente schématiquementl en coupe transversale passant par le point O défini plus haut, une :
52Zl~i cuve d'électrolyse dispo6ée en travers par rapport a 1' axQ de la série, l'axe Ox est donc perpendiculaire au plan de figure~' Le caisson est en (l), la nappe d'aluminium liquide en (2 l'electrolyte en (3~ et le système anodique est en (4)~
La figure 2 representej schématisée, une série de cuves d'électrolyse séparée en deux files parallèles. Pour .
simplifier le dessin, on n'a fait figurer que cinq cuves par file~(A, B, C, D, E et S, T, U, V, W) mais, dans la prati~ue industrielle, il est fréquent que chaque file comporte une centaine de cuves en série.
Les figures 3, 4 et 5 représentent les diagxam~es de compensation du champ de la file voisine selon trois varian~tes du procédé selon l'invention.
Le champ magnétique,,créé par une ~ile ~e cu~e~ 6u,r ~ 3L25226 une cuve d'une autre file est vertical. Si M est un point quelconque d'une cuve, le champ créé en ~ par la file voisine est de signe constant et décrolt de facon très légèrement hyperbolique quand le point M se déplace à partir du petit côté situé le plus près de la file voisine vers le petit côté
le plus éloigné de la file voisine ? Ce champ est représenté
par la courbe F des figures 3, ~ et 5, et correspond ~ une file voisine située du côté des y positifs.
Sur la figure 2, on a représenté partiellement une série de cuves d'électrolyse disposée en deux files parallèles.
Le pôle positif de la source de courant continu d'électrolyse est branché du côté appelé "tete" en (5) et le pôle négatif au côté appelé "queue" en (6).
La tete de série (5) est connectée au pôle positif du générateur de courant continu d'électrolyse et la queue (6) est connectée au pôle négatif de ce même générateur. Les conducteurs auxiliaires destinés à compenser le champ de la ;
file voisine sont en 7,7', du côté intérieur, et 8,8' du coté
extérieur de la série. On peut les réunir au moyen du connecteur (9). La ligne pointillée (10) représente le parcours du courant d'électrolyse. On a disposé, le long du côté intérieur des ~:
cuves, le conducteur de compensation 7, 7', et le long du côté
extérieur des cuves, le conducteur de compensation 8,8', l'un et l'autre peuvent être alimentés en courant continu, séparément ; .;
ou par mise en série au moyen du conducteur (9) figuré en pointillé, à partir d'un redresseur auxiliaire fournissant ;
une intensité pouvant aller jusqu'à trente mille ampères, sous une tension relativement faible correspondant à la seule chute de tension dans les conducteurs ~ui peut être par exemple, de l'ordre de 10 millivolts par mètre. La puissance dissipée dans ces conducteurs de compensation est donc, au total, très faible par rapport ~ l'énergie d'électrolyse.
Sur la figure 3, on a tracé le diagramme des cha~ps magnétiques dans le cas où le conduc-teur de compensation intérieur 7,7', est le seul alimenté, ~sous une intensité de 30 KA, le courant circulant dans le sens opposé à celui du courant d'électrolyse dans lz file voisine, donc, dans le même sens que celui de la file adjacente.
Ce conducteur de compensation ~7) crée donc sur chaque cuve adjacente (A,B,C,D,E...) un champ vertical de sens constant et opposé à celui du champ créé par la file voisine, (S,T,U, 10 V,W) d'intensité décroissant de façon quasihyperbolique car B = di (B étant le champ magnétique en 10 TESLA, i l'intensité en kiloampères et d la distance en mètres), en ~llant du coté intérieur vers le côté extérieur. En ~ait, ce champ de compensation est dû à la fols au conducteur de compensation adjacent (7) et au conducteur de compensation équivalent t7') placé sur la file voisine. Il est représenté
par la courbe G de la figure 3.
La courbe H, qui est la somme algébrique de F + G, représente le champ résultant.
Sur la figure 4, on a tracé le dia~ramme des champs -magnétiques dans le cas ou Le conducteur de compensation externe 8,8' est le seul alimenté, sous une intensité de 22 KA, le courant circulant dans le sens opposé à celui du courant d'électrolyse dans la file adjacente, donc dans le même sens que dans la file voisine.
Ce conducteur crée sur chaque cuve adjacente (A, B, C, D, E) un champ vertical de sens constant et opposé à celui du champ crée par la file voisine et d'intensité décroissant de façon quasi~hyperbolique (car B = 2i) en allant du coté extérieur vers le côté intérieur de la cuve. En fait, ce champ de com-pensa-tion est dû ~ la fois au conducteur adjacent ~8~ de compen-sa-tion de la cuve e-t, d'autre part, au conducteur de compensation équivalent (8') installé sur la file voisine~ Ce champ est représenté par la courbe J de la figure 4.
La courbe K qui est la somrne algébrique de F ~ J
représente le cha.~p résultant.
Sur la figure 5, on a tracé le diagramme des champs magnétiques dans le cas où les deux conducteurs de compensation (7,7') et (8,8'~ sont aliment~s et mis en série par la jonction ~9), le sens du courant étantldans chacun d'eux le rnême que dans les deux cas précédents et l'intensité fixé a 13 KA.
Ces conducteurs cr~ent sur la cuve un champ vertical de sens constant et opposé à celui crée pax la file voisine et dont l'intensité est légèrement plus faible au centre de la cuve (sur l'axe Ox) que sur ses cotés.
En fait, ce champ est du aux deux conducteurs de compensation adjacents à la cuve (7,8) et aux conducteurs de compensat.ion situés le long de la file voisine (7',8').
Le champ de compensation est représenté par la courbe L de la figure 5 et le champ résultant, somme algébrique de F ~ L
est représenté par la courbe N. Pour rendre la figure plus lisible, on a adopté pour l'axe des ordonnées une ~chelle plus grande que pour les figures 3 et 4.
L'intensit~ ~ous laquellc vont ~tre aliment~s les :: :
conducteurs de compensation, doit etre déterminée en vue d'une compensation optirnale: en pratique, la compensation est obtenue avec un courant dont l'intensité ne dépasse pas 20% de l'inten-sité du courant d'électrolyse. Les conducteurs de compensation pouvant etre assimilés ~ des conducteurs infinis, le champ qu'ils créent sur la cuve en un point M est pratiquement inté-pendant de l'abscisse de M.
Si l'on appelle . BF(M~ le champ créé par la file voisine en M
BC~M) le champ créé par les con- .
:: `
~ ~ 5.f~Z 6 ducteurs de compensation en M.
le champ total BT(M) sera égal à BF(M) ~ BC(M).
La valeur i de l'intensité dans les conducteurs de compensation sera choisie de facon que la valeur moyenne de BT
sur le grand axe de la cuve soit nulle, à partir de la relation B = 2Di .
Le champ résultant est représenté par les cou:rbes l-I, K, N respectivement sur les figures 3, 4 et 5.
On dispose donc de trois modes de mise en oeuvre du procédé, objet de l'invention, selon que l'un ou l'autre ou les deux conducteurs de compensation sont àlimentés.
Avec le ~ode de mise en oeuvre de l'invention, selon la figure 3, que nous appelerons "varlante N 1", la valeur moyenne du cham~ BT est du signe opposé à BF du côté intéri.eur et de meme signe que BF du côté intérieur.
~ vec le mode de mise ~n oeuvre selon la figure 4, que nous appellerons "variante N 2", BT est du même signe que BF
côté intér.ieur et du signe opposé côté extérieur. :
Avec le mode de mise en oeuvre selon l.a figure 5, que ;~
nous appellerons "variante N 3", le champ BT est très faible partout.
Considérons maintenant une cuve en l'absence de file voisine : les conducteurs d'alimentation de la cuve ainsi que la cuve elle-même sont symetriques par rapport au plan xoz.
Il est résulte que la composante verticale du champ de la cuve ~:;
sans file voisine est antisymétrique en y, c'est-à-dire que si l'on change y en -y, Bz se change en -Bz. En considérant la cuve coupée suivant son axe transversal, la valeur moyenne de Bz sur ~n côté de la cuve (par exemple du côté des y négatifs) est égale et de signe opposé à la valeur moyenne de Bz sur l'autre côte.
~ ln critère bien connu de-bon fonctionnement des cuves -~25~
est que la valeur moyenne de Bz soit la plus faible possible.
Le choix entre l'une des trois variantes de mise en oeuvre du procédé selon l'invention se fait alors de la façon suivante:
On mesure la valeur moyenne du champ ver-tical de la cuve dans la série pour la moitié intérieure et pour la moitié
extérieure de la cuve, soit Bi (cuve ~ file voisine) et se (cuve + file voisine). On calcule ce que seraient ces valeurs moyennes en l'absence de file voisine : soit B'i (sans file voisine) et B'e (sans file voisine).
On vérifie que le rapport de ces deux valeurs B'i/s'e est peu différent de ~
On choisit alors celle des trois variantes pour laquelle la valeur moyenne du champ vertical de la cuve avec -la file voisine et les conducteurs de compensation soit la plus faible possible en valeur absolue dans chacune des demi-cuves, intérieure e-t extérieure.
C'est-a-dire que Si B'i (sans file voisine) est du même signe que le champ créé par la file voisine, on adopkera la première variante (fi~ure 3).
Si B'i (sans file voisine) est du signe opposé à celui du champ créé par la file voisine, on adoptera la seconde variante (figure 4).
Si B'i (sans file voisine) est très faible, par exemple, inférieure au dixième du champ créé par la file voisine, on adoptera la troisième variante.
EXEMæLE :
On considère une série de cuves d'électrolyse fonction-nant sous 17~ I~A disposée en deux files parallèles éloignées de 50 mètres d'axe en axe. La longueur du système anodique est de 8,4 m~tres. Les conducteurs de compensation SOIlt placés à
8 mètres du centre de la cuve, coté intérieur et/ou côté exté~
rieur.
_ 9 -`~ 3L~5~
Le tableau suivant indique les valeurs du champ magnétique vertical total (BT) selon chacune des variantes mises en oeuvre.
__ . _ Champ en 10 4 TeslaVariante Va.riante Variante ~ 1 NL 2 N0 3 _ _ _ Valeur moyenne :
côté intérieur BF 7,3 7,3 7,3 BC -9,3 -5,3 -7,0 BT = BF ~ BC -2,0 2,0 0,3 _ Valeur moyenne :
coté extérieur BF 6,7 6,7 6,7 BC -4,7 -8,7 -7,0 BT = BF t BC 2,0 2,0 0,3 _ _ ~ .:
Inten.sité dans le ou .
les conducteurs de30 KA 22 KA 13 KA
compensa-tions __ _ ~;
_ L'expé.ri.ence montre que l'effet d'aimantation (c'est-à-dire l'effet d'écran produit par les masses ferromagnétiques constituées par le caisson, la superstructure, les barre,s cathodiques et éventuellement le bâtiment), sur le champ créé
par la file voisine d'une part et sur le champ créé par les conducteurs de compensation, dlautre part, est tel que la valeur de l'intensité correspond à l'annulation de l'intégrale du champ réel ~
f QBT =
JP
est peu différente de celle que donnerait le calcul en négligeant l'effet d'aimantation.
inacceptable de certaines dépenses : terrain, infrastructure longueur des conducteurs de liaison entre Eiles de cuves qui diminueront le gain sur l'investissement permis par l'utilisa-tion de cuves d'ampérage eleve.
L'ob~et de la présente invention est précisément un procédé de compensation du champ magneti~ue de la file voisine dans les series de cuves d'électrolyse à tres haute intensité, disposées en travers.
Il est essentiellement caractérisé par la mise en place, sans modification des cuves existantes, d'au moins un conducteur auxiliaire, parallèle à l'axe O~, situé dans le plan de l'interface bain-métal, et le plus pres possible du caisson, c'est-à-dire de l'enveloppe métallique externe de la cuve, conducteur dans lequel on fait passer, dans un sens convenable, un courant continu d'intensité choisiede facon à assurer la compensation recherchée.
Plus particulierement~ la présente invention propose un procédé de compensation du champ magnétique induit par la file voisine dans les séries de cuve d'électrolyse a haute intensité, disposées en travers par rapport a l'axe de la série, et destinées notamment à la production d'aluminium, chaque cuve étant constituée par un caisson métallique, dont le ..
fond supporte une cathode carbonée recouverte par une nappe d'aluminium liquide de faible épaisseur, caractérisé en ce que l'on dispose, le long de chaque file, du coté intérieur ~-et du coté extérieur, un conducteur de compensation situé
sensiblement dans le plan de la nappe d'aluminium liquide et a proximité immédiate du caisson métallique des cuves, et que l'on fai~ passer un courant continu dans le conducteur de compensation.
La fi~ure 1 représente schématiquementl en coupe transversale passant par le point O défini plus haut, une :
52Zl~i cuve d'électrolyse dispo6ée en travers par rapport a 1' axQ de la série, l'axe Ox est donc perpendiculaire au plan de figure~' Le caisson est en (l), la nappe d'aluminium liquide en (2 l'electrolyte en (3~ et le système anodique est en (4)~
La figure 2 representej schématisée, une série de cuves d'électrolyse séparée en deux files parallèles. Pour .
simplifier le dessin, on n'a fait figurer que cinq cuves par file~(A, B, C, D, E et S, T, U, V, W) mais, dans la prati~ue industrielle, il est fréquent que chaque file comporte une centaine de cuves en série.
Les figures 3, 4 et 5 représentent les diagxam~es de compensation du champ de la file voisine selon trois varian~tes du procédé selon l'invention.
Le champ magnétique,,créé par une ~ile ~e cu~e~ 6u,r ~ 3L25226 une cuve d'une autre file est vertical. Si M est un point quelconque d'une cuve, le champ créé en ~ par la file voisine est de signe constant et décrolt de facon très légèrement hyperbolique quand le point M se déplace à partir du petit côté situé le plus près de la file voisine vers le petit côté
le plus éloigné de la file voisine ? Ce champ est représenté
par la courbe F des figures 3, ~ et 5, et correspond ~ une file voisine située du côté des y positifs.
Sur la figure 2, on a représenté partiellement une série de cuves d'électrolyse disposée en deux files parallèles.
Le pôle positif de la source de courant continu d'électrolyse est branché du côté appelé "tete" en (5) et le pôle négatif au côté appelé "queue" en (6).
La tete de série (5) est connectée au pôle positif du générateur de courant continu d'électrolyse et la queue (6) est connectée au pôle négatif de ce même générateur. Les conducteurs auxiliaires destinés à compenser le champ de la ;
file voisine sont en 7,7', du côté intérieur, et 8,8' du coté
extérieur de la série. On peut les réunir au moyen du connecteur (9). La ligne pointillée (10) représente le parcours du courant d'électrolyse. On a disposé, le long du côté intérieur des ~:
cuves, le conducteur de compensation 7, 7', et le long du côté
extérieur des cuves, le conducteur de compensation 8,8', l'un et l'autre peuvent être alimentés en courant continu, séparément ; .;
ou par mise en série au moyen du conducteur (9) figuré en pointillé, à partir d'un redresseur auxiliaire fournissant ;
une intensité pouvant aller jusqu'à trente mille ampères, sous une tension relativement faible correspondant à la seule chute de tension dans les conducteurs ~ui peut être par exemple, de l'ordre de 10 millivolts par mètre. La puissance dissipée dans ces conducteurs de compensation est donc, au total, très faible par rapport ~ l'énergie d'électrolyse.
Sur la figure 3, on a tracé le diagramme des cha~ps magnétiques dans le cas où le conduc-teur de compensation intérieur 7,7', est le seul alimenté, ~sous une intensité de 30 KA, le courant circulant dans le sens opposé à celui du courant d'électrolyse dans lz file voisine, donc, dans le même sens que celui de la file adjacente.
Ce conducteur de compensation ~7) crée donc sur chaque cuve adjacente (A,B,C,D,E...) un champ vertical de sens constant et opposé à celui du champ créé par la file voisine, (S,T,U, 10 V,W) d'intensité décroissant de façon quasihyperbolique car B = di (B étant le champ magnétique en 10 TESLA, i l'intensité en kiloampères et d la distance en mètres), en ~llant du coté intérieur vers le côté extérieur. En ~ait, ce champ de compensation est dû à la fols au conducteur de compensation adjacent (7) et au conducteur de compensation équivalent t7') placé sur la file voisine. Il est représenté
par la courbe G de la figure 3.
La courbe H, qui est la somme algébrique de F + G, représente le champ résultant.
Sur la figure 4, on a tracé le dia~ramme des champs -magnétiques dans le cas ou Le conducteur de compensation externe 8,8' est le seul alimenté, sous une intensité de 22 KA, le courant circulant dans le sens opposé à celui du courant d'électrolyse dans la file adjacente, donc dans le même sens que dans la file voisine.
Ce conducteur crée sur chaque cuve adjacente (A, B, C, D, E) un champ vertical de sens constant et opposé à celui du champ crée par la file voisine et d'intensité décroissant de façon quasi~hyperbolique (car B = 2i) en allant du coté extérieur vers le côté intérieur de la cuve. En fait, ce champ de com-pensa-tion est dû ~ la fois au conducteur adjacent ~8~ de compen-sa-tion de la cuve e-t, d'autre part, au conducteur de compensation équivalent (8') installé sur la file voisine~ Ce champ est représenté par la courbe J de la figure 4.
La courbe K qui est la somrne algébrique de F ~ J
représente le cha.~p résultant.
Sur la figure 5, on a tracé le diagramme des champs magnétiques dans le cas où les deux conducteurs de compensation (7,7') et (8,8'~ sont aliment~s et mis en série par la jonction ~9), le sens du courant étantldans chacun d'eux le rnême que dans les deux cas précédents et l'intensité fixé a 13 KA.
Ces conducteurs cr~ent sur la cuve un champ vertical de sens constant et opposé à celui crée pax la file voisine et dont l'intensité est légèrement plus faible au centre de la cuve (sur l'axe Ox) que sur ses cotés.
En fait, ce champ est du aux deux conducteurs de compensation adjacents à la cuve (7,8) et aux conducteurs de compensat.ion situés le long de la file voisine (7',8').
Le champ de compensation est représenté par la courbe L de la figure 5 et le champ résultant, somme algébrique de F ~ L
est représenté par la courbe N. Pour rendre la figure plus lisible, on a adopté pour l'axe des ordonnées une ~chelle plus grande que pour les figures 3 et 4.
L'intensit~ ~ous laquellc vont ~tre aliment~s les :: :
conducteurs de compensation, doit etre déterminée en vue d'une compensation optirnale: en pratique, la compensation est obtenue avec un courant dont l'intensité ne dépasse pas 20% de l'inten-sité du courant d'électrolyse. Les conducteurs de compensation pouvant etre assimilés ~ des conducteurs infinis, le champ qu'ils créent sur la cuve en un point M est pratiquement inté-pendant de l'abscisse de M.
Si l'on appelle . BF(M~ le champ créé par la file voisine en M
BC~M) le champ créé par les con- .
:: `
~ ~ 5.f~Z 6 ducteurs de compensation en M.
le champ total BT(M) sera égal à BF(M) ~ BC(M).
La valeur i de l'intensité dans les conducteurs de compensation sera choisie de facon que la valeur moyenne de BT
sur le grand axe de la cuve soit nulle, à partir de la relation B = 2Di .
Le champ résultant est représenté par les cou:rbes l-I, K, N respectivement sur les figures 3, 4 et 5.
On dispose donc de trois modes de mise en oeuvre du procédé, objet de l'invention, selon que l'un ou l'autre ou les deux conducteurs de compensation sont àlimentés.
Avec le ~ode de mise en oeuvre de l'invention, selon la figure 3, que nous appelerons "varlante N 1", la valeur moyenne du cham~ BT est du signe opposé à BF du côté intéri.eur et de meme signe que BF du côté intérieur.
~ vec le mode de mise ~n oeuvre selon la figure 4, que nous appellerons "variante N 2", BT est du même signe que BF
côté intér.ieur et du signe opposé côté extérieur. :
Avec le mode de mise en oeuvre selon l.a figure 5, que ;~
nous appellerons "variante N 3", le champ BT est très faible partout.
Considérons maintenant une cuve en l'absence de file voisine : les conducteurs d'alimentation de la cuve ainsi que la cuve elle-même sont symetriques par rapport au plan xoz.
Il est résulte que la composante verticale du champ de la cuve ~:;
sans file voisine est antisymétrique en y, c'est-à-dire que si l'on change y en -y, Bz se change en -Bz. En considérant la cuve coupée suivant son axe transversal, la valeur moyenne de Bz sur ~n côté de la cuve (par exemple du côté des y négatifs) est égale et de signe opposé à la valeur moyenne de Bz sur l'autre côte.
~ ln critère bien connu de-bon fonctionnement des cuves -~25~
est que la valeur moyenne de Bz soit la plus faible possible.
Le choix entre l'une des trois variantes de mise en oeuvre du procédé selon l'invention se fait alors de la façon suivante:
On mesure la valeur moyenne du champ ver-tical de la cuve dans la série pour la moitié intérieure et pour la moitié
extérieure de la cuve, soit Bi (cuve ~ file voisine) et se (cuve + file voisine). On calcule ce que seraient ces valeurs moyennes en l'absence de file voisine : soit B'i (sans file voisine) et B'e (sans file voisine).
On vérifie que le rapport de ces deux valeurs B'i/s'e est peu différent de ~
On choisit alors celle des trois variantes pour laquelle la valeur moyenne du champ vertical de la cuve avec -la file voisine et les conducteurs de compensation soit la plus faible possible en valeur absolue dans chacune des demi-cuves, intérieure e-t extérieure.
C'est-a-dire que Si B'i (sans file voisine) est du même signe que le champ créé par la file voisine, on adopkera la première variante (fi~ure 3).
Si B'i (sans file voisine) est du signe opposé à celui du champ créé par la file voisine, on adoptera la seconde variante (figure 4).
Si B'i (sans file voisine) est très faible, par exemple, inférieure au dixième du champ créé par la file voisine, on adoptera la troisième variante.
EXEMæLE :
On considère une série de cuves d'électrolyse fonction-nant sous 17~ I~A disposée en deux files parallèles éloignées de 50 mètres d'axe en axe. La longueur du système anodique est de 8,4 m~tres. Les conducteurs de compensation SOIlt placés à
8 mètres du centre de la cuve, coté intérieur et/ou côté exté~
rieur.
_ 9 -`~ 3L~5~
Le tableau suivant indique les valeurs du champ magnétique vertical total (BT) selon chacune des variantes mises en oeuvre.
__ . _ Champ en 10 4 TeslaVariante Va.riante Variante ~ 1 NL 2 N0 3 _ _ _ Valeur moyenne :
côté intérieur BF 7,3 7,3 7,3 BC -9,3 -5,3 -7,0 BT = BF ~ BC -2,0 2,0 0,3 _ Valeur moyenne :
coté extérieur BF 6,7 6,7 6,7 BC -4,7 -8,7 -7,0 BT = BF t BC 2,0 2,0 0,3 _ _ ~ .:
Inten.sité dans le ou .
les conducteurs de30 KA 22 KA 13 KA
compensa-tions __ _ ~;
_ L'expé.ri.ence montre que l'effet d'aimantation (c'est-à-dire l'effet d'écran produit par les masses ferromagnétiques constituées par le caisson, la superstructure, les barre,s cathodiques et éventuellement le bâtiment), sur le champ créé
par la file voisine d'une part et sur le champ créé par les conducteurs de compensation, dlautre part, est tel que la valeur de l'intensité correspond à l'annulation de l'intégrale du champ réel ~
f QBT =
JP
est peu différente de celle que donnerait le calcul en négligeant l'effet d'aimantation.
Claims (7)
1. Procédé de compensation du champ magnétique induit par la file voisine dans les séries de cuve d'électrolyse à
haute intensité, disposées en travers par rapport à l'axe de la série, et destinées notamment à la production d'aluminium, chaque cuve étant constituée par un caisson métallique, dont le fond supporte une cathode carbonée recouverte par une nappe d'aluminium liquide de faible épaisseur, caractérisé en ce que l'on dispose, le long de chaque file, du côté intérieur et du côté extérieur, un conducteur de compensation situé
sensiblement dans le plan de la nappe d'aluminium liquide et à
proximité immédiate du caisson métallique desdites cuves, et que l'on fait passer un courant continu dans ledit conducteur.
haute intensité, disposées en travers par rapport à l'axe de la série, et destinées notamment à la production d'aluminium, chaque cuve étant constituée par un caisson métallique, dont le fond supporte une cathode carbonée recouverte par une nappe d'aluminium liquide de faible épaisseur, caractérisé en ce que l'on dispose, le long de chaque file, du côté intérieur et du côté extérieur, un conducteur de compensation situé
sensiblement dans le plan de la nappe d'aluminium liquide et à
proximité immédiate du caisson métallique desdites cuves, et que l'on fait passer un courant continu dans ledit conducteur.
2. Procédé de compensation du champ de la file voisine selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conducteur intérieur est alimenté par un courant continu circulant dans le même sens que le courant d'électrolyse de la file adjacente, et en sens inverse du, courant d'électrolyse de la file voisine, et en ce que le conducteur extérieur est alimenté par un courant continu circulant en sens inverse du courant d'électrolyse de la file adjacente et dans le même sens que le courant d'électrolyse de la file voisine.
3. Procédé de compensation du champ de la file voisine selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conducteur intérieur et le conducteur extérieur sont connnectés en série et alimentés par un courant continu circulant, dans le conducteur intérieur, dans le même sens que le courant d'électrolyse de la file adjacente et, dans le conducteur extérieur, dans le sens inverse du courant d'électrolyse de la file adjacente.
4. Procédé de compensation du champ de la file voisine selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intensité " i" du courant circulant dans le conducteur de compensation est déterminée à partir de la relation de façon que la moyenne du champ magnétique total "BT" soit nulle sur le grand axe de la cuve, où "B" représente le champ magnétique induit en un point par un courant d'intensité "i"
circulant dans un conducteur passant à une distance "d" de ce point.
circulant dans un conducteur passant à une distance "d" de ce point.
5. Procédé de compensation du champ de la file voisine selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on alimente uniquement le conducteur intérieur lorsque la valeur moyenne du champ vertical en l'absence de file voisine dans le demi-cuve côté intérieur est du même signe que le champ "BF" créé par la file voisine.
6. Procédé de compensation du champ de la file voisine selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on alimente uniquement le conducteur intérieur lorsque la valeur moyen-ne du champ vertical en l'absence de file voisine dans la demi-cuve côté intérieur est du signe opposé au champ "BF"
créé par la file voisine.
créé par la file voisine.
7. Procédé de compensation du champ de la file voisine, selon la revendication 3, caractérise en ce que le conducteur intérieur et le conducteur extérieur sont mis en série et alimentés en courant continu lorsque la valeur moyenne du champ vertical en l'absence de file voisine dans la demi-cuve côté intérieur est approximativement égale ou inférieure au 1/10e du champ "BF" créé par la file voisine.
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