CH641842A5

CH641842A5 - Installation de production industrielle d'aluminium.

Info

Publication number: CH641842A5
Application number: CH108279A
Authority: CH
Inventors: Paul Morel; Jean-Pierre Dugois
Original assignee: Pechiney Aluminium
Priority date: 1978-02-08
Filing date: 1979-02-05
Publication date: 1984-03-15
Also published as: FR2423554B1; PL117122B1; BR7900751A; IS1298B6; FR2423554A1; JPS54116309A; ES477486A1; DE2961926D1; AU526414B2; EP0003712A1; ZA79537B; ATA95879A; IT1110960B; IN151090B; NO152223B; AU4398279A; AT373631B; EP0003712B1; IS2477A7; YU25879A

Description

La présente invention concerne une installation de production industrielle d'aluminium comprenant des séries de cuves d'électrolyse à haute densité, disposées en long.

Elle s'applique à la réduction des perturbations dues au 5 champ propre créé par chaque cuve et par ses voisines de la même file et de la file adjacente lorsque celle-ci se trouve à une distance relativement proche de la file considérée.

On sait que, pour réduire les investissements et augmenter les rendements, la tendance est d'augmenter la puissance des 1C 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 file, présentent à dimensions égales, des effets magnétiques moindres que les cuves disposées en long, malgré la complication 15 des conditions d'exploitation et la détérioration des conditions de travail qui en résultent. De ce point de vue, les cuves en long ne présentent pas ces inconvénients, et le but de l'invention est de permettre de ramener les effets magnétiques des cuves en long à un niveau inférieur à celui des cuves en tra-

20 vers, d'où il résulte des économies d'énergie considérables tout en conservant les avantages d'exploitation dus à la disposition en long.

Dans tout ce qui va suivre, on désignera, selon les conventions habituelles, par Bx, By et Bz les composantes du champ

21 magnétique selon les axes Ox, Oy et Oz, dans un trièdre 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 file, Oy, l'axe transversal et Oz l'axe vertical dirigé vers le haut.

Selon la convention habituelle, on désigne les positions 30 amont et aval par référence au sens conventionnel du courant dans la série.

Dans le dessin annexé:

La figure 1, représente, en coupe verticale transversale, passant par le point O, une cuve d'électrolyse en long.

La figure 2 représente, en coupe horizontale schématique, passant par le point O, une cuve d'électrolyse en long.

La figure 3 est un diagramme du champ Bz le long d'un grand côté de la cuve.

La figure 4 représente la forme de l'interface métal-élec-trolyte selon la répartition du champ Bz de la figure 3.

Les figures 5 et 6 schématisent deux dispositions possibles pour l'alimentation des cuves en long: par une tête et des montées centrales (figure 5) ou par les deux têtes (figure 6). 45 Les figures 7,8,9 et 10 montrent la position du conducteur négatif selon l'invention, en fonction du coefficient a, fraction de courant alimentant la tête amont.

La figure 11 explicite l'influence du champ de la file voisine sur le champ total d'une cuve donnée sur son petit axe Oy.

La figure 12 montre la position des conducteurs de compensation du champ de la file voisine dans une salle d'électrolyse comportant deux files relativement proches.

Les figures 13,14 et 15 montrent la position du conduc-55 teur négatif en fonction du coefficient a lorsqu'on tient compte de l'influence de la file voisine.

Le brevet français no. 1 143 879, déposé le 28 Février 1956, au nom de «PECHINEY» a donné les conditions à respecter pour réduire les effets magnétiques dans les cuves en 60 long, et la plupart des cuves construites dans le monde, depuis cette époque, ont utilisé les dispositions des conducteurs préconisés, afin de satisfaire à la double condition:

35

40

50

65

By = 0 dBy.

faible dz au centre de la cuve

3

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dans lequel By° est la composante horizontale du champ magnétique selon l'axe Oy (axe horizontal perpendiculaire à

l'axe de la file) et le gradient de ce potentiel selon l'axe vertical au centre de la cuve.

Dans tout ce qui suit, on se référera au schéma d'une cuve d'électrolyse, tel qu'il apparâît sur la figure 1 en coupe transversale.

Mais les conditions préconisées dans le brevet FR 1 143 879 ne concernaient que le champ horizontal et n'avaient pas d'action sur le champ vertical dont la valeur est pratiquement proportionnelle à l'intensité traversant la cuve.

Or, toutes les études récentes montrent l'importance de ce champ vertical. Il est responsable, en particulier, d'une déformation «en dôme» de la nappe d'aluminium liquide, dôme assymétrique, dont le sommet est décalé vers la tête aval de la cuve, et qui correspond à une dénivellation pouvant dépasser 4 centimètres par rapport au plan de référence.

Les forces, dites forces de Laplace, qui se développent, dans le métal sont la source de la déformation de l'interface bain-métal.

Forces selon l'axe Ox : f(x) = jy Bz — jz By

Forces selon l'axe Oy : f(y) = jz Bx - jx Bz;

Bx, By et Bz étant les trois composantes du champ magnétique B selon les axes Ox, Oy, Oz, jx, jy et jz étant les trois composantes de la densité de courant dans le métal.

L'exposé de la solution qu'apporte l'invention au problème des effets magnétiques sera facilité par une analyse des différentes composantes de ces forces.

Considérons la coupe horizontale d'une cuve en long, figure 2, au niveau du point central O que l'on divise en quatre quarts par les axes Ox et Oy, et déterminons tout d'abord les forces longitudinales selon les parallèles à Ox.

L'ensemble des forces fi (x) sur une parallèle à Ox (d'ab-cisse y) dans le premier quart est:

à sa valeur à son point milieu comme on le voit sur la figure 3. Il suffit donc de rendre Bz nul sur l'axe Oy, pour que l'ensemble de Bz soit antisymétrique par rapport à Oy. Au centre O de la cuve, Bz (o) est alors nul par symétrie. Bz est maximum sur 5 la parallèle à Ox passant par le bord extérieur du système ano-dique et si l'on annule Bz au point M, la courbe des Bz maximaux sera, elle aussi, antisymétrique.

Si Bz (M) et Bz (o) sont nuls, la valeur de Bz sur l'axe Oy ne dépasse pas 2 à 3.10~4 Tesla, pour une cuve de 100 000 ampè-10 res, ce qui est négligeable.

Donc, les valeurs de Bz en tous les points situés symétriquement par rapport à Oy ont des valeurs égales et de signe inverse, et les courbes de Bz sur chaque parallèle à Ox seron antisymétriques.

15 Cas du champ horizontal By: on conserve la condition By (au point central O)=O déjà énoncée dans le brevet FR 1 143 879. On constate que, lorsque By (o) = O, les valeurs de By sur les axes parallèles à Oy sont minimales et très faibles. La courbe de By sur chaque axe est alors également antisymé-20 trique.

Au total, lorsque les deux conditions Bz (M) et By (o) = O sont réalisées, on voit que sur chaque parallèle à Ox:

F, (x) = — F2 (x)

'et

O

F, (x) =

| f, (x)dx = jyJ Bz•dx — jzj* -b —b —b

Bv • dx car jy est constant en raison de la disposition habituelle des barres cathodiques à sorties transversales; il en est de même de h-

On aura de même dans le deuxième quart:

E F! (x) dans le premier quart de la cuve,

= - E F2 (x) dans le deuxième quart de la cuve.

L'égalité des forces conduit à une interface bain-métal en 30 forme de dôme symétrique dont la flèche est minimale.

La figure 4 représente, dans le cas d'une cuve classique de 115 000 ampères, et en correspondance avec la figure 3: en traits pleins, la forme en dôme dissymétrique, et flèche importante (jusqu'à 4 cm) dans le cas d'une courbe Bz dissymétrique (trait plein) et la forme en dôme symétrique à faible flèche (environ 1 cm) dans les cas où Bz est antisymétrique par rapport à l'axe Oy, c'est-à-dire après mise en œuvre de l'invention.

La force dissymétrique provient, dans le premier cas, du fait que l'ensemble des forces positives de R à P, Fj (x) est en-40 viron trois fois plus grand que l'ensemble des forces négatives - F2 (x), de P à S.

Déterminons maintenant les forces transversales, selon les parallèles à Oy avec les mêmes conventions que pour F (x) on

35

a:

45

O

F,(y) =

+ b

+b jz Bx dy

F2(X) =

f2(x)dx = jy

O

y ' Bz dX — jzJ By ■ dx

O O

+ a

O

j

JxBzdy

+ a

50

—a

F4(y) =

Si F! (x) = - F2 (x), les forces sur chaque parallèle à Ox seront égales et opposées. Il suffit, pour cela que:

= J JzBxdy-| j; O O

a

Jx Bz dy et que

O *

«

-b

0

1

+ b

B,•dx = —

Bzdx

O

+b

By•dx = —

By • dx

O

55 Ces forces transversales sont beaucoup plus faibles que les forces longitudinales F (x) car elles s'exercent sur des longueurs plus courtes (largeur de la cuve).

Or:

jx, dans une cuve bien construite est nul,

6o jz est constant

Dans une cuve en long, dont les conducteurs sont habituellement disposés symétriquement par rapport au plan x Oz, Bx est antisymétrique par rapport à Ox. Il en résulte que:

Ces deux conditions sont réalisées si les courbes de Bz et By 65

F,(y)=-F4(y)

sont antisymétriques par rapport à l'axe Oy.

Cas du champ vertical Bz: dans une cuve en long, la courbe' et que ^Fj (y) sur le premier quart de la cuve = — £ F4 (y) de Bz sur chaque parallèle à Ox est antisymétrique par rapport sur le quatrième quart de la cuve.

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4

20 .

On arrive à la conclusion que, si l'on construit une cuve dans laquelle:

By (o) et Bz (M) = O

1) On diminue la valeur des champs maximaux qui, pour Bz et By, sont situés à la périphérie de la cuve.

2) Les forces de Laplace seront minimales, égales et opposées par rapport aux axes Ox et Oy.

3) Il en résultera une surface de l'interface électrolyte-nappe d'aluminium liquide, stable et pratiquement horizontale.

Il peut être également avantageux d'obtenir la réalisation d'une condition supplémentaire, relative à la composante By au centre, qui est:

dBy» (centre) _ q dz

Bien que ce gradient soit généralement assez faible, on peut chercher dans la mesure où les différentes conditions sont compatibles entre elles, à le rendre aussi proche que possible de zéro, ce qui revient, en fait, à annuler By dans toute l'épaisseur de la nappe de métal liquide, qui est faible et qui ne varie que de quelques centimètres par rapport à son niveau moyen. Afin de résoudre le problème ainsi posé, le procédé se- 25 Ion l'invention présente les caractéristiques spécifiées dans la revendication 1. Ce procédé permet ainsi de réaliser les deux conditions By (o) et Bz (M) = O et éventuellement la troisième condition = O, grâce à une disposition particulière des 30 dz conducteurs de liaison entre les différentes cuves d'une série dans laquelle elles sont disposées en long, tenant compte en outre, de l'influence du champ magnétique d'une file voisine lorsque les deux files sont situées à une distance suffisamment. 35 réduite pour qu'on ne puisse plus négliger cette influence. L'invention s'applique aux cuves en long alimentées soit par les deux têtes, soit par la tête amont et au moins une montée latérale sur chaque côté.

De façon générale, les conducteurs négatifs (conducteurs de liaison entre les cuves) sont disposées symétriquement par rapport au plan médian xOz. En se référant à la figure 1, on désignera par Y et Z les coordonnées de ces conducteurs dans le plan xOz.

Les conducteurs négatifs sont disposés parallèlement à l'axe Ox et passent sensiblement par des points dont les coordonnées Y et Z satisfaisant un premier système d'équation, permettent de réaliser les deux conditions By (o) = O, et Bz (M) = O, ou, ce qui revient au même, Bz (M) antisymétrique par rapport à l'axe Oy. Eventuellement, l'on s'efforce en outre 50 que les coordonnées Y et Z satisfassent, au m'oins approximativement à une troisième équation, permettant de réaliser la la tête amont et par des montées centrales, telles qu'elles ont été décrites dans la demande de brevet français no. 7 702 213, déposée le 19 Janvier 1977, au nom de la requérante et dont la structure est rappelée sur la figure 5, dans le cas d'une montée 5 centrale de chaque côté.

On convient d'appeler a la fraction de courant alimentant la tête amont A et (1 - a) la fraction de courant alimentant la tête aval B ou les montées latérales, selon le cas (figures 5 et 6).

On va maintenant déterminer la position des conducteurs 10 négatifs, fonction du paramètre a.

De façon à simplifier les calculs, on cherche quelle doit être l'intensité constante, dans un conducteur, qui mis à la place du croisillon d'une part, et de chaque collecteur négatif d'autre part, créerait le même champ magnétique qu'eux. On 15 trouve, alors, les intensités dites équivalentes figurant dans le tableau I ci-dessous, qui ne sont valables que pour des points situés dans le plan médian yOz.

Tableau I intensité équivalente dans:

croisillon collecteur négatif cuves à montées centrales (figure 5) a I dans tête A (1 - a) dans montées centrales

0,5 al

(0,5-0,25 a) I

cuves classiques (figure 6)

a I dans tête A (1 - a) I dans tête B

(a-0,5)1 (0,75-0,5 a) I

Cas d'une série comportant une seule file ou deux files suffisamment éloignées pour qu 'il n 'y ait pas d'interaction magnétique entre elles cas n" 1: Cuves alimentées par une tête et des montées centrales (fig. 5)

1°) Réalisation de la condition By. = O

Bv= dû au croisillon:

2 x 0,5 a I • k[

al-k!

40

45

h h formule dans laquelle k] est un coefficient expérimental qui tient compte du fait que le croisillon est formé, en pratique, de deux branches et de la discontinuité due à l'intervalle entre les croisillons de chaque cuve d'une file, k] est presque toujours voisin de 0,9 et nous conserverons cette valeur par la suite, h est la hauteur du croisillon au-dessus du plan de référence xOy.

by- dû au collecteur négatif 1 = by- dû au collecteur négatif 2 =

2(0,5 - 0,25a)I Z (l-0,5a)I-Z

1/Y2 + Z2 j/Y2 + Z2

Y2 + Z2

dB »

condition supplémentaire —£ = O ou tout au moins, de s'en dz

By- est égal à : by- (croisillon) + by- (collecteur 1) + by- (collecteur 2) et doit être égal à O.

(l-0,5a)I Z 0,9al soit: ■

d'où l'on tire:

approcher autant que possible dans la mesure où les solutions 55 sont compatibles entre elles.

Le champ de la file voisine peut être compensé au besoin au moyen d'un conducteur auxiliaire disposé le long de chaque file dans lequel on fait circuler un courant continu de sens Y2 + Z2 = inverse à celui du courant circulant dans la file, et dont l'in- 60 tensité est fournie 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 comportant deux files de cuves suffisamment éloignées pour ne pas 65 introduire d'effet de file voisine, puis le cas où il y a un effet de file voisine, et dans les deux cas, on distinguera les cuves classiques alimentées par les deux têtes et les cuves alimentées par

Y2 + Z2

+ -

2h

= O

(1 - 0,5 a) • 2 h 0,9 a

En posant jj. =

(1 - 0,5 a) 2 h 0,9 a

On a: Y2 + Z2 + |iZ = O

2°) Réalisation de la condition B:(M) = O

(1)

(2)

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bz (M) dû au croisillon = 2 • 0,5 a • I • k! a j/a2 + h2 ]/a2 + h2

bz (M) dû au collecteur 1: - 2(0,5 - 0,25 a) I

0,9 a • I • a a2 + h2

dBy° 0,9 al dz b2

5 by» dû aux collecteurs négatifs: by. = 2 x 2 x (0,5 - 0,25 a) I •

Z-dZ

Z2 + Y2 (Z - dZ)2 + Y2

\/ (Y - a)2 + Z2 1/ (Y — a)2 + Z2

-(l-0,5a)I(Y — a)

(Y - a)2 + Z2

bz (M) dû au collecteur 2:

2(0,5-0,25 a)I Y + a

(Y - a)2 + Z2 X (Y + A)2 + Z2

(1 - 0,5 a) I (Y + a)

(Y + a)2 + Z2

La condition Bz (M) = O s'écrit:

bz (M) croisillon + bz (M) collecteur 1 + bz (M) collecteur 2 = O c'est-à-dire:

fY — a Y + a "1 . +■

10

= (2- a)I x dz (Y2 - Z2)

(Y2 - Z2)2

i5 On doit avoir : dby (croisillon) + 2 dby (collecteurs) = 0

20

■ 0'9al ^ (Y2 - Z2)

solt- -- ( a) (Y2 + Z2)2 0,9 a ou h2

Y2 — Z2 (Y2 + Z2)2 (2-a) h2

= 0

25

En posant, comme précédemment p. =

{2 - a)h 0,9 a

(Y - a)2 + Z2 (Y + a)2) + Z2

3° Y2 - Z2

La condition s'écrit:-

"(Y2 + Z2)2

1

hn

0,9 a I a a2 + h2

ou en effectuant:

35

0,9 a

On remarque que:

1. |x et v sont fonctions du paramètre a, défini plus haut. On obtient donc les solutions, c'est-à-dire les valeurs de Z et Y, sous forme d'une courbe qui est le lieu géométrique de la position des conducteurs négatifs, qui réalisent les conditions 40 posées au départ.

(Z2 + Y2 - a2)2 + 4a2Z2 2 (a2 + h2) (1 - 0,5 a)

(3).

2. Les équations (5) et (6) sont indépendantes de l'intensité, dans la mesure où a et h qui interviennent dans (i et v sont constants. En fait, «h» hauteur du croisillon ne dépend pas de On remarque que I a disparu, ce qui prouve que la solu- 45 taille des cuves et «a» demi-largeur du système anodique tion sera indépendante de l'intensité traversant la cuve. peut ne pas varier si l'on procède à l'augmentation de la taille

- 09 a des cuves par simple allongement du système anodique selon

En posant v — (4) Ox. En pratique, «a» varie assez peu, et vaut, par exemple,

, ,,-n 1,20 mètres pour une cuve de 100 000 ampères et 1,50 mètres so pour une cuve de 200 000 ampères. Au-delà, pour des raisons technologiques, on n'augmente plus «a».

On a aussi v =

(a2 + h2)(l - 0,5 a Z2 - Y2 + a2

(Z2 + Y2 - a2)2 + 4a2Z2

En utilisant la valeur de y2 tirée de l'équation (2) on obtient l'équation du deuxième degré : en Z

55

Exemple 1

On a appliqué les résultats ci-dessus à une série de cuves de 100 000 ampères, à montées centrales, pour laquelle h (hauteur du croisillon au-dessus du plan xOy) = 1,77 m et a (de-(H2v + 4a2v- 2) Z2 - (I - 2a2v) Z + a2 (va2 — 1) = 0 (5) mi-largeur du système anodique) = 1,175 et comportant sur

60 chaque grand côté, 11 barres de sorties cathodiques. Dans des qui permet d'obtenir la valeur de Z que l'on reporte dans l'é- conditions, a ne peut donc varier que par fraction de 1/11. quation (2) pour obtenir la valeur de Y. Mais on Peut aussl envisager des variations continues de la valeur de a en jouant sur la résistance électrique des conduc-

3°) Réalisation de la condition:—— = 0 teurs de liaison.

dz 65 On a considéré six valeurs de a : 2/11 (0,182), 3/11 (0,273),

a Ik 0 9al 4/11(0,364)5/11(0,455), 6/11(0,545)et7/11(0,636).

On a : B • dû au croisillon : = — L'application des formules 1 à 5 donne les résultats y h h suivants:

641842

6

Tableau 2

a côte ± Y

côteZ

en m en m

0,182

6,00

- 2,04

0,273

4,38

- 1,80

0,364

3,38

- 1,57

0,455

2,68

- 1,35

0,546

2,14

- 1,11

0,636

1,66

- 0,81

Tableau 3

a

±Y Z

0,182

5,22

1,49

0,273

3,91

1,38

0,364

3,10

1,26

0,456

2,53

1,16

0,546

2,10

1,06

0,6

1,86

0,98

0,636

1,77

0,96

io

On va maintenant chercher à réaliser simultanément: dBy. „

1°) Les conditions 0 et By- = 0

dz

2°) Les conditions Bz (M) = 0 et By- = 0

et voir si les solutions sont compatibles entre elles, tout au moins de façon approchée, et si les trois conditions peuvent être réalisées simultanément: La condition By. = 0 implique

Z2 + Y2 + nZ = 0 ou Y2 = - nZ - Z2

(6A)

15

En portant la valeur de Y2 dans (6), il vient:

20

On voit que les deux courbes se coupent en un point de coordonnées Y = 1,96, Z = —1,01.

Ce point correspond à une position du conducteur à l'intérieur du caisson, mais en pratique, on peut prendre un point voisin, à l'extérieur; les deux courbes ne s'écartant que lentement, la solution reste encore acceptable.

Exemple 3

On a appliqué les mêmes résultats à une cuve de 200 000 ampères, pour laquelle h = 1,77 m, a = 1,50 m possédant également 11 barres cathodiques sur chaque grand côté. On obtient les valeurs suivantes:

Tableau 4

25

~n z-z2-z2 1

(- \iZ)2 ~ uh soit en résolvant:

z.^L

p. + 2h

En introduisant cette valeur de Z dans (6A), on trouve Y.

(7)

On pourra donc tracer, sur un diagramme, les courbes dBy.

(Y, Z) = f (a) qui satisfont d'une part = 0 et By- et d'au-

30 tre part Bz (M) = 0 et By° = 0 et voir si leur intersection donne, pour la position du conducteur, une valeur acceptable.

Exemple 2

On cherche à réaliser simultanément les trois conditions:

35

dB, dz y _

0, By» = 0, Bz (M) = 0

a

±Y

Z

0,182

6,36

- 2,34

0,273

4,58

- 2,01

0,364

3,48

- 1,70

0,455

2,69

- 1,36

0,546

1,99

- 0,91

Sur le diagramme, figure 9, on constate que les courbes de Y, Z = f (a) sont très voisines pour 100 000 ampères et 200 000 ampères, mais que la valeur a = 0,546 conduit à une impossibilité géométrique.

Les deux courbes seraient d'ailleurs en coïncidence si l'augmentation d'intensité avait été obtenue par le seul allongement de la cathode. En réalité, on a aussi élargi les anodes (facteur «a»). Si non, a et h étant constants, il en serait de même pour et v et l'équation (5) étant indépendante de l'intensité, les courbes Y, Z = f (a) seraient identiques.

N.B.: Le signe ± signifie que cette cote est valable pour les conducteurs négatifs disposés de chaque côté delà 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. Les lignes bordées de hachures indiquent l'encombrement extérieur du caisson de la cuve.

On constate que pour des valeurs de a supérieures à 0,55, les conducteurs devraient se trouver à l'intérieur de la cuve. Pour des considérations économiques, et d'encombrement, on peut donc choisir a entre 0,35 et 0,55.

On ajoute au tableau I, pour faciliter le tracé de la courbe, Y, Z = f (a) satisfaisant Bz (M) = 0 et By. = 0, une valeur de 4()a = 0,6 qui donne Y = 1,86 et Z = - 0,98.

Puis on trace la courbe Y, Z = f(a), satisfaisant les deux • dBv-

équations—i-= o et Bv- = 0. On trouve:

dz y

Cas n" 2: Cuves classiques (figure 6) alimentées par les

45 deux têtes du croisillon. Pas de file voisine. La tête A (amont).

reçoit une intensité a I, la tête B (aval) reçoit (1 — a) I.

Le calcul est identique mais les intensités équivalentes

(voir tableau I) du croisillon et des collecteurs négatifs étant différentes, les nouvelles valeurs de \i' et v' sont les suivantes:

so (1,5-a) 2 h , (1,5-a) 2h ou, aveck,= 0,9; ji' =

]i =■

kj (2 a — 1)

0,9 (2 a - 1)

(8)

— (2a— 1) kj , —0,9 (2a — 1) 55 v'= ; ou avec k,=0,9:y= - (9)

2 (a2 + h2) (1,5—a) 2(a2+h2)(I,5-a)

Les équations (10) et (11) sont donc identiques à (2) et (5), 6o soit:

Y2 + Z2 + n'Z = 0 (10)

(|i'V + 4a2v' - 2)Z2—n'(l — 2aV)Z+a2(v'a2 -1) = 0 (11)

65

Exemple 4

En fonction du résultat ci-dessus, on a déterminé la position des conducteurs négatifs pour une cuve classique de

7

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100 000 ampères, avec croisillon alimenté par les deux têtes avec h = 1,77 m et a = 1,175m et comportant également 11 barres de sorties cathodiques sur chaque grand côté.

Tableau 5 a

6/11 = 0,546 7/11 = 0,636 0,7

8/11 = 0,725 0,8

9/11 =0,818

cote ± Y en m cote Z en m

9,44 4,38 3,07 2,68 1,86 1,66

- 2,29

- 1,80

- 1,48

- 1,34

- 0,95

- 0,81

Ces valeurs sont reportées sur le diagramme, figure 10; on constate que a = 0,8 conduit à une impossibilité, et que, pour des raisons économiques, on est conduit à choisir a entre 0,65 et 0,75.

B) cas d'une série comportant deuxfiles voisines dans un même bâtiment

En pratique, la solution économique est d'installer les deux files de cuves dans le même bâtiment.

On introduit alors un champ vertical dû à la file voisine, assez uniforme en valeur et de même signe. Si l'on appelle bz (cuve) le champ vertical de la cuve avec sa file, et bz (file voisine) le champ vertical induit par la file voisine, on voit, sur le diagramme figure 11, qu'il est impossible d'obtenir simultanément:

Bz (M) = bz (M) (cuve) + bz (M) (file voisine) = 0

et

Bz (N) = bz (N) (cuve) + bz (N) (file voisine) = 0 car bz (M) cuve = — bz (N) cuve, puis qué bz est antisymétrique par rapport à Oy, alors que bz (M) (file voisine) est sensiblement égal à bz (N) (file voisine) et de même signe.

Sur cette figure 11, la courbe 1 représente la variation de bz (cuve) sans file voisine, le long de M.O.N, la courbe 2 représente la variation de bz (file voisine) le long de M.O.N, et la courbe 3 représente la variation de Bz (cuve + file voisine) le long de M.O.N.

Il faut donc compenser l'effet de la file voisine.

On a déjà, pour cela, proposé antérieurement un certain nombre de solutions par exemple, celles qui font l'objet de brevets français n° 1 079 131, déposé le 7 Avril 1953 (Compagnie PECHINEY), dans lequel on propose de créer une boucle électrique autour de la cuve, le n° 1 185 548 déposé le 29 Octobre 1957 (Elektrokemisk A.S.) dans lequel on procède à une alimentation dissymétrique des têtes A et B, de même que dans le brevet français n° 1 586 867, déposé le 28 Juin 1968 (Vsesojuzny Nauchnoissledovatelsky i Proektny Institut Alu-minievoi) ou dans le brevet français n° 2 333 060, déposé le 28 Novembre 1975 (Aluminium Pechiney) où l'on propose de positionner différentiellement les collecteurs négatifs de chaque côté de la cuve.

Ces deux dernières solutions diminuent sensiblement l'effet de file voisine, mais non uniformément sur l'ensemble de la cuve. D'autre part, by (cuve) et bz (cuve) ne sont plus antisymétriques par rapport à Ox. On crée, de ce fair une dissymétrie des forces de Laplace en Fy.

La 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, situé du côté extérieur des deux files de cuves, et placé à un distance minimale du caisson, compatible avec la sécurité électrique.

Une méthode analogue a déjà été décrite dans le brevet américain US 3 616 317. Il convient cependant de la rendre compatible avec les conditions posées précédemment, et en particulier avec l'obtention de By. = 0 et de Bz (M) = 0.

La figure 12 est une coupe schématique d'une salle d'électrolyse (1) comportant deux files voisines, dont on a représenté uniquement les systèmes anodiques 2 et 3, et, dans lesquelles les cuves sont disposées en long. Les conducteurs de s compensation sont en 4 et 5. Les conducteurs de liaison des cuves sont omis pour ne pas surcharger le dessin. Les flèches arrondies schématisent les sens du champ magnétique créé par chaque conducteur de compensation.

On appelle:

10 a: la demi-largeur du système anodique d: la distance du conducteur de compensation au bord extérieur de l'anode /: la distance entre les bords intérieurs des systèmes anodiques des deux files de cuves

15

E: le champ produit par le conducteur de compensation en M

(Côté intérieur)

F: le champ produit par le conducteur de compensation en N (côté extérieur)

20 e: le champ de la file voisine en M f: le champ de la file voisine en N m: le champ bz de la cuve sans effet de file voisine

On a, en tenant compte, des deux conducteurs de compensation:

2d + 4a + /

E = - 2i.„ (12a)

25

d2 + d (4a + /) + 4a2 + 2a/

2i

2 d + 4a + / d2 + d(4a + l

(12b)

On en déduit un rapport K

35

E d2 + d (4a + l)

K = F d2 + d(4a + 0 + 4 a2 + 2a l

(12c)

40 / et d sont des valeurs fixées à la construction et pratiquement indépendantes de la taille des cuves.

K varie avec «a» mais assez faiblement, comme le montre l'équation (12c).

Pour une série de cuves dont la distance entre anodes / = 45 7,40 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 de 100 000 ampères, où a = 1,175, identique à celle des exemples 1 et 3 : K = 0,52.

Pour une cuve de 200 000 ampères, où a = 1,5, identique 50 à celle de l'exemple 2, K = 0,47.

On peut donc se baser sur une valeur de K = 0,5.

On va maintenant choisir un schéma de cuve pour laquelle la valeur du champ vertical b2 (sans file voisine) soit m au point M, et donc — m au point N.

On détermine M par les équations :

55

60

m + e + KF = 0

-m + f + F = 0

D'où les valeurs:

Kf- e m = '

1 + k

65

F =

(e + f> 1 + k

(13a)

(13b)

641842

8

^ (e + f) K /10 X champ total Bz nul en utilisant un conducteur de compensa-

E = ï""+~k"~ tion parcouru par un courant i qui sera fonction de sa di stance au bord extérieur de l'anode.

e et f sont directement proportionnels à i, et les valeurs de m, Lorsque l'on transforme une ancienne série, pour des rai-

E et F seront donc également proportionnelles à i. On peut 5 sons de sécurité électrique et d'encombrement, d sera voisin donc définir 3 caractéristiques: de 1,80 m et l'intensité i du conducteur de compensation sera

M F E dans ce cas de 22,6 % du courant I de la série.

m' F'=—— E'=—— Dans le cas d'une série neuve d pourra être plus faible car

I 1 il se situera dans un caniveau indépendant isolé de la série.

10 Pour d = 1,20 le courant de compensation ne sera plus que valables pour toutes les cuves disposées en long, en prenant I, j 5 9 o/0 ju courant 1.

par commodité, exprimé en kilo-ampères. ^ ^ Cette méthode permet donc de minimiser le coût d'inves-

K étant voisin de 0,5, les équations peuvent s écrire, en tissement, et la consommation du conducteur de compen-pratique: sation.

0,5 f — e 15 Cette méthode de compensation va maintenant être com-

m = 77 binée avec la méthode précédemment décrite, visant à rendre

' Bz (m) et Bv (o) nuls.

F=_iî±û

1,5 20 Cas n" 3: Cuves à montée centrale (figure 5). Alimentation

(e + q du croisillon par la tête A sous une intensité ai par les montées

E centrales sous une intensité (1 — a) I. On tient compte de la file

3 voisine

Dans ce cas, la condition By. = 0 ne change pas car la file Applications pratiques 25 voisine et le conducteur de compensation étant sensiblement dans le plan du métal, ils n'ont pas d'action sur Br On a donc Exemple 5 les mêmes équations que (2) et (5) du cas n° 1.

Pour une série de cuves de 100 000 ampères, identiques à celles des exemples 1 et 2, les valeurs du champ vertical dû à la Z2 + Y2 + \iz = 0 (14)

file voisine en M et N, avec / = 7,40 m et d = 1,80 m sont res- 30

pectivement (valeurs mesurées): (1 — o,5a) 2h (1 — 0,5a) 2 h e = 24,4-10~4 Tesla avec ji1 = - ou — (15)

f= 18,9-10-4Tesla k'a '

011 K= 0,522 -d'après l'équation (12c) 35 Par contre, la condition Bz (M) est modifiée:

m' = — 0,0955- 10_4T/1000 A - d'après l'équation (13a) On a:

F'= —0,284-10-4T/1000 A -d'après l'équation(13b) bz(M) croisillon 4-bz(M) collecteur 1 + b,(M)collecteur E' = — 0,149-10~4T/1000 A -d'après l'équation (13c) 2 = m

D'où i', intensité dans le conducteur de compensation, d'à- En reprenant, le même calcul que dans le cas n° 1, on près l'équation (12a) ou (12b) = 226 A/1000 A 40 trouve:

soit 22,6% de I.

On vérifie qu'aux points M et N, on a bien: k] a

BZ(M) = BZ(N) = 0 m'~TTT2

EnM = — 9,6-10_4T - 15-10"4 + 24,4-10~4T = 0 2? - y2 + a2 a + h 1

EnN - + W0-T - 28.4-10-T - 0 « (g + y + ay + ^ * 2a

Exemple 6

Avec les mêmes cuves que dans les exemples 1 et 3, on a réduit la distance d à 1,20 m (cette réduction n'est possible que En posant:

si la disposition des cuves le permet). Il en résulte une diminu- 50 tion importante de l'intensité i dans le conducteur de compensation. k] a 0,9a • a

On£ = 0,4! m'~FTPT m'-(^TPj m' = — 0,1184-10_4T/1000 A 55 v, soit, avec k, = 0,9 = ■

F' = -0,307-10_4T/1000 A C1 ~ °>5ct)2 a C1 ~ °>5a) 2 a

E' = — 0,126-10_4T/1000 A Z2 - Y2 + a2

i'= 169 A/1000 A soit 16,9%. °n;a: — = v,

On vérifie qu'aux points M et N, on a bien Bz (M) = Bz ^ '

(N) = 0 60

EnM = — 11,8 — 12,6 + 24,4 = 0 En tirant la valeur de Y2 de l'équation (14), on obtient l'équa-

En N = + 11,8 - 30,7 + 18,9 = 0 tion du 2ème degré:

En conclusion: „

H2,vI+4a2vI—2)Z2—|xt(l—2a2Vj)Z + a2(via2 — 1) = 0 (16)

Si l'on réalise une cuve dont le champ m'par 1000 ampères au 65

0 51 _ e cette équation est identique à l'équation (5) du cas n° 1, sans point M est égal à— en 10^T, on obtiendra un file voisine, avec un nouveau coefficient Vj. Elle permet de cal-

1,5-1 (ka) culer Z que l'on reporte dans l'équation (14) pour obtenir Y.

9

641842

Exemple 7

On considère des cuves de 100 000 ampères identiques à celles des exemples 1 et 3, placées en deux files par bâtiment, avec une distance entre anode

/ = 7,40 m et un conducteur de compensation placé à une distance d = 1,80 m comme dans l'exemple 4.

On calcule de la même façon et avec les mêmes conventions pour a:

Tableau n° 6

a

± Y en m

Zen m

0,182

3,83

- 0,78

0,273

3,26

- 0,92

0,364

2,76

-0,96

0,455

2,31

- 0,92

0,546

1,90

- 0,81

Sur la figure 13, la courbe 1 en pointillés correspond à la solution du cas n° 1, la courbe 2 en trait plein, correspond à la solution tenant compte de la file voisine. On constate que, pour des raisons pratiques et économiques, on choisira a compris entre 0,35 et 0,50.

Exemple 8

On considère des cuves de 200 000 ampères, identiques à celles des exemples 1 et 3, mais placées en deux files par bâtiment, avec une distance entre anodes l = 7,40 m et un conducteur de compensation placé à une distance de 1,80 m comme dans l'exemple 5.

On obtient de la même façon, les valeurs de y et z qui sont reportées sur le diagramme, figure 14.

Tableau N" 7

a

± Y

Z

0,091

5,01

- 0,62

0,182

4,24

- 0,92

0,273

3,54

- 1,10

0,364

2,92

- 1,10

0,455

2,35

- 0,96

45

Cas n" 4: Cuves classiques (figure 6) comportant un croisillon à alimentation par la tête amont (A) sous une intensité a I et par la tête aval ( B), sous une intensité (I — a) I.

On tient compte de la file voisine.

Le calcul est identique à celui du cas n° 1, mais les intensités équivalentes du croisillon et des collecteur négatifs étant différents, on aura de nouvelles valeurs pour les coefficients ji et v.

Réalisation de la condition By (o) = 0

(1,5- a) 2h (1,5-a) 2h u', ou

k, (2a — 1) 0,9 (2a-1)

(17)

By» n'étant pas influencé par la file voisine, ni par le conducteur de compensation situé dans le plan xOy, du métal, on a:

10

Y2 + Z2 + n',Z = 0

Réalisation de la condition Bz (M): 0 La nouvelle valeur de v'! est:

(9)

m' - •

(2a — 1) k] a

+ h2

0,9 (2a- l)a m' —

a2 + h2

20

=(1,5-a)2.

25

L'équation (19) donnant z est la même que (16) avec les nouvelles valeurs de n'i et v^:

(n',,v'2,+4aV,-2)Z2-li'1(l-2aV1)Z+a2(via2-l)=0 (19)

Exemple 9

On considère des cuves classiques (figure 6) de 100 000 30 ampères, identiques à celles de l'exemple 4, placées en deux files, dans le même bâtiment, ayec une distance entre anodes, / = 7,40 m et un conducteur de compensation placé à une distance d = 1,80 m (comme dans l'exemple 5).

On obtient, de la même façon, que dans les cas précédents, les valeurs de Y et Z:

35

40

Tableau 8

a

±Y

Z

0,546

4,50

-0,50

0,636

3,33

- 0,97

0,727

2,36

-0,97

qui sont reportées sur le diagramme, figure 15.

Il résulte de ces différents exemples, compte-tenu des considérations pratiques et économiques qui conduisent à ne pas faire passe les conducteurs à une distance exagérée de la cuve ni à son contact direct, que pour la mise en œuvre de l'invention l'on choisira le coefficient a de répartition du courant;

50 égal ou inférieur à 0,55 dans le cas de cuves alimentées par une tête et au moins une montée centrale de chaque côté, et de préférence, compris entre 0,45 et 0,55, égal ou inférieur à 0,75 dans le cas de cuves classiques alimentées par les deux têtes, et de préférence, compris entre 0,75 et 0,65.

5 feuilles dessins

Claims

641 842

1. Installation de production industrielle d'aluminium comprenant des séries de cuves d'électrolyse à haute intensité, disposées en long, et des moyens pour alimenter chaque cuve en courant à partir de celle qui la précède, à la fois par la tête amont sous une fraction a de l'intensité, et par au moins un autre point situé entre la tête amont et la tête aval incluse,

sous la fraction (1-a) de l'intensité, caractérisée en ce que, en vue d'obtenir l'annulation de la composante horizontale longitudinale By du champ magnétique au centre de la cuve et de rendre antisymétrique la composante verticale Bz du champ magnétique par rapport à l'axe Oy, les conducteurs négatifs sont disposés 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:

Y2 + Z2 + nZ = 0

(|i2v + 4a2v — 2)Z2-|x(l-2a2v)Z + a2(va2-l) = 0

dans lesquelles (i et v sont des coefficients indépendants de l'intensité et dépendant uniquement de la demi-largeur «a» du système anodique de la hauteur «h» du croisillon au-dessus du plan cathodique de référence xOy, ét de la fraction a de l'intensité alimentant la tête amont de chaque cuve, les valeurs de ces coefficients étant déterminées par les relations respectives

_ (1,5 — a)2h 11 ~ 0,9 (2a- 1)

— 0,9 (2a— 1)

2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que, afin d'annuler, en outre, le gradient vertical de la composante horizontale du champ magnétique au centre de la cuve les coordonnées Y et Z des conducteurs négatifs sont déterminées de façon qu'elles satisfassent, au moins approximativement, à une troisième relation:

y2—z2 _ r

(Y2 + Z2)2

2(a2+h2) (1,5—a)

v = '

pour une cuve alimentée en courant par les deux têtes, et (1 — 0,5a)2h

H =■

0,9a — 0,9a

(a2+h2) (1—0,5a)

pour une cuve alimentée en courant par la tête amont et au moins une montée centrale, de chaque côté.

2

REVENDICATIONS

3. Procédé de mise en action de l'installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on choisit le coefficient a de répartition du courant:

- au plus égal à 0,55 dans le cas de cuves alimentées par la tête amont et au moins une montée centrale de chaque côté,

- au plus égal à 0,75 dans le cas de cuves classiques alimentées par les deux têtes.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on choisit le coefficient a entre 0,45 et 0,55, dans le cas de cuves alimentées par la tête amont et au moins une montée centrale de chaque côté.

5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on choisit le coefficient a entre 0,65 et 0,75 dans le cas de cuves classiques alimentées par les deux têtes.