EP0201438A1 - Procédé de régulation précise d'une faible teneur en alumine dans une cuve d'électrolyse ignée pour la production d'aluminium - Google Patents

Procédé de régulation précise d'une faible teneur en alumine dans une cuve d'électrolyse ignée pour la production d'aluminium Download PDF

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EP0201438A1
EP0201438A1 EP86420118A EP86420118A EP0201438A1 EP 0201438 A1 EP0201438 A1 EP 0201438A1 EP 86420118 A EP86420118 A EP 86420118A EP 86420118 A EP86420118 A EP 86420118A EP 0201438 A1 EP0201438 A1 EP 0201438A1
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EP
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alumina
rate
regulation
bath
electrolysis
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EP86420118A
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Michel Leroy
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Rio Tinto France SAS
Original Assignee
Aluminium Pechiney SA
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Publication date
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/20—Automatic control or regulation of cells

Definitions

  • the present invention relates to a process for the precise regulation of a low alumina content in an igneous electrolysis tank for the production of aluminum according to the Hall-Héroult process, this regulation also having the aim of maintaining the Faraday yield at a level high, at least equal to 94%.
  • This parameter is generally the variation of the internal resistance, or, more exactly, of the internal pseudo-resistance which is equal to:
  • Eo being an image of the counter-electromotive force of the tank, the value of which is generally assumed to be 1.65 volts, U the voltage across the terminals of the tank and J the intensity passing through it.
  • the alumina concentration is fixed in the range of 2 to 8%.
  • the variation ⁇ V, as a function of time t, of the voltage at the terminals of each tank is measured, it is compared with a predetermined value and the rate of supply of alumina is modified to bring the ⁇ V / t to the value of instructions.
  • the disadvantage of this process is that its sensitivity varies with the alumina content, which is precisely minimal in the interval used, from 3 to 5% of Al 2 O 3 (table p. 8).
  • the alumina content is also fixed in the range of 2 to 8% and, preferably, 4 to 6%.
  • the tank is supplied for a predetermined time tl with an amount of alumina greater than its theoretical consumption, until a predetermined alumina concentration is obtained (for example up to 7%), then the supply is switched at a rate equal to the theoretical consumption for a predetermined time t 2 , then the feeding is stopped until the appearance of the first symptoms of anode effect ("packaging"), and the feeding cycle is resumed higher than theoretical consumption.
  • the alumina concentration varies, during the cycle, from 4.9 to 8% (example 1) or from 4.0 to 7% (example 2).
  • slope calculation is based on successive measurements of the internal resistance R i , at equal time intervals, on the evaluation of the slope dRi / dt of variation of R. as a function of time, and the comparison of R. on the one hand and of dRi / dt on the other hand, to set values, and on the modification of the rate of introduction of alumina, so as to reduce dRi / dt and R. to the set values.
  • the search for the optimal operating mode that is to say the search for the operating parameters of the electrolytic cells giving the best cost price, or the most important profit margin for a given investment, has always been a permanent concern. for those skilled in the art.
  • the object of the invention is an improvement of the process for the precise regulation of a low alumina content in the electrolysis tank, making it possible to significantly improve the Faraday yield.
  • object of our aforementioned patent on our modern electrolysis cells operating at 175,000 or 280,000 amperes, with a so-called "acid" bath composition, this is that is to say a bath comprising more than 8% by weight of aluminum fluoride AlF 3 in excess relative to the neutral cryolite of formula Na 3 AlF 6 , we have found, contrary to the general opinion of the specialists that we indicated previously, that, despite the increase in temperature of the electrolysis bath, the current yield increased rapidly when the alumina content of the bath decreased.
  • the energy consumption per tonne of aluminum produced can be put according to the Faraday yield, F, and the voltage at the terminals of a tank, U, in the form:
  • this optimal alumina content is very close to the minimum content below which appears the "anode effect", also called “packaging” or “polarization” , which results in a very sharp rise in the voltage across the cell and in the temperature of the electrolysis bath, and in the release in significant quantities of fluorinated products from the decomposition of the electrolysis bath.
  • This parameter P is evaluated from the internal pseudo-resistance of the tank, R., itself defined by: where U is the voltage across the tank (in volts)
  • Eo is a standard value, in volts, of the dynamic counter-electromotive force of the tank, generally between 1.5 and 2.0 volts, and most often of the order of 1.65 to 1.75 volts
  • D is the alumina content drift of the electrolysis bath, expressed for example in weight percent per hour
  • P is expressed by the formula: (P being expressed in micro-ohms per second and per% weight per hour).
  • the regulation of the tank according to the invention consists in staying as long as possible in an alumina content zone, not necessarily known in a precise manner, but such that P is as close as possible to a Po value that one s 'is fixed beforehand.
  • This initial period which generally lasts only a few minutes, corresponds to the end of dissolution of the excess alumina introduced during the overeating period and not immediately assimilated by the bath.
  • Another method is to add a period of a few minutes at nominal rate after overeating before going on to undereating. After this initial period, the alumina content of the bath decreases all the more quickly the slower the feed rate, and, in parallel, the measured dR./dt slope increases.
  • the alumina content drift, D, counted in% weight per hour, is then proportional to: where C - is the rate of undernourishment counted in kg of Al 2 O 3 introduced per second and C N is the nominal rate of feed (counted in the same units). Any other coherent system of units can of course be used, for example the inverse of the time separating the introduction of 2 consecutive doses of alumina.
  • Q Al 2 O 3
  • Q (liquid bath) is the weight of liquid bath, capable of dissolving alumina, contained in the crucible of the tank (for information, if the weight of liquid bath is measured in kg, around 30 J where J is the electrolysis intensity counted in kA): note that the time constant for the melting or solidification of the bath at the slope is very large (generally of the order of several hours), this quantity does not vary only very slowly over time.
  • the target alumina content being close to the limit content triggering the appearance of a polarization of the tank, it is essential that after operating at nominal rate, the readjustment is done by preceding the search phase of the operating point (characterized by Po), during an under-timing, by an over-timing period which makes it possible to move away from this limit content before triggering the search.
  • Po search phase of the operating point
  • the regulation method according to the invention can be used only during part of the operating time of the tank, and preferably when the tank is stable.
  • K 1 is an "economic” coefficient synthesizing the economic conditions of the moment (in particular cost of energy compared to other cost items , excluding alumina)
  • K 2 is a "technical” coefficient synthesizing the technological and physicochemical characteristics of the tank (K 2 is substantially independent of K 1 )
  • this parameter Po will be maintained between the limit values of 2,100 J and 100 J.
  • K 1 is approximately equal to: (an estimate of K 1 at ⁇ 20% is more than enough to get close enough to the economic optimum).
  • this factor dF / d (Al 2 O 3 ) must be determined experimentally for each type of tank and for the various types of bath used (low acid baths, with less than 8% excess of AlF 3 , or very acid baths, with more than 8% excess of AIF 3 or with sub-additives such as LiF and MgF 2 ). Once determined, it no longer depends, as a first approximation, on economic conditions.
  • the invention has been applied to a series of electrolytic cells operating at an intensity of 280 KA, at a voltage of 4.10 volts per cell and giving a Faraday yield of 95.0% for an average alumina content in the bath. electrolysis equal to 2.3%, previously regulated according to the method of our patent FR 2 487 386 already cited (process called "slope calculation").
  • the gain on the cost price was 20 F per tonne of aluminum produced.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de régulation précise d'une faible teneur en alumine comprise entre 1 et 4,5%, dans une cuve pour la production d'aluminium par électrolyse, selon le procédé Hall-Héroult. Selon l'invention, on détermine un paramètre de régulation P = - 1/D.(dRi/dt), exprimé en microohms par seconde et par pour-cent en poids par heure, D étant la dérive de la teneur du bain d'électrolyse en alumine, exprimée en pour-cent en poids par heure, et Ri la résistance interne de la cuve, t le temps et on effectue les opérations suivantes de façon répétitive: a) On alimente la cuve à une cadence nominale CN telle que la quantité d'alumine introduite dans le bain soit sensiblement égale à la quantité consommée par l'électrolyse. b) On déclenche périodiquement une suralimentation en alumine à une cadence C<+>, supérieure à la cadence nominale CN, de façon à enrichir le bain en alumine, et pendant une durée t<+> prédéterminée. Pendant cette période, dRi/dt est négative. c) On passe en sous-alimentation, c'est-à-dire à une cadence C<-> inférieure à CN. La pente dRi/dt s'annule puis devient positive. On mesure, de façon fréquente, le paramètre de régulation P, dont la valeur tend à augmenter. d) On compare les valeurs successives de P à une valeur de consigne Po prédéterminée. Dès que P = Po, on repasse en cadence d'alimentation nominale CN et on recommence un nouveau cycle en (a).

Description

    OBJET DE L'INVENTION
  • La présente invention concerne un procédé de régulation précise d'une faible teneur en alumine dans une cuve d'électrolyse ignée pour la production d'aluminium selon le procédé Hall-Héroult, cette régulation ayant également pour but de maintenir le rendement Faraday à un niveau élevé, au moins égal à 94 %.
    • EXPOSE DE L'ART ANTERIEUR
  • Au cours des dernières années, on a progressivement automatisé le fonctionnement des cuves de production d'aluminium, tant pour en améliorer le bilan énergétique et la régularité de marche, que pour limiter les interventions humaines et améliorer le rendement de captage des effluents fluorés.
  • Un des facteurs essentiels, pour assurer la régularité de marche d'une cuve de production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans la cryolithe fondue, est la cadence d'introduction de l'alumine dans le bain. Un défaut d'alumine provoque l'apparition de "l'effet anodique", ou "emballage" qui se traduit par une augmentation brutale de la tension aux bornes de la cuve, qui peut passer de 4 à 30 ou 40 volts, et qui se répercute sur l'ensemble de la série.
  • Un excès d'alumine crée un risque de salissure du fond de la cuve par des dépôts d'alumine pouvant se transformer en plaques dures isolant électriquement une partie de la cathode. Ceci induit dans la nappe d'aluminium liquide de forts courants horizontaux locaux qui, par interaction avec les champs magnétiques, brassent la nappe d'aluminium liquide et provoquent une instabilité de l'interface bain-métal, et divers autres inconvénients bien connus de l'homme de l'art.
  • Ce défaut est particulièrement gênant lorsqu'on cherche à abaisser la température de fonctionnement de la cuve -ce qui est très favorable pour sa durée de vie et pour le rendement Faraday- en adoptant des bains dits très "acides" (à teneur élevée en AIF,) et/ou comportant des additifs divers, tels que des chlorures, des sels de lithium ou de magnésium. Mais, ces bains ont une capacité et une vitesse de dissolution de l'alumine sensiblement réduites, et leur utilisation implique que l'on régule de façon très précise la teneur en alumine, à des concentrations relativement basses et entre deux limites extrêmes proches.
  • Bien qu'il soit possible de mesurer directement la teneur en alumine des bains par analyse d'échantillons d'électrolyse, on a choisi, depuis de nombreuses années, de procéder à une évaluation indirecte des teneurs en alumine en suivant un paramètre électrique reflétant la concentration en alumine dudit électrolyte.
  • Ce paramètre est généralement la variation de la résistance interne, ou, plus exactement, de la pseudo-résistance interne qui est égale à :
    Figure imgb0001
  • Eo étant une image de la force contre-électromotrice de la cuve dont on admet généralement que la valeur est de 1,65 volts, U la tension aux bornes de la cuve et J l'intensité qui la traverse.
  • Par étalonnage, on peut tracer une courbe de variation R. en fonction de la teneur en alumine, et par mesure de R. à une fréquence déterminée selon des méthodes actuellement bien connues, on peut estimer à tout moment la concentration, symbolisée par [Al2O3].
  • On a cherché, depuis de nombreuses années, à introduire l'alumine dans le bain avec une certaine régularité de façon à maintenir sa concentration relativement stable autour d'une valeur prédéterminée.
  • Les procédés d'alimentation automatique en alumine, asservis plus ou moins rigoureusement à sa concentration dans le bain, ont été décrits notamment dans les brevets suivants : brevet français FR 1 457 746 de REYNOLDS, dans lequel la variation de résistance interne de la cuve est utilisée comme paramètre reflétant la concentration en alumine, dont l'introduction dans le bain est effectuée par un distributeur combiné avec un moyen de perçage dans la croûte d'électrolyse figé; brevet français FR 1 506 463 de V.A.W. qui est basé sur la mesure du temps qui s'écoule entre l'arrêt de l'alimentation en alumine et l'apparition de l'effet anodique; brevet américain US 3 400 062 d'ALCOA, qui met en oeuvre une "anode pilote" pour obtenir une détection précoce de la tendance à l'emballement et régler la cadence d'introduction de l'alumine, qui est distribuée à partir d'une trémie munie d'un dispositif de perçage de la croûte d'électrolyte figé.
  • Plus récemment, des procédés de régulation basés sur le contrôle de la teneur en alumine ont été décrits en particulier dans la demande de brevet japonais JA 52-28417/77 de SHOWA DENKO, et dans le brevet des Etats-Unis US 4 126 525 de MITSUBISHI.
  • Dans le premier de ces brevets, la concentration en alumine est fixée dans l'intervalle de 2 à 8 %. On mesure la variation Δ V, en fonction du temps t, de la tension aux bornes de chaque cuve, on la compare avec une valeur prédéterminée et on modifie la cadence d'alimentation en alumine pour ramener le Δ V/t à la valeur de consigne. L'inconvénient de ce procédé est que sa sensibilité varie avec la teneur en alumine, qui est précisément minimale dans l'intervalle utilisé, de 3 à 5 % d'Al2O3 (tableau p.8).
  • Dans le second de ces brevets, on fixe également la teneur en alumine dans la gamme de 2 à 8 % et, de préférence, 4 à 6 %. On alimente la cuve pendant un temps tl prédéterminé avec une quantité d'alumine supérieure à sa consommation théorique, jusqu'à l'obtention d'une concentration en alumine prédéterminée (par exemple jusqu'à 7 %), puis on commute l'alimentation sur une cadence égale à la consommation théorique pendant un temps t2 prédéterminé, puis on cesse l'alimentation jusqu'à apparition des premiers symptômes d'effet d'anode ("emballage"), et on reprend le cycle d'alimentation en cadence supérieure à la consommation théorique. Dans ce procédé, la concentration en alumine varie, au cours du cycle, de 4,9 à 8 % (exemple 1) ou de 4,0 à 7 % (exemple 2).
  • Enfin, dans notre brevet français FR 2 487 386 (Aluminium Péchiney), auquel correspondent les brevets EP 44 794 et US 4 431 491, nous avons décrit un procédé de régulation précise de la teneur en alumine, entre 1 et 3,5 % en poids, procédé selon lequel on module la cadence d'introduction de l'alumine en fonction des variations de la résistance interne de la cuve pendant des intervalles de temps prédéterminés, en alternant des cycles de durée égale d'introduction d'alumine à cadence plus lente et à cadence plus rapide que la cadence correspondant à la consommation de la cuve.
  • Ce procédé, connu sous le nom de "calcul de pente", est basé sur des mesures successives de la résistance interne Ri, à intervalles de temps égaux, sur l'évaluation de la pente dRi/dt de variation de R. en fonction du temps, et la comparaison de R. d'une part et de dRi/dt d'autre part, à des valeurs de consignes, et sur la modification de la cadence d'introduction de l'alumine, de façon à ramener dRi/dt et R. aux valeurs de consignes.
  • La recherche du mode opératoire optimal, c'est-à-dire la recherche des paramètres de marche des cuves d'électrolyse donnant le meilleur prix de revient, ou la marge bénéficiaire la plus importante pour un investissement donné, a toujours été un souci permanent pour l'homme de l'art.
  • En particulier, la recherche de l'influence des divers paramètres de marche sur le rendement en courant -appelé également rendement Faraday- a fait l'objet de nombreuses publications dont les plus significatives sont citées dans l'ouvrage de K. GRJOTHEIM et co-auteurs, intitulé "ALUMINIUM ELECTROLYSIS", dont la deuxième édition, la plus récente, a été publiée en 1982 par Aluminium VERLAG (Düsseldorf, R.F.A.).
  • Dans cet ouvrage, page 339, figure 9.11, on constate que tous les auteurs cités s'accordent pour confirmer qu'une élévation de température du bain est néfaste pour le rendement en courant. D'autre part, le diagramme de phase du système cryolithe-alumine, représenté page 29, figure 2.3, du même ouvrage, montre que la température de liquidus du bain est d'autant plus élevée que la teneur en alumine de ce bain est plus faible.
  • Il serait donc logique que le rendement Faraday soit d'autant plus élevé que la teneur en alumine du bain est plus grande. C'est, en effet, ce qu'ont cru observer de nombreux auteurs, sur des cuves industrielles, comme le montre la figure 9.20, page 356 de l'ouvrage précité.
    • EXPOSE DU PROBLEME
  • A l'heure actuelle, les conditions économiques et techniques de la production d'aluminium par le procédé Hal-Héroult exigent que l'exploitant recherche constamment à optimiser les différents facteurs qui déterminent le prix de revient du métal; parmi ces facteurs, le rendement Faraday est l'un des plus importants, et aussi un des plus fragiles, car de faibles perturbations peuvent le dégrader sensiblement. Il est donc souhaitable de rechercher tous les facteurs qui agissent sur le rendement Faraday, de façon à le maintenir à une valeur élevée et stable. Au prix actuel de l'aluminium au LME (1200 $ la tonne à fin avril 1985) 0,1 point de Faraday sur une production de 500.000 tonnes/an correspond à un gain de près de 380.000 i/an.
    • OBJET DE L'INVENTION
  • L'objet de l'invention est un perfectionnement du procédé de régulation précise d'une faible teneur en alumine dans la cuve d'électrolyse, permettant d'améliorer sensiblement le rendement Faraday. En observant la mise en oeuvre du procédé de régulation par calcul de pente, objet de notre brevet précité, sur nos cuves d'électrolyse modernes fonctionnant sous 175 000 ou 280 000 Ampères, avec une composition de bain dite "acide", c'est-à-dire un bain comportant plus de 8 % en poids de fluorure d'aluminium AlF3 en excès par rapport à la cryolithe neutre de formule Na3AlF6, nous avons constaté, contrairement à l'opinion générale des spécialistes que nous indiquions précédemment, que, malgré l'augmentation de température du bain d'électrolyse, le rendement en courant croissait rapidement lorsque la teneur en alumine du bain baissait.
  • Nous avons découvert que ce phénomène avait une amplitude jusqu'alors insoupçonnée puisque, en ramenant la teneur en alumine de 2,5 % en poids dans le bain, à 1,5 % en poids, cette baisse de 1 point de la teneur en alumine permettait de remonter le rendement en courant de 94 % à 95,7 %, soit une augmentation de 1,7 % du rendement d'électrolyse. Or, en raison de l'augmentation de la température de fonctionnement du bain d'électrolyse, qui était passée dans le même temps de 946°C à 951°C, on aurait dû logiquement observer une baisse de 1 % de ce rendement.
  • Cependant, cette augmentation de rendement s'accompagne d'une augmentation de la tension d'électrolyse, d'autant plus rapide que la teneur en alumine est plus basse.
  • La consommation énergétique à la tonne d'aluminium produite peut se mettre en fonction du rendement Faraday, F, et de la tension aux bornes d'une cuve, U, sous la forme :
    Figure imgb0002
  • D'autre part, à intensité d'électrolyse fixée J, la production d'une cuve est proportionnelle à son rendement F, c'est-à-dire que l'incidence des frais "fixes" (amortissement, frais financiers, et une grande partie des frais de main-d'oeuvre et d'entretien) est d'autant plus faible que le rendement Faraday est meilleur.
  • Compte tenu de la découverte que nous avons faite de la très forte incidence de la teneur en alumine du bain sur le rendement Faraday, on conçoit qu'il y a tout intérêt à ajuster la teneur en alumine du bain à une valeur faible, mais suffisante cependant, pour éviter que le coût énergétique dû à l'augmentation de la tension aux bornes de la cuve ne vienne surpasser les gains espérés par amélioration du rendement Faraday.
  • D'une façon générale, et pour des conditions économiques normales, cette teneur optimale en alumine se situe très près de la teneur minimale en-dessous de laquelle apparaît "l'effet d'anode", appelé également "emballage" ou "polarisation", qui se traduit par une montée très brutale de la tension aux bornes de la cuve et de la température du bain d'électrolyse, et par le dégagement en quantités importantes de produits fluorés provenant de la décomposition du bain d'électrolyse.
  • Pour éviter un tel phénomène, désastreux à la fois pour les performances énegétiques et pour l'environnement, tout en s'approchant au mieux de la teneur en alumine donnant les meilleures performances économiques, on conçoit qu'il est extrêmement important de disposer d'un procédé permettant de contrôler et de réguler très finement la teneur en alumine du bain d'électrolyse dans le domaine des basses teneurs, par exemple entre 1 % et 3 %, et de préférence entre 1 % et 2,5 %.
  • C'est un premier objet de l'invention que de fournir un tel procédé de régulation de la teneur en alumine du bain dans le domaine des basses teneurs, par l'utilisation d'un paramètre synthétique P calculable simplement à partir de mesures classiques faites sur une cuve d'électrolyse. à savoir : ia tension aux bornes de chaque cuve, l'intensité parcourant la file de cuve et la cadence d'alimentation en alumine (en kg/heure p.ex.).
  • Ce paramètre P est évalué à partir de la pseudo-résitance interne de la cuve, R., définie elle-même par :
    Figure imgb0003
    où U est la tension aux bornes de la cuve (en volts)
  • Eo est une valeur forfaitée, en volts, de la force contre-électromotrice dynamique de la cuve, généralement comprise entre 1,5 et 2,0 volts, et le plus souvent de l'ordre de 1,65 à 1,75 volts
  • J est l'intensité d'électrolyse, exprimée en kiloampères (= 103 ampères) Ri s'exprime alors en micro-ohms. (sa dérivée dRi/dt s'exprime généralement en micro-ohms par seconde).
  • Plus précisémment, si D est la dérive de teneur en alumine du bain d'électrolyse, exprimée par exemple en pour-cent poids par heure, P s'exprime par la formule :
    Figure imgb0004
    (P étant exprimé en micro-ohms par seconde et par % poids par heure).
  • La régulation de la cuve selon l'invention consiste à rester aussi longtemps que possible dans une zone de teneur en alumine, pas nécessairement connue de façon précise, mais telle que P soit aussi proche que possible d'une valeur Po que l'on s'est fixée au préalable.
    • a) Pour cela, on prévoit d'alimenter régulièrement la cuve à une cadence, dite cadence nominale CN, telle que la quantité d'alumine introduite dans le bain soit sensiblement égale à la quantité d'alumine consommée par électrolyse. Pendant ces périodes à cadence nominale, on peut ajuster sans difficulté la distance interpolaire en se basant sur la valeur de la pseudo-résistance qui est alors mesurée pour une teneur en alumine du bain sensiblement constante.
    • b) Puis, partant de cette situation stable, on déclenche, à des moments choisis, une suralimentation c'est-à-dire une alimentation en alumine à une cadence C+ supérieure à la cadence nominale CN. Dans ces conditions, le bain s'enrichit progressivement en alumine, à un rythme d'autant plus rapide que la cadence de suralimentation est plus grande.
  • La durée t+ de cette suralimentation est fixée de façon à provoquer un enrichissement en alumine du bain d'électrolyse. Notons qu'il n'est pas nécessaire de mesurer ou calculer la valeur exacte de cet enrichissement. On peut, pendant cette période de suralimentation, suivre l'évolution de la pseudo-résistance de la cuve (= dRi/dt). Il existe cependant un risque que toute l'alumine introduite ne se dissolve pas instantanément dans le bain, ce risque étant d'autant plus grand que la cadence de suralimentation est plus rapide.
  • Les valeurs de P que l'on mesure sont alors entachées d'un risque d'erreur non nul, et, d'une façon générale, on ne les utilisera que pour détecter de graves anomalies d'alimentation.
  • c) Après cette suralimentation de durée t+ fixée, on passe alors en sous-alimentation, c'est-à-dire que l'on alimente la cuve à une cadence C-plus lente que la cadence nominale correspondant à la consommation d'alumine par électrolyse. On constate généralement, au début de la sous-alimentation, que la pente (dRi/dt), normalement négative pendant la suralimentation, met un certain temps pour s'annuler puis pour prendre des valeurs positives de plus en plus grandes.
  • Cette période initiale, qui ne dure généralement que quelques minutes, correspond à la fin de dissolution de l'alumine en excès introduite lors de la période de suralimentation et non immédiatement assimilée par le bain.
  • On peut facilement neutraliser cette période initiale où la teneur en alumine du bain n'évolue pas conformément à la cadence d'introduction de cette alumine : en effet, par des mesures fréquentes, nous avons constaté que la durée de cette période initiale était de l'ordre de 2 à 3 fois la durée séparant le lancement de la période de sous-cadencement et le moment où la pente de dR./dt calculée passait par la valeur O.
  • . Une autre méthode consiste à intercaler après la suralimentation une période de quelques minutes en cadence nominale avant de passer en sous alimentation. Après cette période initiale, la teneur en alumine du bain décroît d'autant plus vite que la cadence d'alimentation est plus lente, et, parallèlement, la pente dR./dt mesurée augmente.
  • La dérive de teneur en alumine, D, comptée en % poids par heure, est alors proportionnelle à :
    Figure imgb0005
    où C- est la cadence de sous-alimentation comptée en kg d'Al2O3 introduite par seconde et CN est la cadence nominale d'alimentation (comptée dans les mêmes unités). Tout autre système cohérent d'unités peut bien sur être utilisé, par exemple l'inverse du temps séparant l'introduction de 2 doses d'alumine consécutives.
  • Q(Al2O3) est le poids d'alumine consommé par unité de temps, par électrolyse. . Q (bain liquide) est le poids de bain liquide, capable de dissoudre de l'alumine, contenu dans le creuset de la cuve (à titre indicatif, si le poids de bain liquide est mesuré en kg, de l'ordre de 30 J où J est l'intensité d'électrolyse comptée en kA) : notons que la constante de temps pour la fusion ou la solidification de bain au niveau du talus étant très grande (généralement de l'ordre de plusieurs heures), cette quantité ne varie que très lentement dans le temps.
  • A titre d'exemple, pour une cuve 280 kA contenant 8000 kg de bain liquide et consommant 170 kg d'alumine par heure, et une cadence C- = 0,7 CN, il vient D - - 0,64 % par heure.
  • On peut alors mesurer de façon fiable et fréquente le paramètre synthétique P = -1/D . (dRi/dt).
    • d) Au fur et à mesure que la sous-alimentation se prolonge, la valeur de P, initialement inférieure à la valeur visée Po, augmente et finit par atteindre cette valeur visée. Cet événement se produit au bout d'un temps t- de sous-cadencement que l'on ne peut prévoir de façon certaine et généralement différent du temps t+ de surcadencement.
    • e) On repasse alors en cadence nominale CN, c'est-à-dire à une cadence d'alimentation égale au rythme de consommation de l'alumine par électrolyse, pendant un temps t. au bout duquel le cycle de mesure et ajustement redémarre en (a).
  • La teneur en alumine visée étant proche de la teneur limite déclenchant l'apparition d'une polarisation de la cuve, il est essentiel qu'après un fonctionnement à cadence nominale, le recalage se fasse en faisant précéder la phase de recherche du point de fonctionnement (caractérisé par Po), pendant un sous-cadencement, par une période de surcadencement qui permet de s'éloigner de cette teneur limite avant de déclencher la recherche.
  • Bien entendu, le procédé de régulation selon l'invention peut n'être utilisé que pendant une partie du temps de fonctionnement de la cuve, et de préférence lorsque la cuve est stable.
  • Certaines opérations perturbent en effet le fonctionnement normal, et c'est particulièrement le cas des opérations de changement d'anodes et de coulée du métal produit.
  • Il est bien évident pour l'homme de l'art que l'on pourra adopter des algorithmes de régulation particuliers pendant et après le déroulement de ces opérations perturbatrices, jusqu'à ce que la cuve ait retrouvé une stabilité de marche suffisante.
  • Il est évident également pour l'homme de l'art que l'on pourra intercaler, entre l'étape de suralimentation (3) et l'étape de sous-alimentation contrôlée (4) une étape supplémentaire d'alimentation en cadence nominale -ou de légère sur ou sous-alimentation- sans que ceci ne perturbe sensiblement le procédé selon l'invention, c'est-à-dire n'empêche de rechercher le point de fonctionnement tel que P = -1/D (dRi/dt) soit proche de Po.
  • En ce qui concerne l'estimation de la valeur de Po correspondant à un fonctionnement de la cuve le plus proche de l'optimum économique, il nous est apparu que Po pouvait être décrit par une équation très simplifiée :
    Figure imgb0006
  • où : Po est exprimé en micro-ohms par seconde et par pour-cent poids par heure, K1 est un coefficient "économique" synthétisant les conditions économiques du moment (en particulier coût de l'énergie comparé aux autres postes du prix de revient, hors alumine), K2 est un coefficient "technique" synthétisant les caractéristiques technologiques et physicochimiques de la cuve (K2 est sensiblement indépendant de K1), J est l'intensité de marche de la cuve, exprimée en kilo-ampères (= 103 Ampères).
  • De préférence, ce paramètre Po sera maintenu entre les valeurs limites de 2 100 J et 100 J.
  • L'estimation de K1 et K2 peut se faire comme suit :
    • Le coefficient économique K1 synthétise les conditions économiques du moment. Il est sensiblement égal au rapport de la somme des coûts fixes de transformation (hors alumine), comprenant en particulier le coût de l'énergie et des produits carbonés consommables, de la main-d'oeuvre et des amortissements, frais financiers compris, au coût de l'énergie.
  • A titre d'exemple illustratif et non limitatif, une bonne approximation de ce coefficient K1 peut être obtenue en décomposant comme suit les coûts de production d'une tonne d'aluminium.
    • A = coût de l'alumine et matières premières diverses (hors carbone),
    • C = coût des matières premières carbonées,
    • E = coût de l'énergie (électrolyse et captation),
    • P = autres coûts de production (essentiellement main-d'oeuvre et frais d'entretien)
    • AFF = amortissements et frais financiers.
  • On écrit alors que K1 est approximativement égal à :
    Figure imgb0007
    (une estimation de K1 à ± 20 % est largement suffisante pour s'approcher suffisamment de l'optimum économique).
  • A titre d'exemple, pour un coût de production de l'aluminium se décomposant en :
    • Figure imgb0008
      Figure imgb0009
      Figure imgb0010
      Figure imgb0011
      Figure imgb0012
      il vient : KI = 1000+2000+2000+1200/2000 = 6200/2000 = 3,10
  • Le coefficient "technique" K2 synthétise les caractéristiques technologiques et physicochimiques de la cuve et peut être évalué comme suit :
    • On trouve expérimentalement en première approximation (généralement suffisante pour déterminer une conduite de cuves suffisamment optimisée) :
      Figure imgb0013
      où : U est la tension aux bornes de la cuve, comptée en volts, généralement comprise entre 3,8 et 5,5 volts pour des cuves correctement conduites par l'homme de l'art, F est le rendement Faraday de la cuve, généralement compris entre 0,88 et 0,96 pour ces mêmes cuves correctement conduites dF/d(Al2O3) est la dérivé algébrique du rendement Faraday par rapport à la teneur en alumine du bain, comptée en % de Faraday par % d'alumine, dans la zone des teneurs en alumine comprises entre 1 % et 4 %, et de préférence dans la zone de teneurs en Al2O3 comprise entre 1,5 % et 3 %.
  • Ce facteur dF/d(Al2O3) dépend de nombreux facteurs tels que la composition du bain (acidité = excès d'AlF3), sa surchauffe (c'est-à-dire l'écart entre la température effective du bain et sa température de solidification commençante), l'équilibre magnétique (et en particulier l'agitation et la déformation de l'interface bain/métal).
  • D'une façon générale, ce facteur dF/d(Al2O3) doit être déterminé expérimentalement pour chaque type de cuve et pour les divers types de bains utilisés (bains peu acides, à moins de 8 % d'excès d'AlF3, ou bains très acides, à plus de 8 % d'excès d'AIF3 ou avec des sous--additifs tels que LiF et MgF2). Une fois déterminé, il ne dépend plus, en première approximation, des conditions économiques.
  • A titre d'exemple non limitatif, pour une cuve d'intensité nominale 280 KA, fonctionnant avec un bain à 13 % d'excès d'AlF3 et moins de 1 % de LiF, avec une température de bain d'environ 950°C et une teneur en alumine comprise entre 1,7 % et 2,5 %, on a trouvé :
    Figure imgb0014
    (c'est-à-dire que le rendement Faraday augmente de 1,5 % quand la teneur en alumine baisse de 1 %).
  • Pour cette même cuve, dans les mêmes conditions de fonctionnement, on a mesuré
    Figure imgb0015
    Figure imgb0016
    On en déduit le coefficient technique K2 pour ce type de cuve travaillant en bain acide :
    Figure imgb0017
    • EXEMPLE DE MISE EN OEUVRE
  • L'invention a été appliquée sur une série de cuves d'électrolyse fonctionnant à une intensité de 280 KA, sous une tension de 4,10 volts par cuve et donnant un rendement Faraday de 95,o % pour une teneur moyenne en alumine du bain d'électrolyse égale à 2,3 %, régulée auparavant selon le procédé de notre brevet FR 2 487 386 déjà cité (procédé dit "à calcul de pente").
  • La production journalière de la série, par cuve, était de 2.145 kg/jour, pour une consommation énergétique de 12.860 kWh/tonne.
  • On a déterminé le paramètre Po en prenant pour :
    • K1 la valeur de : 3,10
    • K2 la valeur de : + 1,8/100
    • (J nominal étant égal à 280 KA)
  • d'où Po = + 200.10-6 (microohms par seconde, par % par heure)(ce qui correspond à 5,6 100 J
  • Ayant choisi une cadence de sous alimentation C-égale à 70 % de la cadence nominale CN, correspondant à une dérive de teneur en alumine D = -0,64 % par heure, on s'est alors placé selon la méthode de recherche précédente, au point de fonctionnement tel que dRi/dt = - Po x D = + 130.10-6 microohm/seconde au moment où l'on enclenchait la cadence nominale CN.
  • On a obtenu les résultats suivants :
    Figure imgb0018
  • Le gain sur le prix de revient (amortissements et frais financiers compris) a été de 20 F par tonne d'aluminium produite.

Claims (7)

1. Procédé de régulation précise d'une faible teneur en alumine comprise entre 1 et 4,5 %, dans une cuve pour la production d'aluminium par électrolyse, selon le procédé Hall-Héroult, caractérisé en ce que, dans le but d'obtenir un rendement Faraday au moins égal à 94 %, on détermine un paramètre de régulation P = -1/D.(dRi/dt), exprimé en microohms par seconde et par % en poids par heure, D étant la dérive de la teneur du bain d'électrolyse en alumine, exprimée en % en poids par heure, et Ri la résistance interne de la cuve, t le temps et on effectue les opérations suivantes de façon répétitive :
a) on alimente la cuve à une cadence nominale CN telle que la quantité d'alumine introduite dans le bain soit sensiblement égale à la quantité consommée par l'électrolyse.
b) On déclenche périodiquement une suralimentation en alumine à une cadence C+, supérieure à la cadence nominale CN, de façon à enrichir le bain en alumine, et pendant une durée t+ prédéterminée. Pendant cette période, dRi/dt est négative.
c) On passe en sous-alimentation, c'est-à-dire à une cadence C- inférieure à CN. La pente dRi/dt s'annule puis devient positive. On mesure, de façon fréquente, le paramètre de régulation P, dont la valeur tend à augmenter.
d) On compare les valeurs successives de P à une valeur de consigne Po prédéterminée. Dès que P = Po on repasse en cadence d'alimentation nominale CN et on recommence un nouveau cycle en (a).
2. Procédé de régulation, selon revendication 1, caractérisé en ce que, après le stade b) de suralimentation, on passe, pendant quelques minutes, en cadence normale CN avant de passer en sous-alimentation.
3. Procédé de régulation, selon revendication 1, caractérisé en ce que, après le stade b) de suralimentation, on passe, pendant quelques minutes, à une cadence peu différente de CN.
4. Procédé de régulation, selon revendication 1, caractérisé en ce que la valeur de consigne Po du paramètre de régulation P est déterminé à partir de l'intensité J en kA du courant d'électrolyse et de deux coefficients K1, lié aux coûts de production, et K2 lié aux caractéristiques physicochimiques de la cuve, selon la relation Po = K1K2/J.
5. Procédé de régulation, selon revendication 4, caractérisé en ce que le coefficient K1 est sensiblement égal au rapport de la somme des coûts fixes de transformation (énergie, produits carbonés consommables, main-d'oeuvre, amortissements) au coût de l'énergie électrique.
6. Procédé de régulation, selon revendication 4, caractérisé en ce que le coefficient K2 est sensiblement égal à :
Figure imgb0019
7. Procédé de régulation, selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la valeur de consigne Po du paramètre de régulation P exprimée en microohms par seconde et par pour-cent en poids par heure est fixée entre 2/100.J et 10/100.J, l'intensité J du courant d'électrolyse étant exprimée en kA.
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