EP1451390A2 - PROCEDE ET DISPOSITIF DE DETECTION DES EFFETS D ANODE D&apos ;UNE CELLULE D ELECTROLYSE POUR LA PRODUCTION D ALUMINI UM - Google Patents

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DETECTION DES EFFETS D ANODE D&apos ;UNE CELLULE D ELECTROLYSE POUR LA PRODUCTION D ALUMINI UM

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Publication number
EP1451390A2
EP1451390A2 EP02801097A EP02801097A EP1451390A2 EP 1451390 A2 EP1451390 A2 EP 1451390A2 EP 02801097 A EP02801097 A EP 02801097A EP 02801097 A EP02801097 A EP 02801097A EP 1451390 A2 EP1451390 A2 EP 1451390A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signals
anode
tui
detection method
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02801097A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Christian Delclos
Olivier Bonnardel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rio Tinto France SAS
Original Assignee
Aluminium Pechiney SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aluminium Pechiney SA filed Critical Aluminium Pechiney SA
Publication of EP1451390A2 publication Critical patent/EP1451390A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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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 invention relates to aluminum production cells by electrolysis of alumina dissolved in an electrolyte based on molten cryolite, in particular according to the Hall-Héroult process. It relates in particular to a device and a method for detecting the effects of anode.
  • Aluminum metal is produced industrially by igneous electrolysis, namely by electrolysis of alumina in solution in a bath based on molten cryolite, called electrolyte bath, in particular according to the well-known Hall-Héroult process.
  • the electrolyte bath is contained in cells, called “electrolysis cells”, comprising a steel box, which is coated internally with refractory and / or insulating materials, and a cathode assembly located at the bottom of the cell. Anodes are partially immersed in the electrolyte bath.
  • electrolysis cell normally designates the assembly comprising an electrolysis cell and one or more anodes.
  • the electrolysis current which circulates in the electrolyte bath and the liquid aluminum sheet via the anodes and cathode elements, operates the aluminum reduction reactions and also makes it possible to maintain the bath. electrolyte at a temperature of around 950 ° C by the Joule effect.
  • the electrolysis cell is regularly supplied with alumina so as to compensate for the consumption of alumina produced by the electrolysis reactions.
  • One of the essential factors ensuring the regularity of operation of an aluminum production tank by electrolysis of alumina dissolved in a molten electrolysis bath based on cryolite is the maintenance of an appropriate content of alumina dissolved in this electrolyte and therefore the adaptation of the quantities of alumina introduced into the bath to the consumption of alumina from the tank.
  • an alumina defect can in particular cause the appearance of the "anode effect", that is to say the polarization of an anode, with sudden rise in the voltage across the terminals of the cell. and release in large quantities of fluorinated and fluorocarbon (CF X ) products, whose high absorption capacity of infrared rays promotes the greenhouse effect.
  • CF X fluorinated and fluorocarbon
  • the alumina content regulation methods consist in modulating the supply of alumina as a function of the value of R and of its evolution over time. This basic principle has been the subject of numerous patents until very recently (see for example the French application FR 2,749,858 corresponding to the American patent US 6,033,550).
  • the subject of the invention is a method for early detection of the effects of anode in an aluminum production cell by molten salt electrolysis, in which a first electrical voltage signal Ul and at least a second electrical voltage signal are measured. U2 at two separate locations in said cell, and in which the value of at least one risk indicator for the appearance of an anode effect A (or “anticipated anode effect indicator A”) is determined at from an analysis of said signals Ul, U2, ..., capable of signaling in advance, or even early, a high risk of occurrence of an anode effect.
  • An anticipated anode effect indicator A is typically determined from a comparison of the signals Ul, U2, ... More specifically, the indicator A (or the indicators Al, A2, ...) is (are ) typically determined from a function
  • comparison (U1, U2, U3, 7), called comparison, which is preferably able to quantify the spreading of the signals, and more specifically the differences E between the signals Ul, U2, U3, ...
  • an indicator A can be given by an algebraic difference between the two electrical voltages when two voltage signals are measured, or by an algebraic difference between extreme values (for example between the most separate signals) or enters at least two signals when measuring more than two voltage signals.
  • an indicator A can be determined statistically, for example by a standard deviation between all the signals. It can also be determined by more sophisticated analog or digital processing.
  • the indicator (s) A are preferably determined from the time course of the comparison function F (U1, U2, 7), typically from the time course of at least one difference E between Ui signals (for example, an algebraic deviation, a standard deviation, ).
  • an advance anode effect indicator A can be given by a time evolution indicator B of the comparison function.
  • the Applicant has observed that, unexpectedly, a large part of the anode effects started long (up to several tens of minutes) before the effective arrival of the anode effect and that this primer corresponded to a beginning of polarization which result in a modification of the distribution of the electric voltage in the cell, in particular in the vicinity of the anode likely to be polarized. It also found that voltage measurements in at least two separate places of an electrolysis cell made it possible to reliably and early detect the initiation of an anode effect.
  • the subject of the invention is also a method for regulating a molten salt electrolysis cell for the production of aluminum, comprising the method of early detection of anode effect according to the invention.
  • the invention also relates to a device for early detection of the effects of anode in an aluminum production cell by molten salt electrolysis, capable of implementing the detection method according to the invention, comprising at least a first means for measuring a first electrical voltage signal Ul on said cell, at least second means for measuring at least a second electrical voltage signal U2 on said cell, and at least means for determining an anode effect indicator A from an analysis of said electrical voltage signals Ul, U2, ...., typically from a comparison of these and, possibly, from a quantification of the temporal evolutions of the differences between them .
  • the subject of the invention is also an electrolysis cell and a system for regulating a molten salt electrolysis cell for the production of aluminum comprising a device for early detection of anode effect according to the invention.
  • FIG. 1 represents, in cross section, a typical electrolysis cell using prebaked anodes made of carbonaceous material.
  • Figure 2 illustrates a method of measuring the voltage across an electrolytic cell according to the invention.
  • FIG. 3 schematically illustrates a device for early detection of anode effect according to the invention
  • FIG. 4 schematically illustrates part of a device for early detection of anode effect according to the invention.
  • Figures 5 and 6 show voltage and current signals measured according to the invention on an electrolysis cell.
  • the invention advantageously applies to an electrolysis cell (1) for the production of aluminum by electrolytic reduction of the alumina dissolved in an electrolyte bath (15) based on cryolite, in particular by the process of Hall-Héroult electrolysis.
  • an electrolysis cell (1) for the production of aluminum by the Hall-Héroult electrolysis process typically comprises a tank (20), at least one anode (13), at least a cathode (5) and means for supplying alumina (18).
  • the tank (20) has internal side walls (3) and is capable of containing a bath of liquid electrolyte (15).
  • the cell (1) is able to circulate in said bath a so-called electrolysis current having an intensity I.
  • the aluminum produced by said reduction normally forms a sheet called "liquid metal sheet" (16) on the cathode (s) (5).
  • the anodes (13) are typically supported by the fixing means (11, 12) to an anode frame (10), which can be mobile.
  • the tank (20) normally comprises a steel casing (2), interior cladding elements (3) and cathode elements (5, 6), which include connecting bars (or cathode bar) (6) to which the electrical conductors (7, 8) for conveying the electrolysis current.
  • electrolysis whose total intensity is Io
  • the electrolysis current flows through the electrolyte bath (15) via the anode (s) (13) and the cathode (s) (5). It passes from one electrolysis cell to the next via the connection conductors (7 to 12), and more precisely via the cathode connection conductors (6, 7, 8) of a tank, called upstream, and anodic connecting conductors (9, 10, 11, 12) of the next tank, called downstream.
  • the supply of alumina to the cell is intended to compensate for the substantially continuous consumption of the cell which essentially comes from the reduction of alumina to aluminum metal.
  • the supply of alumina, which is carried out by adding alumina to the liquid bath (15), is generally regulated independently.
  • the feeding means (18) typically include metering sticks (19) capable of piercing the alumina crust (14) and of introducing a dose of alumina into the opening (19a) formed in the alumina crust by drilling.
  • the aluminum metal (16) which is produced during electrolysis normally accumulates at the bottom of the tank and a fairly clear interface is established between the liquid metal (16) and the bath based on molten cryolite ( 15).
  • the position of this bath-metal interface varies over time: it rises as the liquid metal accumulates at the bottom of the tank and it drops when liquid metal is extracted from the tank.
  • the method for early detection of an anode effect in a cell (1) for the production of aluminum by electrolysis in molten salt is characterized in that it comprises:
  • the detection method according to the invention includes the measurement of N electrical voltage signals Ui, N being advantageously greater than 2.
  • N being advantageously greater than 2.
  • the use of several signals makes it possible to increase the reliability of the early detection and to locate more precisely the zone of the tank which is likely to lead to an effect of 'anode.
  • a preventive treatment of the anode effect could include, for example, a local modification of the supply of alumina (typically in the area detected by the measurements).
  • said electrical voltage signals Ui are normally measured as a function of time. They are typically measured analogically and then converted into digital signals for processing.
  • the comparison function F (U1, U2 ,. march) can be given by an equivalent function F '(TU1, TU2, 7) which uses as arguments preprocessed signals TU1, TU2, ...., that is ie the signals TU1, TU2, .... originating from a pre-processing of the signals Ul, U2, ...
  • the pre-processing comprises sampling, at a determined frequency Fe, of the real signals Ul , U2, ..., and possibly one (or more) additional processing operation (s) of at least one of the signals.
  • An anti-aliasing low-pass filter is advantageously included in the pretreatment. Signals can be processed analog and / or digital. It is also possible that only certain
  • the frequency filtration operation can be of different types. It has been found advantageous to use a low-pass type filter.
  • the cutoff frequency of this filter is advantageously between 0.001 and 1 Hz.
  • the low and high cut-off frequencies of the band pass type frequency filter are advantageously respectively between 0.001 and 1 Hz and between 1 and 10 Hz (typically 0.5 and 5 Hz).
  • the preprocessing comprises two frequency filters, one of the low pass type (with a cutoff frequency typically equal to approximately 0.5 Hz) which gives a first preprocessed signal TUi, l 'other of the bandpass type (with a low cut-off frequency typically equal to approximately 0.5 Hz and a high cut-off frequency typically equal to approximately 5 Hz) which gives a second pre-processed signal TUi'.
  • the method comprises two comparison functions F, one relating to the signals TUi, the other relating to the signals TUi '.
  • the preprocessing comprises three frequency filters: a first of the low-pass type (with a cutoff frequency typically equal to approximately 0.003 Hz) which gives a first pre-processed signal TUi, a second of bandpass type (with a low cutoff frequency typically equal to approximately 0.003 Hz and a high cutoff frequency typically equal to approximately 0.5 Hz) which gives a second pre-processed signal TUi ', and a third of the bandpass type (with a low cut-off frequency typically equal to approximately 0.5 Hz and a high cut-off frequency typically equal to approximately 5 Hz) which gives a third pretreated signal TUi ".
  • the method includes three comparison functions F , the first relating to the signals TUi, the second relating to the signals TUi 'and the third relating to the signals TUi ".
  • said at least one comparison function F (U1, U2, ...) (or possibly F '(TU1, TU2, ...)) is given by a difference E between said signals (Ul, U2, U3, .%) or between the preprocessed signals (TUI, TU2, ).
  • the comparison function F (U1, U2, ...) can be given by a difference E between at least two voltage signals Ul, U2 ,.esc. or between at least two pre-processed voltage signals TUI, TU2, ....
  • the difference E can be given by an algebraic difference between the signals Ui or pre-processed signals TUi, for example by the greatest difference between all the signals Ui or pre-processed signals TUi (typically the difference between the most separated signals, at a given time, or over a given period of time).
  • the deviation E can also be given by a standard deviation between the signals Ui or preprocessed signals TUi.
  • At least one anticipated anode effect indicator A can be equal to a comparison function F (U1, U2, %) or F '(TU1, TU2, ).
  • the value of at least one risk indicator for the appearance of an anode effect A can also be determined on the basis of temporal changes in the one or more comparison functions F or F ′. These changes can be given by a time change indicator B of a comparison function F (U1, U2, ...) or F '(TU1, TU2, ).
  • the comparison function F (U1, U2, 7) is given by a difference E between at least two voltage signals Ul, U2, .... or between at least two preprocessed voltage signals TUI, TU2, ....
  • the evolution indicator B can be proportional to the difference between the value E (t) of a deviation E at time t and its value E (t - to ) at time t - to, where to is an adjustable parameter.
  • Indicator A can signal a strong risk of an anode effect appearing when its value is greater than a given threshold value S.
  • the process signals this strong risk when the value of a deviation E (and more generally E (t)) is greater than a threshold value Se given or when the evolution of the value of the comparison function F or F ' is greater than a given threshold value St.
  • the detection method further comprises a test operation capable of revealing the susceptibility of an electrolysis cell to the triggering of an anode effect.
  • This test operation typically involves a temporary reduction in the rate of supply of the cell with alumina
  • the regulation method according to the invention advantageously comprises an operation for the preventive treatment of the anode effects capable of eliminating the anode effects which are detected in advance, which can be activated when an anode effect has been detected from anticipated way.
  • This operation is normally triggered as a function of the value of the function F (or F '), typically when a difference between at least two signals Ui or between at least two pre-processed signals TUi exceeds a given threshold Se, or when the time evolution of this deviation exceeds a given threshold
  • the preventive treatment typically includes a modification of the position of the anode (s) relative to the cathode (s), an over-supply of alumina compared to the normal supply rate, or a combination of these operations.
  • the regulation process advantageously takes into account the operating operations which are likely to give disturbed values for the function F (or F ′), and therefore for the indicator (s) A, such as the changes of anode.
  • the cell (1) advantageously comprises at least one adjustment means such as a mobile anode frame (10) to which the anode (s) (13) is fixed or a means control of the alumina supply means (18, 19).
  • adjustment means such as a mobile anode frame (10) to which the anode (s) (13) is fixed or a means control of the alumina supply means (18, 19).
  • the regulation method further comprises: -
  • the regulation method further comprises:
  • Intensity I is typically the total intensity lo circulating in the cells. It is also possible to use the intensity I of other currents flowing in a series of electrolysis cells, such as the current flowing in an anode, in a connecting conductor or in a cathode bar.
  • This variant of the invention notably makes it possible to reduce the so-called “signal / noise” ratio.
  • the device for early detection of an anode effect in an aluminum production cell by electrolysis in molten salt is characterized in that it comprises:
  • - at least a first means (321 to 344) for measuring a first electrical voltage signal Ul between a first cathode measurement point (301 to 304) on a cathode link conductor (6, 7, 8) and a first anode measurement (311 to 314) on an anode link conductor (9, 10, 11, 12);
  • - at least a second means (321 to 344) for measuring a second electrical voltage signal U2 between a second cathode measuring point (301 to 304) on a cathode connecting conductor (6, 7, 8) and a second point of anode measurement (311 to 314) on an anode link conductor (9, 10, 11, 12), at least one of these second measurement points being distinct from said first measurement points;
  • the device may also include means for determining the value of at least one risk indicator for the appearance of an anode effect A on the basis of the temporal evolutions of the said comparison function (s) F or F '.
  • the means for measuring the electrical voltage signals Ul, U2, ... advantageously include electrical conductors (32, 321, 322, 323, 324, ..., 33, 331, 332, 334, ...) - typically in the form of wires or cables - one end of which is connected to a measuring point (30, 301, 302, 303, 304, ..., 31, 311, 312, 313, 314, ...) on the cell and another end is connected to a voltage measuring means (34, 341, 342, 343, ...), such as a voltmeter.
  • the measurement points (30, 301, ..., 31, 311, ...) of the electrical voltage can be achieved by any known means, such as by screws, notching, etc.
  • Certain voltage measurement means (30, 31, 32, 33, 34, 7) can be permanently fixed to the cell. They are advantageously installed on the fixed parts of the cell, such as the fixed conductors (7, 8, 9, 10), which, in particular, makes it possible to avoid measurement interruptions and the reinstallation of the measurement means during anode changes.
  • Said electrical voltage signals Ul, U2, U3, ... are advantageously measured between a collector (8) and a rise (9), preferably in the lower part (9a) of said rise (as illustrated in the Figure 2), which in particular makes it possible to simplify the wiring (32, 321, 322, ..., 33, 331, ...) and facilitate access to the measurement points (30, 301, ..., 31, 311, ).
  • the means (351-354, 40) for evaluating at least one comparison function F (or F ') of said voltage signals Ui advantageously comprise at least one pre-processing means (401-404) for pre-processing at least one Ui signals or equivalent signals Si.
  • the means for pre-processing typically comprises at least one frequency filter, and advantageously a low-pass or band-pass filter.
  • the means for pre-processing can also be a means for sampling, at a determined frequency Fe, the signals Ul, U2, ....
  • the device can also include one or more elements typically chosen from analog / digital converters (ADC), amplifiers (G), frequency filters (low-pass, band-pass or other), sub-samplers, means for calculating an average on a signal (of RMS type or other), means for calculating an average Um at least one signal Ui or several signals Ui, and known mathematical operators (such as the means for subtracting a reference value Uo, and more precisely for calculating a difference between each signal Ul, U2 ,. .. or preprocessed signal TUI, TU2, ... and a reference value Uo, Uo being typically an average Um).
  • the cut-off frequency of the low-pass filter is typically between 0.001 and 1 Hz.
  • the low and high cut-off frequencies of the band-pass filter are typically respectively between 0.001 and 1 Hz and between 1 and 10 Hz.
  • the device can also include means for determining an average value Um of the signals Ul, U2, ... or of the pre-processed signals TUI, TU2, ...
  • the device can include means (40, 411) for determining a deviation E (and more generally E (t)) (such as an algebraic deviation, a standard deviation, ...) between at least two voltage signals Ul , U2, .... or between at least two pre-processed voltage signals TUI, TU2, ....
  • the device can also include a means for determining a temporal evolution of at least one function for comparing the signals F (U1, U2, ...) or F '(TU1, TU2, 7), such as the evolution time difference E (and more precisely E (t)) between at least two voltage signals Ul, U2, .... or between at least two pre-processed voltage signals TUI, TU2, ....
  • the means for evaluating a function F (or F ') (40, 401, ..., 404, 411) and for determining an anode effect indicator A (50) can advantageously be grouped into one, typically at using a common electronic and / or computer circuit.
  • the regulation system of an electrolysis cell according to the invention further comprises:
  • the regulation system further comprises:
  • a means for measuring at least one intensity signal I of an electrolysis current typically the total intensity lo circulating in the cells
  • the electrical voltage and current measurements were carried out on an electrolytic cell in which a current with a total current of approximately 500 kA was flowing. The measurements spanned several weeks. Six voltage signals Ui were measured at 6 different places in the tank, between anodic measuring points and separate cathodic measuring points. The current flowing in 6 separate anodes was also measured as a function of time.
  • FIG. 5 corresponds to the current signals Ii (graph A) and of voltage Ui (graph B), as a function of time t, digitized and pretreated using a low-pass filter whose cutoff frequency was 0 , 5 Hz.
  • Figure 6 corresponds to the same digitized signals, but pretreated using a bandpass filter whose cutoff frequencies were 0.5 Hz and 5 Hz.
  • graph C gives the difference between each filtered voltage signal Ui and the average Um of the 6 filtered voltage signals.
  • the letters CA identify when an anode was changed.
  • Figure 5 shows that the spread of the low-pass filtered signals gradually increased before the polarization events.
  • the spread increased significantly (from 9 mV to more than 30 mN) from 90 minutes before the strong polarization observed after the temporary cessation of the supply of alumina (noted SA in FIG. 5 ).
  • SA temporary cessation of the supply of alumina
  • the spread increased significantly (from 7.5 mN to 12 mN) from 30 minutes before the anode effect noted EA in Figure 5.
  • the comparison function could then be given by the greatest difference between two signals Ui - Um.
  • FIG. 6 makes it possible to make another diagnosis on the behavior of the signals filtered in bandpass. There was also an increase in spread (which went from 0.2 mN to more than 0.4 mN in this case) in situations of risk of anode effect.
  • the combination of this information can be used to develop synthetic anode risk indicators that allow early detection the anode effects with great reliability and to implement treatments capable of avoiding them.

Landscapes

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Abstract

L'invention a pour objets un procédé et un dispositif de détection des effets d'anode dans une cellule de production d'aluminium par électrolyse en sel fondu, dans lesquels on mesure au moins un premier signal de tension électrique U1 et un deuxième signal de tension électrique U2 à deux endroits distincts de ladite cellule, et dans lesquels on détermine la valeur d'au moins un indicateur anticipé d'effet d'anode A à partir d'une comparaison desdits signaux U1 et U2. L'invention permet une détection simple, fiable et précoce des effets d'anode.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DETECTION DES EFFETS D'ANODE D'UNE CELLULE D'ELECTROLYSE POUR LA PRODUCTION
D'ALUMINIUM
Domaine de l'invention
L'invention concerne les cellules de production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans un électrolyte à base de cryolithe fondue, notamment selon le procédé Hall-Héroult. Elle concerne en particulier un dispositif et un procédé de détection des effets d'anode.
Etat de la technique
L'aluminium métal est produit industriellement par électrolyse ignée, à savoir par électrolyse de l'alumine en solution dans un bain à base de cryolithe fondue, appelé bain d'électrolyte, notamment selon le procédé bien connu de Hall-Héroult. Le bain d'électrolyte est contenu dans des cuves, dites « cuves d'électrolyse », comprenant un caisson en acier, qui est revêtu intérieurement de matériaux réfractaires et/ou isolants, et un ensemble cathodique situé au fond de la cuve. Des anodes sont partiellement immergées dans le bain d'électrolyte. L'expression « cellule d'électrolyse » désigne normalement l'ensemble comprenant une cuve d'électrolyse et une ou plusieurs anodes.
Le courant d'électrolyse, qui circule dans le bain d'électrolyte et la nappe d'aluminium liquides par l'intermédiaire des anodes et des éléments cathodiques, opère les réactions de réduction de l'aluminium et permet également de maintenir le bain d'électrolyte à une température de l'ordre de 950 °C par effet Joule. La cellule d'électrolyse est régulièrement alimentée en alumine de manière à compenser la consommation en alumine produite par les réactions d'électrolyse. Un des facteurs essentiels permettant d'assurer la régularité de marche d'une cuve de production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans un bain d'électrolyse fondu à base de cryolithe est le maintien d'une teneur appropriée en alumine dissoute dans cet électrolyte et par conséquent l'adaptation des quantités d'alumine introduites dans le bain à la consommation d'alumine de la cuve.
Un excès d'alumine crée un risque d'encrassement du fond de la cuve par des dépôts d'alumine non dissoute pouvant se transformer en plaques dures qui sont susceptibles d'isoler électriquement une partie de la cathode. Ce phénomène favorise alors la formation dans le métal des cuves de courants électriques horizontaux très forts qui, par interaction avec les champs magnétiques brassent la nappe de métal et provoquent une instabilité de l'interface bain-métal.
A l'inverse un défaut d'alumine peut notamment provoquer l'apparition de " l'effet d'anode ", c'est-à-dire la polarisation d'une anode, avec montée brutale de la tension aux bornes de la cellule et dégagement en quantité importante de produits fluorés et fluoro-carbonés (CFX), dont la forte capacité d'absorption des rayons infrarouges favorise l'effet de serre.
Plusieurs procédés de régulation ont été développés pour contrôler l'alimentation en alumine.
Dans les procédés industriels, il est connu d'avoir recours à une évaluation indirecte des teneurs en alumine en suivant un paramètre électrique représentatif de la concentration en alumine dudit électrolyte. Ce paramètre est généralement la variation de la résistance R aux bornes de la cuve alimentée sous une tension U, incluant une force contre-électromotrice Ue évaluée par exemple à 1,65 volt et traversée par un courant I de sorte que R = (U - Ue) / 1. Typiquement, les procédés de régulation de la teneur en alumine consistent à moduler l'alimentation en alumine en fonction de la valeur de R et de son évolution dans le temps. Ce principe de base a fait l'objet de nombreux brevets jusqu'à tout récemment (voir par exemple la demande française FR 2 749 858 correspondant au brevet américain US 6 033 550). Ces procédés de régulation permettent donc de maintenir la teneur en alumine du bain dans une plage étroite et faible et ainsi d'obtenir des rendements Faraday de l'ordre de 95% avec des bains acides, en réduisant simultanément et de façon notable la quantité (ou fréquence) des effets d'anode sur les cuves que l'on décompte en nombre d'effets d'anode par cuve et par jour (E A/cuve/jour) sous l'appellation « taux d'effet d'anode ». Pour les cellules d'électrolyse les plus récentes (qui sont à piquage ponctuel), ce taux se situe entre 0,15 et 0,5 EA/cuve/jour.
Les exigences de plus en plus sévères en matière d'émission de gaz à effet de serre incitent les producteurs d'aluminium à rechercher des moyens pour réduire encore davantage les taux d'effets d'anode.
La demanderesse a donc recherché des solutions à ces difficultés qui soient économiques et susceptibles d'être appliquées à une échelle industrielle.
Description de l'invention
L'invention a pour objet un procédé de détection anticipée des effets d'anode dans une cellule de production d'aluminium par électrolyse en sel fondu, dans lequel on mesure un premier signal de tension électrique Ul et au moins un deuxième signal de tension électrique U2 à deux endroits distincts de ladite cellule, et dans lequel on détermine la valeur d'au moins un indicateur de risque d'apparition d'un effet d'anode A (ou « indicateur anticipé d'effet d'anode » A) à partir d'une analyse desdits signaux Ul, U2, ..., apte à signaler de manière anticipée, voire précoce, un risque élevé de survenue d'un effet d'anode.
Un indicateur anticipé d'effet d'anode A est typiquement déterminé à partir d'une comparaison des signaux Ul, U2,... Plus précisément, l'indicateur A (ou les indicateurs Al, A2,...) est (sont) typiquement déterminés (s) à partir d'une fonction
F(U1, U2, U3,...), dite de comparaison, qui est de préférence apte à quantifier l'étalement des signaux, et plus spécifiquement les écarts E entre les signaux Ul, U2, U3,...
Par exemple, dans une variante simplifiée de l'invention, un indicateur A peut être donné par un écart algébrique entre les deux tensions électriques lorsqu'on mesure deux signaux de tension, ou par un écart algébrique entre des valeurs extrêmes (par exemple entre les signaux les plus séparés) ou entre au moins deux signaux lorsqu'on mesure plus de deux signaux de tension. Selon une autre variante, un indicateur A peut être déterminé de manière statistique, par exemple par un écart-type entre tous les signaux. Il peut également être déterminé par des traitements analogiques ou numériques plus élaborés.
Le ou les indicateurs A sont, de préférence, déterminés à partir de l'évolution temporelle de la fonction de comparaison F(U1, U2,...), typiquement à partir de l'évolution temporelle d'au moins un écart E entre les signaux Ui (par exemple, un écart algébrique, un écart-type,...). En d'autres termes, un indicateur anticipé d'effet d'anode A peut être donné par un indicateur d'évolution temporelle B de la fonction de comparaison.
La demanderesse a observé que, de manière inattendue, une grande partie des effets d'anode s'amorçaient longtemps (jusqu'à plusieurs dizaines de minutes) avant l'arrivée effective de l'effet d'anode et que cette amorce correspondait à un début de polarisation qui se traduisent par une modification de la répartition de la tension électrique dans la cellule, notamment au voisinage de l'anode susceptible d'être polarisée. Elle a également constaté que des mesures de tension en au moins deux endroits distincts d'une cellule d'électrolyse permettaient de détecter de manière fiable et anticipée l'amorçage d'un effet d'anode.
Les mesures de tension électrique présentent l'avantage d'être économiques et automatisables. L'invention a également pour objet un procédé de régulation d'une cellule d'électrolyse en sel fondu pour la production d'aluminium comprenant le procédé de détection anticipée d'effet d'anode selon l'invention.
L'invention a également pour objet un dispositif de détection anticipée des effets d'anode dans une cellule de production d'aluminium par électrolyse en sel fondu, apte à mettre en œuvre le procédé de détection selon l'invention, comprenant au moins un premier moyen pour mesurer un premier signal de tension électrique Ul sur ladite cellule, au moins un deuxième moyen pour mesurer au moins un deuxième signal de tension électrique U2 sur ladite cellule, et au moins un moyen pour déterminer un indicateur d'effet d'anode A à partir d'une analyse desdits signaux de tension électrique Ul, U2,...., typiquement à partir d'une comparaison de ceux-ci et, éventuellement, à partir d'une quantification des évolutions temporelles des écarts entre ceux-ci.
L'invention a également pour objet une cellule d'électrolyse et un système de régulation d'une cellule d'électrolyse en sel fondu pour la production d'aluminium comprenant un dispositif de détection anticipée d'effet d'anode selon l'invention.
Figures
La figure 1 représente, en coupe transversale, une cellule d'électrolyse typique utilisant des anodes précuites en matériau carboné.
La figure 2 illustre une méthode de mesure de la tension aux bornes d'une cuve d'électrolyse selon l'invention.
La figure 3 illustre schématiquement un dispositif de détection anticipée d'effet d'anode selon l'invention
La figure 4 illustre schématiquement une partie d'un dispositif de détection anticipée d'effet d'anode selon l'invention. Les figures 5 et 6 montrent des signaux de tension et de courant mesurés selon l'invention sur une cellule d'électrolyse.
Description détaillée de l'invention
L'invention s'applique avantageusement à une cellule d'électrolyse (1) pour la production d'aluminium par réduction électrolytique de l'alumine dissoute dans un bain d'électrolyte (15) à base de cryolithe, notamment par le procédé d'électrolyse Hall-Héroult.
Tel qu'illustré à la figure 1, une cellule d'électrolyse (1) pour la production d'aluminium par le procédé d'électrolyse Hall-Héroult comprend typiquement une cuve (20), au moins une anode (13), au moins une cathode (5) et des moyens d'alimentation en alumine (18). La cuve (20) comporte des parois latérales internes (3) et est apte à contenir un bain d'électrolyte liquide (15). La cellule (1) est apte à faire circuler dans ledit bain un courant dit d'électrolyse ayant une intensité I. L'aluminium produit par ladite réduction forme normalement une nappe dite « nappe de métal liquide » (16) sur la ou les cathodes (5). Les anodes (13) sont typiquement supportées par les moyens de fixation (11, 12) à un cadre anodique (10), qui peut être mobile. La cuve (20) comprend normalement un caisson (2) en acier, des éléments de revêtement intérieur (3) et éléments cathodiques (5, 6), qui comprennent des barres de raccordement (ou barre cathodique) (6) auxquelles sont fixés les conducteurs électriques (7, 8) servant à l'acheminement du courant d'électrolyse.
Plusieurs cellules d'électrolyse sont généralement disposées en série. Un courant dit « d'électrolyse » (dont l'intensité totale est Io) circule dans les cellules et se répartit dans celles-ci. Le courant d'électrolyse transite dans le bain d'électrolyte (15) par l'intermédiaire de la ou des anodes (13) et de la ou des cathodes (5). Il transite d'une cellule d'électrolyse à la suivante par l'intermédiaire des conducteurs de liaison (7 à 12), et plus précisément par l'intermédiaire des conducteurs de liaison cathodiques (6, 7, 8) d'une cuve, dite amont, et des conducteurs de liaison anodiques (9, 10, 11, 12) de la cuve suivante, dite aval.
L'alimentation en alumine de la cellule a pour but de compenser la consommation sensiblement continue de la cellule qui provient essentiellement de la réduction de l'alumine en aluminium métal. L'alimentation en alumine, qui se fait par ajouts d'alumine dans le bain liquide (15), est en général régulée indépendamment. Les moyens d'alimentation (18) incluent typiquement des piqueurs-doseurs (19) aptes à percer la croûte d'alumine (14) et à introduire une dose d'alumine dans l'ouverture (19a) formée dans la croûte d'alumine par perçage.
L'aluminium métal (16) qui est produit au cours de l'électrolyse s'accumule normalement au fond de la cuve et il s'établit une interface assez nette entre le métal liquide (16) et le bain à base de cryolithe fondue (15). La position de cette interface bain-métal varie au cours du temps : elle s'élève au fur et à mesure que le métal liquide s'accumule au fond de la cuve et elle s'abaisse lorsque du métal liquide est extrait de la cuve.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le procédé de détection anticipée d'un effet d'anode dans une cellule (1) de production d'aluminium par électrolyse en sel fondu est caractérisé en ce qu'il comprend :
- la mesure d'un premier signal de tension électrique Ul entre un premier point de mesure cathodique (301 à 304) sur un conducteur de liaison cathodique (6, 7, 8) et un premier point de mesure anodique (311 à 314) sur un conducteur de liaison anodique (9, 10, 11, 12) ;
- la mesure d'au moins un deuxième signal de tension électrique U2 entre un deuxième point de mesure cathodique (301 à 304) sur un conducteur de liaison cathodique (6, 7, 8) et un deuxième point de mesure anodique (311 à 314) sur un conducteur de liaison anodique (9, 10, 11, 12), au moins un de ces deuxièmes points de mesure étant distinct desdits premiers points de mesure ;
- la détermination de la valeur d'au moins une fonction de comparaison des signaux F(U1, U2,...) sur une période de temps T déterminée ; - la détermination de la valeur d'au moins un indicateur de risque d'apparition d'un effet d'anode A à partir de la ou desdites fonctions de comparaison.
La période de temps déterminée T, qui est un paramètre variable du procédé selon l'invention, peut être nulle ou quasiment nulle (par exemple, elle peut être égale à une période d'échantillonnage Te = 1/Fe). Il a été trouvé avantageux d'utiliser une période T suffisamment grande pour éliminer les fluctuations aléatoires des tensions Ui.
II est avantageux de prévoir la mesure de plusieurs signaux de tension électrique distincts Ul, U2, U3,... , tel qu'illustré à la figure 3. En d'autres termes, le procédé de détection selon l'invention comporte la mesure de N signaux de tension électrique Ui, N étant avantageusement supérieur à 2. L'utilisation de plusieurs signaux permet d'augmenter la fiabilité de la détection anticipée et de localiser plus précisément la zone de la cuve qui est susceptible de conduire à un effet d'anode. De cette façon, un traitement préventif de l'effet d'anode pourrait comprendre, par exemple, une modification locale de l'alimentation en alumine (typiquement dans la zone détectée par les mesures).
Dans le procédé de détection selon l'invention, lesdits signaux de tension électrique Ui (c'est-à-dire Ul, U2, U3,„. , Un) sont normalement mesurés en fonction du temps. Ils sont typiquement mesurés de manière analogique puis convertis en signaux numériques pour leur traitement.
La fonction de comparaison F(U1, U2,.„) peut être donnée par une fonction équivalente F'(TU1, TU2,...) qui utilise comme arguments des signaux prétraités TU1, TU2,...., c'est-à-dire les signaux TU1, TU2,.... issus d'un pré-traitement des signaux Ul, U2,... Typiquement, le pré-traitement comporte un échantillonnage, à une fréquence déterminée Fe, des signaux réels Ul, U2,..., et éventuellement une (ou plusieurs) opération(s) de traitement supplémentaire(s) d'au moins un des signaux. Ces opérations sont typiquement choisies parmi les opérations de filtration fréquentielle (passe-bas, passe-bande ou autre), les sous-échantillonnages, le calcul d'au moins une moyenne (telles qu'une moyenne RMS (Root Mean Square), éventuellement glissante, qui peut être calculée à l'aide de la relation Urms = V(Σ (Ui(j) - Ur)2 / m), où Ui(j) est une valeur de la tension Ui au temps j, Ur est une valeur de référence, éventuellement nulle, et m le nombre de termes de la somme ; la même relation peut être utilisée pour le calcul d'une moyenne TUrms sur les signaux prétraités TUi) et les opérations mathématiques connues (telles que le calcul d'une différence entre chaque signal Ui ou signal prétraité TUi et une valeur de référence Uo, qui peut être une moyenne Um des signaux Ui ou des signaux prétraités TUi). Ces opérations peuvent être combinées. Un filtre passe-bas anti-repliement est avantageusement inclus dans le pré-traitement. Les signaux peuvent être traités de manière analogique et/ou numérique. Il est également possible que seuls certains signaux Ui soient prétraités.
L'opération de filtration fréquentielle peut être de différents types. Il a été trouvé avantageux d'utiliser un filtre de type passe-bas. La fréquence de coupure de ce filtre est avantageusement comprise entre 0,001 et 1 Hz.
Il a également été trouvé avantageux d'utiliser un filtre de type passe-bande. Les fréquences de coupure basse et haute du filtre fréquentiel de type passe-bande sont respectivement avantageusement comprises entre 0,001 et 1 Hz et entre 1 et 10 Hz (typiquement 0,5 et 5 Hz).
Dans un mode de réalisation de cette variante, le pré-traitement comprend deux filtrations fréquentielles, l'une de type passe-bas (avec une fréquence de coupure typiquement égale à 0,5 Hz environ) qui donne un premier signal prétraité TUi, l'autre de type passe-bande (avec une fréquence de coupure basse typiquement égale à 0,5 Hz environ et une fréquence de coupure haute typiquement égale à 5 Hz environ) qui donne un deuxième signal prétraité TUi'. Dans ce mode de réalisation, le procédé comporte deux fonctions de comparaison F, l'une portant sur les signaux TUi, l'autre portant sur les signaux TUi' . Dans un autre mode de réalisation de cette variante, le pré-traitement comprend trois filtrations fréquentielles : une première de type passe-bas (avec une fréquence de coupure typiquement égale à 0,003 Hz environ) qui donne un premier signal prétraité TUi, une deuxième de type passe-bande (avec une fréquence de coupure basse typiquement égale à 0,003 Hz environ et une fréquence de coupure haute typiquement égale à 0,5 Hz environ) qui donne un deuxième signal prétraité TUi', et une troisième de type passe-bande (avec une fréquence de coupure basse typiquement égale à 0,5 Hz environ et une fréquence de coupure haute typiquement égale à 5 Hz environ) qui donne un troisième signal prétraité TUi". Dans ce mode de réalisation, le procédé comporte trois fonctions de comparaison F, la première portant sur les signaux TUi, la deuxième portant sur les signaux TUi' et la troisième portant sur les signaux TUi".
Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, ladite au moins une fonction de comparaison F(U1 , U2,...) (ou éventuellement F'(TU1 , TU2,...)) est donnée par un écart E entre lesdits signaux (Ul, U2, U3,....) ou entre les signaux prétraités (TUI, TU2,...). En particulier, la fonction de comparaison F(U1, U2,...) peut être donnée par un écart E entre au moins deux signaux de tension Ul, U2,.„. ou entre au moins deux signaux de tension prétraités TUI, TU2,.... L'écart E peut être donné par un écart algébrique entre les signaux Ui ou signaux prétraités TUi, par exemple par la différence la plus grande entre tous les signaux Ui ou signaux prétraités TUi (typiquement la différence entre les signaux les plus séparés, à un temps donné, ou sur une période de temps donnée). L'écart E peut également être donné par un écart- type entre les signaux Ui ou signaux prétraités TUi.
Au moins un indicateur anticipé d'effet d'anode A peut être égal à une fonction de comparaison F(U1, U2,...) ou F'(TU1, TU2,...).
La valeur d'au moins un indicateur de risque d'apparition d'un effet d'anode A peut également être déterminée à partir des évolutions temporelles de la ou desdites fonctions de comparaison F ou F'. Ces évolutions peuvent être données par un indicateur d'évolution temporelle B d'une fonction de comparaison F(U1, U2,...) ou F'(TU1, TU2,...). Dans une variante simplifiée de ce mode de réalisation, la fonction de comparaison F(U1, U2,...) est donnée par un écart E entre au moins deux signaux de tension Ul, U2,.... ou entre au moins deux signaux de tension prétraités TUI, TU2,...., et l'indicateur d'évolution B peut être proportionnel à la différence entre la valeur E(t) d'un écart E au temps t et sa valeur E(t - to) au temps t - to, où to est un paramètre ajustable.
L'indicateur A peut signaler un risque fort d'apparition d'un effet d'anode lorsque sa valeur est supérieure à une valeur seuil S donnée. Typiquement, le procédé signale ce risque fort lorsque la valeur d'un écart E (et plus généralement E(t)) est supérieure à une valeur seuil Se donnée ou lorsque l'évolution de la valeur de la fonction de comparaison F ou F' est supérieure à une valeur seuil St donnée.
Dans une variante avantageuse de l'invention, le procédé de détection comprend en outre une opération test apte à révéler la susceptibilité d'une cellule d'électrolyse au déclenchement d'un effet d'anode. Cette opération test comporte typiquement une diminution temporaire du taux d'alimentation de la cellule en alumine
(correspondant à une sous-alimentation en alumine), cette diminution étant typiquement comprise entre 20 et 100 % du taux d'alimentation moyen (100 % correspondant à l'arrêt de l'alimentation en alumine). Par exemple, les essais de la demanderesse ont montré qu'une diminution temporaire du taux d'alimentation de la cellule en alumine, voire un arrêt temporaire de cette alimentation, pouvait augmenter de manière significative l'étalement des tensions Ui ou tensions prétraitées TUi lorsque la cellule était dans un état de risque élevé vis-à-vis de l'apparition d'un effet d'anode.
Le procédé de régulation selon l'invention comprend avantageusement une opération de traitement préventif des effets d'anodes apte à supprimer les effets d'anode qui sont détectés de manière anticipée, qui peut être activée lorsqu'un effet d'anode a été détecté de manière anticipée. Cette opération est normalement déclenchée en fonction de la valeur de la fonction F (ou F'), typiquement lorsqu'un écart entre au moins deux signaux Ui ou entre au moins deux signaux prétraités TUi excède un seuil donné Se, ou lorsque l'évolution temporelle de cet écart excède un seuil donné
St.
Le traitement préventif comprend typiquement une modification de la position de la ou des anodes par rapport à la ou les cathodes, une sur-alimentation en alumine par rapport au taux d'alimentation normal, ou une combinaison de ces opérations.
Le procédé de régulation tient avantageusement compte des opérations d'exploitation qui sont susceptibles de donner des valeurs perturbées pour la fonction F (ou F'), et donc pour le ou les indicateurs A, telles que les changements d'anode.
Afin de permettre le traitement préventif d'un effet d'anode, la cellule (1) comprend avantageusement au moins un moyen de réglage tel qu'un cadre anodique mobile (10) auquel est fixée la ou les anodes (13) ou un moyen de contrôle des moyens d'alimentation en alumine (18, 19).
De manière avantageuse, le procédé de régulation comprend en outre : -
- la mesure d'au moins un signal de tension UA sur au moins une cellule située en amont et/ou en aval ; - la comparaison entre le signal (ou les signaux) UA et les signaux Ul, U2,... (ou les signaux prétraités TUI, TU2,...) de manière à retrancher des signaux Ul, U2,... ou des signaux prétraités TUI, TU2,... les fluctuations (ou « bruit ») provenant des cellules voisines, et éventuellement de l'ensemble de la série de cellules d'électrolyse.
Selon une autre variante de l'invention, le procédé de régulation comprend en outre :
- la mesure d'au moins un signal d'intensité I d'un courant d'électrolyse ;
- la comparaison entre le signal (ou les signaux) I et les signaux Ul, U2,... (ou les signaux prétraités TUI, TU2,...) de manière à retrancher des signaux Ul, U2,... ou des signaux prétraités TUI, TU2,... les fluctuations (ou « bruit ») communes à l'ensemble des cellules d'électrolyse. L'intensité I est typiquement l'intensité totale lo circulant dans les cellules. Il est également possible d'utiliser l'intensité I d'autres courants circulant dans une série de cellules d'électrolyse, tels que le courant circulant dans une anode, dans un conducteur de liaison ou dans une barre cathodique.
Cette variante de l'invention permet notamment de réduire le rapport dit « signal / bruit ».
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif de détection anticipé d'un effet d'anode dans une cellule de production d'aluminium par électrolyse en sel fondu est caractérisé en ce qu'il comprend :
- au moins un premier moyen (321 à 344) pour mesurer un premier signal de tension électrique Ul entre un premier point de mesure cathodique (301 à 304) sur un conducteur de liaison cathodique (6, 7, 8) et un premier point de mesure anodique (311 à 314) sur un conducteur de liaison anodique (9, 10, 11, 12) ;
- au moins un deuxième moyen (321 à 344) pour mesurer un deuxième signal de tension électrique U2 entre un deuxième point de mesure cathodique (301 à 304) sur un conducteur de liaison cathodique (6, 7, 8) et un deuxième point de mesure anodique (311 à 314) sur un conducteur de liaison anodique (9, 10, 11, 12), au moins un de ces deuxièmes points de mesure étant distinct desdits premiers points de mesure ;
- au moins un moyen (351-354, 40) pour déterminer la valeur d'au moins une fonction de comparaison des signaux F(U1, U2,...), ou F'(TU1, TU2,...), sur une période de temps T déterminée ; - au moins un moyen (50) pour déterminer la valeur d'au moins un indicateur de risque d'apparition d'un effet d'anode A à partir du ou des fonctions F ou F' .
Le dispositif peut également comprendre un moyen pour déterminer la valeur d'au moins un indicateur de risque d'apparition d'un effet d'anode A à partir des évolutions temporelles de la ou desdites fonctions de comparaison F ou F'. Les moyens de mesure des signaux de tension électrique Ul, U2, ... comprennent avantageusement des conducteurs électriques (32, 321, 322, 323, 324, ..., 33, 331, 332, 334, ...) — typiquement sous forme de fils ou de câbles - dont une extrémité est raccordée à un point de mesure (30, 301, 302, 303, 304, ..., 31, 311, 312, 313, 314,...) sur la cellule et une autre extrémité est raccordée à un moyen de mesure de la tension (34, 341, 342, 343,...), tel qu'un voltmètre. Les points de mesure (30, 301, ..., 31, 311,...) de la tension électrique peuvent être réalisés par tout moyen connu, tels que par visserie, encochage, etc.
Certains moyens de mesure de la tension (30, 31, 32, 33, 34, ...) peuvent être fixés à demeure sur la cellule. Ils sont avantageusement installés sur les parties fixes de la cellule, telles que les conducteurs fixes (7, 8, 9, 10), ce qui, en particulier, permet d'éviter les interruptions de mesure et la réinstallation des moyens de mesure lors des changements d'anode.
Lesdits signaux de tension électrique Ul, U2, U3,... sont avantageusement mesurés entre un collecteur (8) et une montée (9), de préférence dans la partie basse (9a) de la dite montée (tel qu'illustré à la figure 2), ce qui permet notamment de simplifier le câblage (32, 321, 322, ..., 33, 331, ...) et de faciliter l'accès aux points de mesure (30, 301, ..., 31, 311, ...).
Les signaux S (SI, S2, ...) générés par les moyens de mesures (34, 341, 342,...), qui sont équivalents aux signaux de tensions Ul, U2,..., sont transmis à un analyseur ou un comparateur (40) par des moyens de transmission (35, 351, 352, 352, 354,...) tels que des conducteurs électriques, des ondes radio, des moyens optiques ou tout autre moyen.
Les moyens (351-354, 40) pour évaluer au moins une fonction de comparaison F (ou F') desdits signaux de tension Ui comportent avantageusement au moins un moyen de pré-traitement (401-404) pour pré-traiter au moins un des signaux Ui ou signaux équivalents Si. Le moyen pour pré-traiter comprend typiquement au moins un filtre fréquentiel, et avantageusement un filtre passe-bas ou passe-bande. Le moyen pour pré-traiter peut aussi être un moyen pour échantillonner, à une fréquence déterminée Fe, les signaux Ul, U2,.... En pratique, il peut comprendre également un ou plusieurs éléments typiquement choisis parmi les convertisseurs analogue/digital (CAN), les amplificateurs (G), les filtres fréquentiels (passe-bas, passe-bande ou autre), les sous- échantillonneurs, les moyens pour calculer une moyenne sur un signal (de type RMS ou autre), les moyens pour calculer une moyenne Um d'au moins un signal Ui ou de plusieurs signaux Ui, et les opérateurs mathématiques connus (tels que les moyens pour effectuer la soustraction d'une valeur de référence Uo, et plus précisément pour calculer une différence entre chaque signal Ul, U2,... ou signal prétraité TUI, TU2,... et une valeur de référence Uo, Uo étant typiquement une moyenne Um). Lorsque le dispositif comprend un filtre passe-bas, la fréquence de coupure du filtre passe-bas est typiquement comprise entre 0,001 et 1 Hz. Lorsque le dispositif comprend un filtre passe-bande, les fréquences de coupure basse et haute du filtre passe-bande sont typiquement respectivement comprises entre 0,001 et 1 Hz et entre 1 et 10 Hz. Le dispositif peut aussi comprendre un moyen pour déterminer une valeur moyenne Um des signaux Ul, U2,... ou des signaux prétraités TUI, TU2,...
Le dispositif peut comprendre un moyen (40, 411) pour déterminer un écart E (et plus généralement E(t)) (tel qu'un écart algébrique, un écart-type,...) entre au moins deux signaux de tension Ul, U2,.... ou entre au moins deux signaux de tension prétraités TUI, TU2,....
Le dispositif peut également comprendre un moyen pour déterminer une évolution temporelle d'au moins une fonction de comparaison des signaux F(U1, U2,...) ou F'(TU1, TU2,...), tel que l'évolution temporelle d'un écart E (et plus précisément E(t)) entre au moins deux signaux de tension Ul, U2,.... ou entre au moins deux signaux de tension prétraités TUI, TU2,....
Les moyens pour évaluer une fonction F (ou F') (40, 401, ..., 404, 411) et pour déterminer un indicateur d'effet d'anode A (50) peuvent avantageusement être regroupés en un seul, typiquement à l'aide d'un circuit électronique et/ou informatique commun. De manière avantageuse, le système de régulation d'une cellule d'électrolyse selon l'invention comprend en outre :
- un moyen pour mesurer au moins un signal de tension UA sur au moins une cellule située en amont et/ou en aval ;
- un moyen pour comparer le signal (ou les signaux) UA et les signaux Ul, U2,... (ou signaux prétraités TUI, TU2,...) de manière à retrancher de ces signaux les fluctuations (ou « bruit ») provenant des cellules voisines, et éventuellement de l'ensemble de la série de cellules d'électrolyse.
Selon une autre variante de l'invention, le système de régulation comprend en outre :
- un moyen pour mesurer au moins un signal d'intensité I d'un courant d'électrolyse (typiquement l'intensité totale lo circulant dans les cellules) ;
- un moyen pour comparer le signal (ou les signaux) I et les signaux Ul, U2,... (ou les signaux prétraités TUI, TU2,...) de manière à retrancher de ces signaux les fluctuations (ou « bruit ») communes à l'ensemble des cellules d'électrolyse.
Exemples
Les mesures de tension électrique et de courant ont été effectuées sur une cuve d'électrolyse dans laquelle circulait un courant d'une intensité totale de 500 kA environ. Les mesures se sont étalées sur plusieurs semaines. Six signaux de tension Ui ont été mesurés à 6 endroits différents de la cuve, entre des points de mesure anodiques et des points de mesure cathodiques distincts. Le courant circulant dans 6 anodes distinctes a également été mesuré en fonction du temps.
Les figures 5 et 6 montrent les résultats obtenus pendant une période de 24 heures durant laquelle un effet d'anode (noté EA) a été observé. La figure 5 correspond aux signaux de courant Ii (graphique A) et de tension Ui (graphique B), en fonction du temps t, numérisés et prétraités à l'aide d'un filtre passe-bas dont la fréquence de coupure était de 0,5 Hz. La figure 6 correspond aux mêmes signaux numérisés, mais prétraités à l'aide d'un filtre passe-bande dont les fréquences de coupure étaient de 0,5 Hz et 5 Hz. Dans les deux figures, le graphique C donne l'écart entre chaque signal de tension Ui filtré et la moyenne Um des 6 signaux de tension filtrés. Les lettres CA identifient le moment où une anode a été changée.
Plusieurs dizaines de minutes avant un effet d'anode (noté EA dans les figures), on a constaté une augmentation progressive de l'étalement des signaux (en particulier des signaux filtrés en passe-bas). Une ou quelques anodes commençaient à se polariser partiellement, les zones de polarisation progressant relativement lentement.
La figure 5 montre que l'étalement des signaux filtrés en passe-bas augmentait progressivement avant les événements de polarisation. En particulier, l'étalement a augmenté de manière significative (passant de 9 mV à plus de 30 mN) à partir de 90 minutes avant la forte polarisation observée après l'arrêt temporaire de l'alimentation en alumine (noté SA dans la figure 5). De manière similaire, l'étalement a augmenté de manière significative (passant de 7,5 mN à 12 mN) à partir de 30 minutes avant l'effet d'anode noté EA dans la figure 5. La fonction de comparaison pourrait alors être donnée par le plus grand écart entre deux signaux Ui — Um.
On a également observé une augmentation de l'étalement des signaux lors d'un changement d'anode (noté CA dans la figure 5). Dans ce cas, l'augmentation a été immédiate (passant rapidement de 8,5 mN à 15 mN). Ces observations peuvent être utilisées pour corriger les indicateurs de risque d'effet d'anode de manière à s'affranchir des perturbations connues et en particulier de celles liées aux opérations sur cuve ou à certaines procédures spécifiques de régulation.
La figure 6 permet de faire un autre diagnostic sur le comportement des signaux filtrés en passe-bande. On a également constaté une augmentation de l'étalement (qui était passé de 0,2 mN à plus de 0,4 mN dans ce cas) dans les situations de risque d'effet d'anode.
La combinaison de ces informations peut être utilisée pour élaborer dès indicateurs de risque d'effet d'anode synthétiques qui permettent de détecter de façon anticipée les effets d'anode avec une grande fiabilité et de mettre en œuvre des traitements aptes à les éviter.
Liste des repères numériques
(1) cellule d'électrolyse
(2) caisson
(3) revêtement intérieur (paroi latérale interne)
(4) revêtement intérieur (briques réfractaires) (5) cathode
(6) barre de raccordement ou barre cathodique
(7) conducteur de liaison cathodique
(8) conducteur de liaison cathodique (collecteur)
(9) conducteur de liaison anodique (montée) (9a) partie basse d'une montée
(10) cadre anodique
(11) moyen de support et de fixation d'une anode (tige d'anode)
(12) moyen de support d'une anode
(13) anode (14) couverture (ou croûte) d'alumine
(15) bain d'électrolyte
(16) nappe de métal liquide
(17) couche de bain solidifié
(18) moyen d'alimentation en alumine (19) piqueur-doseur
(19a) ouverture dans la croûte d'alumine (20) cuve
(30) (301) (302) ... (31) (311) (312) ... points de mesure d'une tension électrique (32) (321) (322) (323) ... (33) (331) (332) (333)... conducteur électrique (34) (341) (342) (343) ... moyen de mesure de la tension électrique (35) (351) (352) (353) ... moyen de transmission (40, 401, ..., 404, 411) moyens pour évaluer une fonction de comparaison F (50) moyen pour déterminer un indicateur d'effet d'anode A

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de détection anticipée d'un effet d'anode dans une cellule (1) de production d'aluminium par électrolyse en sel fondu, ladite cellule comprenant au moins une anode (13), au moins une cathode (5) et des conducteurs de liaisons cathodiques (6, 7, 8) et anodiques (9, 10, 11, 12), caractérisé en ce qu'il comprend :
- la mesure d'un premier signal de tension électrique Ul entre un premier point de mesure cathodique (301 à 304) sur un conducteur de liaison cathodique (6, 7,
8) et un premier point de mesure anodique (311 à 314) sur un conducteur de liaison anodique (9, 10, 11, 12) ;
- la mesure d'au moins un deuxième signal de tension électrique U2 entre un deuxième point de mesure cathodique (301 à 304) sur un conducteur de liaison cathodique (6, 7, 8) et un deuxième point de mesure anodique (311 à 314) sur un conducteur de liaison anodique (9, 10, 11, 12), au moins un de ces deuxièmes points de mesure étant distinct desdits premiers points de mesure ;
- la détermination de la valeur d'au moins une fonction de comparaison des signaux F(U1, U2,...) sur une période de temps T déterminée ; - la détermination de la valeur d'au moins un indicateur de risque d'apparition d'un effet d'anode A à partir de la ou desdites fonctions de comparaison.
2. Procédé de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fonction F(U1, U2,...) est donnée par une fonction équivalente F'(TU1, TU2,...) qui utilise comme arguments les signaux TUI, TU2,.... issus d'un pré-traitement des signaux U1, U2,...
3. Procédé de détection selon la revendication 2, caractérisé en ce que le prétraitement comporte un échantillonnage, à une fréquence déterminée Fe, des signaux U1, U2,...
4. Procédé de détection selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le prétraitement comporte une opération de filtration fréquentielle d'au moins un de ces signaμx.
5. Procédé de détection selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'opération de filtration fréquentielle est de type passe-bas.
6. Procédé de détection selon la revendication 5, caractérisé en ce que la fréquence de coupure de l'opération de filtration fréquentielle de type passe-bas est comprise entre 0,001 et 1 Hz.
7. Procédé de détection selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'opération de filtration fréquentielle est de type passe-bande.
8. Procédé de détection selon la revendication 7, caractérisé en ce que les fréquences de coupure basse et haute de l'opération de filtration fréquentielle de type passe-bande sont respectivement comprises entre 0,001 et 1 Hz et entre 1 et 10 Hz.
9. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que le pré-traitement comporte au moins un sous- échantillonnage.
10. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que le pré-traitement comporte le calcul d'au moins une moyenne d'au moins un signal Ui.
11. Procédé de détection selon la revendication 10, caractérisé en ce que la moyenne est une moyenne RMS.
12. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisé en ce que le pré-traitement comporte le calcul d'une différence entre chaque signal Ui ou signal prétraité TUi et une valeur de référence Uo.
13. Procédé de détection selon la revendication 12, caractérisé en ce que la valeur de référence Uo est une moyenne Um des signaux Ui ou des signaux prétraités TUi.
14. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la fonction de comparaison F(U1, U2,...) est donnée par un écart E entre au moins deux signaux de tension Ul, U2,.... ou entre au moins deux signaux de tension prétraités TUI, TU2,....
15. Procédé de détection selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'écart E est donné par un écart algébrique entre les signaux Ui ou signaux prétraités TUi.
16. Procédé de détection selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'écart E est donné par un écart-type entre les signaux Ui ou les signaux prétraités TUi.
17. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'au moins un indicateur A est égal à une fonction de comparaison F(U1, U2,„.) ou F'(TUl, TU2,...).
18. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce qu'au moins un indicateur A est donné par un indicateur d'évolution temporelle B d'une fonction de comparaison F(U1, U2,...) ou
F'(TU1, TU2,...).
19. Procédé de détection selon la revendication 18, caractérisé en ce que la fonction de comparaison F(U1, U2,...) est donnée par un écart E entre au moins deux signaux de tension Ul, U2,.... ou entre au moins deux signaux de tension prétraités TUI, TU2,...., et en ce que l'indicateur d'évolution B est proportionnel à la différence entre la valeur E(t) d'un écart E au temps t et sa valeur E(t - to) au temps t - to, où to est un paramètre ajustable.
20. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications 17 à 19, caractérisé en ce que l'indicateur A signale un risque fort d'apparition d'un effet d'anode lorsque sa valeur est supérieure à une valeur seuil donnée.
21. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, caractérisé en ce qu'il comprend une opération test apte à révéler la susceptibilité d'une cellule d' électrolyse au déclenchement d'un effet d' anode.
22. Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce que l'opération test comporte une diminution temporaire du taux d'alimentation de la cellule en alumine.
23. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 22, caractérisé en ce qu'il comporte la mesure de N signaux de tension électriques Ui, N étant supérieur à 2.
24. Procédé de régulation d'une cellule d'électrolyse caractérisé en ce qu'il comprend le procédé de détection d'effet d'anode selon l'une quelconque des revendications 1 à 23.
25. Procédé de régulation selon la revendication 24, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un traitement préventif de l'effet d'anode.
26. Procédé de régulation selon la revendication 25, caractérisé en ce que le traitement préventif comprend une opération choisie dans le groupe comprenant une modification de la position de la ou des anodes par rapport à la ou les cathodes, une sur-alimentation en alumine par rapport au taux d'alimentation normal, et une combinaison de celles-ci.
27. Procédé de régulation selon l'une quelconque des revendications 24 à 26, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- la mesure d'au moins un signal de tension UA sur au moins une cellule située en amont et/ou en aval ;
- la comparaison entre le signal, ou les signaux, UA et les signaux Ul, U2,... ou les signaux prétraités TUI, TU2,... de manière à retrancher des signaux Ul, U2,... ou des signaux prétraités TUI, TU2,... les fluctuations provenant des cellules voisines, et éventuellement de l'ensemble de la série de cellules d'électrolyse.
28. Procédé de régulation selon l'une quelconque des revendications 24 à 27, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- la mesure d'au moins un signal d'intensité I d'un courant d'électrolyse ;
- la comparaison entre le signal, ou les signaux, I et les signaux Ul, U2,... ou les signaux prétraités TUI, TU2,... de manière à retrancher des signaux Ul, U2,... ou des signaux prétraités TUI, TU2,... les fluctuations communes à l'ensemble des cellules d'électrolyse.
29. Dispositif de détection anticipée d'un effet d'anode dans une cellule de production d'aluminium par électrolyse en sel fondu, apte à mettre en œuvre le procédé de détection selon l'une des revendications 1 à 23, ladite cellule comprenant au moins une anode (13), au moins une cathode (5) et des conducteurs de liaisons cathodiques (6, 7, 8) et anodiques (9, 10, 11, 12), caractérisé en ce qu'il comprend : - au moins un premier moyen (321 à 344) pour mesurer un premier signal de tension électrique Ul entre un premier point de mesure cathodique (301 à 304) sur un conducteur de liaison cathodique (6, 7, 8) et un premier point de mesure anodique (311 à 314) sur un conducteur de liaison anodique (9, 10, 11 , 12) ;
- au moins un deuxième moyen (321 à 344) pour mesurer un deuxième signal de tension électrique U2 entre un deuxième point de mesure cathodique (301 à 304) sur un conducteur de liaison cathodique (6, 7, 8) et un deuxième point de mesure anodique (311 à 314) sur un conducteur de liaison anodique (9, 10, 11, 12), au moins un de ces deuxièmes points de mesure étant distinct desdits premiers points de mesure ;
- au moins un moyen (351-354, 40) pour déterminer la valeur d'au moins une fonction de comparaison des signaux F(U1, U2,...), ou F'(TU1, TU2,...), sur une période de temps T déterminée ;
- au moins un moyen (50) pour déterminer la valeur d'au moins un indicateur de risque d'apparition d'un effet d'anode A à partir du ou des fonctions F ou F'.
30. Dispositif selon la revendication 29, caractérisé en ce que le moyen (351-354, 40) pour évaluer la valeur d'au moins une fonction F(U1, U2,...) des signaux de tension comporte au moins un moyen (401-404) pour pré-traiter au moins un des signaux Ul, U2,....
31. Dispositif selon la revendication 30, caractérisé en ce que le moyen pour pré- traiter comprend un moyen pour échantillonner, à une fréquence déterminée Fe, les signaux Ul, U2,...
32. Dispositif selon la revendication 30 ou 31, caractérisé en ce que le moyen pour pré-traiter comprend un filtre fréquentiel.
33. Dispositif selon la revendication 32, caractérisé en ce que le filtre fréquentiel est un filtre passe-bas.
34. Dispositif selon la revendication 33, caractérisé en ce que la fréquence de coupure du filtre passe-bas est comprise entre 0,001 et 1 Hz.
35. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 32 à 34, caractérisé en ce que le filtre fréquentiel est un filtre passe-bande.
36. Dispositif selon la revendication 35, caractérisé en ce que les fréquences de coupure basse et haute du filtre passe-bande sont respectivement comprises entre 0,001 et 1 Hz et entre 1 et 10 Hz.
37. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 30 à 36, caractérisé en ce que le moyen pour pré-traiter comprend au moins un moyen pour sous- échantillonner les signaux Ul, U2,...
38. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 30 à 37, caractérisé en ce que le moyen pour pré-traiter comprend au moins un moyen pour calculer une moyenne d'au moins un signal Ui ou de plusieurs signaux Ui.
39. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 30 à 38, caractérisé en ce que le moyen pour pré-traiter comporte un moyen pour calculer une différence entre chaque signal Ul, U2,... ou signal prétraité TUI, TU2,... et une valeur de référence Uo.
40. Dispositif selon la revendication 39, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour déterminer une valeur moyenne Um des signaux Ul, U2,... ou des signaux prétraités TUI, TU2,
41. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 29 à 40, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour déterminer un écart E entre au moins deux signaux de tension Ul, U2,.... ou entre au moins deux signaux de tension prétraités TUI, TU2,....
42. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 29 à 41, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour déterminer une évolution temporelle d'au moins une fonction de comparaison des signaux F(U1, U2,...) ou F'(TU1, TU2,...).
43. Cellule d'électrolyse en sel fondu pour la production d'aluminium, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de détection d'effet d'anode selon l'une quelconque des revendications 29 à 42.
44. Système de régulation d'une cellule d'électrolyse en sel fondu pour la production d'aluminium, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de détection précoce d'effet d'anode selon l'une quelconque des revendications 29 à 42.
45. Système de régulation selon la revendication 44, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- un moyen pour mesurer au moins un signal de tension UA sur au moins une cellule située en amont et/ou en aval ; - un moyen pour comparer le signal, ou les signaux, UA et les signaux Ul , U2,... ou TUI, TU2,... de manière à retrancher des signaux Ul, U2,... ou des signaux prétraités TUI, TU2,... les fluctuations provenant des cellules voisines, et éventuellement de l'ensemble de la série de cellules d'électrolyse.
46. Système de régulation selon la revendication 44 ou 45, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- un moyen pour mesurer au moins un signal d'intensité I d'un courant d'électrolyse ;
- un moyen pour comparer le signal, ou les signaux, I et les signaux Ul, U2,... ou les signaux prétraités TUI, TU2,... de manière à retrancher des signaux Ul,
U2,... ou des signaux prétraités TUI, TU2,... les fluctuations communes à l'ensemble des cellules d'électrolyse.
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