CH631213A5 - Dispositif de liaison electrique pour la reduction des perturbations magnetiques dans les series de cuves d'electrolyse a tres haute intensite pour la production d'aluminium. - Google Patents

Description

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REVENDICATIONS longitudinales, des forces, dites Forces de Laplace, développées

1. Dispositif de liaison électrique pour la réduction des per- dans le métal par les champs magnétiques.

turbations magnétiques dans les séries de cuves d'électrolyse à La figure 4 est un diagramme des champs Bz moyen par très haute intensité pour la production d'aluminium, ces cuves quart de cuve.

étant connectées en série et disposées transversalement par rap- 5 La figure 5 est un schéma d'ensemble des conducteurs de port à Taxe de la série, chaque cuve comportant un croisillon liaison entre cuves, selon l'invention.

auquel est suspendu le système anodique, et des barres de sor- Les figures 6,7 et 8 montrent différentes variantes de l'ali-

ties cathodiques, caractérisé en ce que le croisillon de chaque mentation du croisillon, selon l'invention, en faisant varier la cuve est alimenté en courant à la fois par ses deux extrémités et fraction de l'intensité alimentant les extrémintés et des prises par au moins une montée centrale, la fraction de l'intensité to- 10 intermédiaires du croisillon. Pour alléger le dessin, on a figuré tale i alimentant chaque extrémité étant comprise entre i/8 et 2 l'alimentation de la moitié gauche seulement, la partie droite i/8. étant symétrique.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que La figure 9 est un diagramme comparatif de la valeur des le croisillon de chaque cuve est alimenté à la fois par ses deux champs Bz et By des collecteurs latéraux en fonction de leur extrémités et par au moins une montée centrale, chaque montée 15 position par rapport au plan du métal.

centrale étant alimentée à la fois à partir des sorties cathodiques Les figures 1 à 4 sont illustratives, et ont pour but de faciliter aval et à partir d'une dérivation prise sur le conducteur latéral l'exposé du problème.

alimentant les têtes du croisillon à partir des sorties cathodiques Les figures 5 à 9 se rapportent à l'invention proprement amont. dite.

20 Le brevet français n° 2 324 761 a donné les conditions à

respecter pour réduire les effets magnétiques dans les cuves en travers et l'expérimentation a montré que l'application de ces La présente invention concerne un dispositif de liaison élec- conditions pour ce type de cuve, a apporté un progrès important trique pour la réduction des perturbations magnétiques dans les dans la production d'aluminium, notamment au point de vue séries de cuves d'électrolyse, à très haute intensité, destinées à la 25 consommation d'énergie.

production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans Mais cette théorie ne tenait pas compte de l'effet d'écran de la cryolithe fondue. Elle s'applique à la réduction des pertur- produit par les masses ferro-magnétiques essentiellement cons-bations dues au champ propre créé par chaque cuve et par ses tituées par le caisson, la superstructure, les barres cathodiques et voisines de la même file. éventuellement le bâtiment.

On sait que, pour réduire les investissements et augmenter 30 La mise au point d'une technologie de mesure sur les cuves les rendements, la tendance est d'augmenter la puissance des en fonctionnement au sein du bain et du métal cathodique a cuves, qui, alimentées sous 100 000 ampères, il y a vingt ans, permis de déterminer l'influence de ces masses ferro-magnéti-atteignent maintenant 200 000 ampères. On sait également que ques sur les champs déterminés par le calcul.

les cuves disposées en travers par rapport à l'axe de la file, Nous appellerons «champ d'aimantation» l'écart entre les présentent à dimensions égales, des effets magnétiques moin- 35 champs mesurés et calculés. II est variable en tous points de la dres que les cuves disposées en long, malgré la complication des cathode, et l'expérience montre qu'il est maximum dans les exconditions d'exploitation qui en résultent. trémités de la cuve, et qu'il décroît en se déplaçant vers le centre

Dans tout ce qui va suivre, on désignera, selon les conven- où il est nul.

tions habituelles, par Bx, By et Bz les composantes du champ En particulier, pour la composante verticale Bz, cet écart est magnétique selon les axes Ox, Oy et Oz, dans un trièdre rectan- 40 généralement positif pour des points de la cathode située du gle direct dont le centre O est le centre du plan cathodique de la côté des y positifs, et négatifs par anti-symétrie pour ceux situés cuve, Ox est l'axe longitudinal dans le sens de la file, Oy, l'axe du côté des y négatifs. Ceci est dû au fait que la composante Bz transversal et Oz l'axe vertical dirigé vers le haut. est la résultante des champs élémentaires des différents conduc-

Selon la convention habituelle, on désigne les positions teurs entourant la cuve, dont les principaux sont (fig. 1).

amont et aval par référence au sens conventionnel du courant 45 — les liaisons latérales (1) entre cuves situés du côté des y dans la série. positifs donnant un champ Bz (1) toujours de sens négatifs en

En ce qui concerne les diagrammes des champs magnèti- raissonnant pour les points de la cathode situés du côté des y ques, on conviendra d'appeler «antisymétrique» par rapport à positifs.

un plan donné, une fonction lorsqu'à tout couple de points sy- - les montées centrales (2) (2') alimentant le croisillon (3)

métriques par rapport à ce plan correspondent deux valeurs 50 donnant des champs bz (2) et bz (2') dont le total est toujours de égales et de signe opposé de la fonction. sens positif.

Le dispositif selon l'invention présente les caractéristiques Dans tout ce qui suit, on emploiera l'expression «croisillon»

spécifiées dans la revendication 1. de façon générale, pour désigner le système de suspension et

Dans le dessin annexé : d'alimentation électrique du système anodique sans faire aucune

La figure 1 représente schématiquement, en coupe verticale 55 hypothèse particulière sur sa structure, qui peut comporter no-transversale passant par le point 0 défini ci-dessus, une cuve tamment une seule traverse, deux traverses, électriquement sé-d'électrolyse disposée en travers par rapport à l'axe de la série. parées ou deux traverses réunies par des liaisons équipoten-L'axe Ox est donc perpendiculaire au plan de figure. tielles.

Sur la demi-coupe de gauche, on a figuré les vecteurs des - les liaisons latérales (1 ') entre cuves situées du côté des y champs magnétiques induits par les montées centrales et les 60 négatifs donnant un champ bz (1 ') toujours de sens positif, liaisons latérales. Sur la demi-coupe de gauche, on a figuré l'en- Or le champ vertical résultant des liaisons latérales (1) et combrement du système anodique de demi-longueur a. La de- (1 ') toujours négatif est fortement atténué par l'effet d'écran mi-largeur b apparaît sur la figure 2. constitué par les têtes du caisson (4 + 4') alors que c'est moins

La figure 2 représente schématiquement, en coupe horizon- le cas pour le champ résultant des montées centrales (2 et 2') taie, la cathode d'une cuve d'électrolyse divisée en quatre quarts 65 toujours positif.

numérotés par convention 1 à 4, cette convention étant valable II en résulte un écart positif du côté des y positifs, de la pour les autres figures. valeur réelle du champ Bz mesuré par rapport à sa valeur cal-

La figure 3 est un diagramme des composantes horizontales culée.

3

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Un raisonnement analogue pour les points situés près du centre, montre que l'effet d'écran s'affaiblit car il devient assez uniforme pour tous les conducteurs source de bz. En outre, les différents champs tendent à s'équilibrer. Il n'y aura donc que peu d'écart entre les valeurs mesurées et calculées s'appliquant d'ailleurs à un champ résultant Bz faible.

Cette théorie est vérifiée par les mesures expérimentales qui permettent de choisir une disposition et une répartition du courant circulant dans les différents conducteurs alimentant la cuve pour obtenir des effets magnétiques réduits.

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

Force suivant l'axe Oy : f(y) = jzBx - jxBz Force suivant l'axe ox : f(x) = jyBz-jzBy Bx, By et Bz étant les trois composantes mesurées du champ magnétique B suivant les axes pralallèles à Ox, Oy et Oz. Bx mesuré = Bx calculé + Bx champ d'aimantation By mesuré = By calculé + By champ d'aimantation Bz mesuré = Bz calculé + Bz champ d'aimantation jx, jy et jz étant les trois composantes de la densité de courant dans le métal.

La figure 2 donne la coupe horizontale d'une cuve en travers au niveau du point central du plan cathodique et divisé en quatre quarts par les axes Ox et Oy.

L'ensemble des forces fj(y) sur une parallèle à Oy d'abscisse (x) dans le premier quart est conducteurs suivant les axes x et y étant habituellement disposés symétriquement par rapport à xOz, le champ Bz calculé sera antisymétrique.

Il en est de même des masses ferro-magnétiques par rapport 5 à xOz et le champ Bz d'aimantation sera antisymétrique. II en résulte que le champ réel Bz mesuré sera, lui aussi, antisymétrique par rapport à Ox.

Au total sur chaque y:

10

Fi(y) = -F4(y)

et

0 0

15 Fj(y) sur le premier quart = - JT* F4(y) sur le quatrième

-b quart

-b

(6)

0

0

0

Fi(y) = y fi(y)dy = jzJ Bxdy-jxJ Bzdy

(1)

+ a

+a +a car sur chaque axe parallèle à oy:

jz est constant puisque uniforme sur toute la cuve et jx est constant en raison de la disposition habituelle des barres cathodiques.

On aura de même, dans le quatrième quart et sur le même axe y parallèle à Oy

20 Examinons maintenant les forces longitudinales dans le deuxième et le troisième quarts: Les équations sont les mêmes que pour le premier et le quatrième quart et l'on obtiendra:

+b +b

25 JT* F2(y) sur le diexième quart = - JT F3(y) sur le troisième 0 0

quart (7)

30 Les équations 6 et 7 montrent que l'interface bain-métal sera symétrique par rapport à xOz dans chaque moitié de cuve délimitée par le plan yOz. Il convient maintenant d'ajouter une condition supplémentaire pour que dans chaque moitié délimitée par l'axe ox, les forces de Laplace soient égales, c'est-à-dire:

35

0 +b

2TFi(y) = 2'F2(y) (8)

-b 0

— a

— a

F4(y) =y f4(y) fy = ]ZJ Bxdy-jxy*Bzdy

(2)

0

0

0

Si Fi (y) = - F4(y) les forces sur chaques parallèles à Oy seront égales et opposées. Il suffit pour cela que:

0

4o d'où il découlera que: +b 0

2TF3(y) = 2Tp4(y)

45 0 -b

(9)

— a

J Bxdy = ~y* Bxdy

+a et

Ecrivons les équations des Forces de Laplace pour Fi et F2 (3) 0 0 0

50 Fi (y) = J fj(y)dy = j ZJ B.dy-jjXJ B2dy (10)

-ha

-f-a

-ha

0

et

:-y\d,

0

(4) 55

Ces deux équations seront vérifiées si les valeurs de Bx et Bz sur un axe y sont antisymétriques par rapport au plan xOz.

Cas du champ horizontal Bx: Dans une cuve en travers, les conducteurs suivant les axes y et z étant habituellement disposés symétriquement par rapport à xOz, le champ Bx calculé sera antisymétrique.

Il en est de même des masses ferro-magnétiques par rapport à xOz et le champ Bx d'aimantation sera antisymétrique. Il en résulte que le champ réel Bx mesuré sera, lui aussi, antisymétrique par rapport à Ox.

Cas du champ vertical Bz: Dans une cuve en travers, les

F2(y) = J f2(y)dy = jz| Bxdy—jlxJ Bzdy (11)

+a +a +a car jz est constant sur deux axes disposés symétriquement par 6o rapport à Oy en raison de la disposition habituelle des barres cathodiques.

Pour jx, les courants parcourant les barres cathodiques sont égaux et de sens opposés pour tous points disposés symétriquement par rapport à Oy.

65

On aura donc: j2x = -j;x et l'équation (11) devient dans le deuxième quart de cuve:

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4

F2(y) =/f2(y)dy = hjBxdy + jtxy Bzdy (12)

+a -l-a +a

Cas du champ horizontal Bx: dans une cuve en travers, les conducteurs parallèles aux axes Oy et Oz étant disposés symétriquement par rapport au plan yOz, le champ Bx sera symétrique.

Cas du champ vertical Bz: on a égalisé les deux premiers termes des équations (10) et (12). Pour que l'équation (8) soit vérifiée, il suffit donc que:

0 0

-j,/BA (premier^) - +jix^*BIdy (deuxièmequart).

+a c'est-à-dire:

-f-a

15

(16)

0 0

-|B,dy (premier,»«) = +f B.dyquart). (14)

-fa

+a

0

Autrement dit, si les valeurs de J" Bzdy sur deux axes dis-

+a posés symétriquement par rapport à Oy sont antisymétriques, l'équation (13) donc, l'équation (8) seront vérifiées. Or, on constate que dans une vue en travers, les valeurs des intégrales

0

B/ly du champ réel sur deux axes parallèles à Oy et disposés

/

+a symétriquement sont antisymétriques par rapport à la valeur de 0

2. La flèche du dôme sera minimale et dans la pratique on constate que lorsque la condition (14) est réalisée, l'interface bain-métal est pratiquement plate et qu'il ne subsiste à la périphérie du système anodique qu'une légère dénivelation difficile-

5 ment mesurable car inférieure à 1 centimètre.

3. Il n'y a plus de mouvement du métal décelable par la variation de résistance de la cuve.

En effet, les équations (4) et (13) ont pour conséquence, en appelant Bzl moyen dans le premier quart de cuve i 0 r

Bzl moyen (premier quart de cuve) = — JT J Bzdy

— k +a s étant la surface d'un quart de cuve Bz moyen premier quart = +Bzl Bz moyen deuxième quart = — Bzl Bz moyen troisième quart = +Bzl Bz moyen quatrième quart = — Bzl

Or, on sait que les mouvements de métal dépendent de la valeur moyenne de Bz par quart de cuve. Ils deviennent négligeables lorsque ces valeurs sont égales et de signe opposé deux deux comme le montre la figure 4.

En plus, cette égalité correspond à une valeur minimum par quart de cuve du Bz moyen.

On a vu que les progrès technologiques sur les appareils de mesure ont permis de mettre en évidence l'action différentielle due aux masses ferro-magnétiques sur les champs élémentaires des différents conducteurs, suivant leur position par rapport aux dites masses ferro-magnétiques.

On a donc pu déterminer expérimentalement cette action que nous avons appelée «champ d'aimantation» et qui constitue une correction non négligeable au calcul.

0

35 On a démontrée précédemment que la condition j" Bzdy = 0

30

l'intégrale J Bzdy sur l'axe Oy.

+a

La condition (13) sera donc réalisée lorsque:

0

f BA sur r»e Oy, d» champ mesuré, sera éga.e à 0 (!4)

+a

On en conclut que si la condition (14) est réalisée, on obtient sur deux axes parallèles à Oy et disposés symétriquement par rapport à Oy et à une distance x1; figure 3:

Fj =-F4;Fi =F2;F2 = -F3etF3 = F4 c'est-à-dire:

F2=F! F3 =-F1

F4 = -Fx

(15)

et pour l'ensemble des forces longitudinales par quart de cuve, on aura de même:

+b 0 +b 0 0 0

JF2 = % Fi, JF3 = -JT Fi etJJ F4 = -J Fx 0 -b 0 -b -b -b

Cette égalité des forces longitudinales opposées deux à deux a pour conséquence que:

1. l'interface bain-métal aura une forme de dôme symétrique par rapport à xOz.

+a du champ réel mesuré sur l'axe Oy aboutissait à des valeurs pour Bz moyen par quart de cuve égales en valeurs absolues, mais de 40 signe contraire pris deux à deux qu'il en résultait,

- une interface bain-métal pratiquement plane,

- une absence de mouvement du métal cathodique.

Cette stabilité permet d'optimiser les conditions de marche des cuves et d'obtenir de très bons rendements énergétiques en 45 utilisant pleinement la finesse de réglage de l'ordinateur.

0

Pour obtenir la condition J" Bzdy = 0 et la condition similaire

— a 4-a

50 -

I Bzdy = 0 du champ réel Bz mesuré sur l'axe Oy, on peut jouer 0

sur la position des conducteurs de liaison entre cuves et l'inten-55 sité qui les parcourt.

La figure 5 donne schématiquement la disposition de l'ensemble des conducteurs de liaison entre une cuve amont (n — 1) et une cuve aval (n), figurée avec deux montées de tête et deux montées centrales alimentant le croisillon (3) de la cuve aval. Il 6o est bien entendu que le nombre de montées centrales qui est ici de deux n'est pas limité. Inversement, dans le cas de cuves à intensité moins élevée, par exemple de 70 000 à 100 000 ampères, ou dans le cas de l'adaptation du dispositif selon l'invention à des cuves existantes où la place disponible est relative-65 ment limitée, il est possible de prévoir une seule montée centrale située sur l'axe Ox de la série.

Les barres cathodiques (5) (5') de la cuve amont (n — 1) sont reliées à chacune de leur extrémité, à des collecteurs négatifs,

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(6) (6'), (7), (7') dont le nombre par quart de cuve dépend en - on connaît par l'expérimentation, les valeurs du champ Bz général de la dimension de la cuve. Par mesure de simplification, d'aimantation sur l'axe Oy.

il n'en a été indiqué qu'un par quart de cuve sur la figure 5. Cette courbe est aussi fonction de «i».

Par quart de cuve, l'intensité totale sortant du ou des — en écrivant que Bz mesuré = Bz théorique +BZ aimanta-

collecteurs négatifs est — 5 tion'.0n détermine ,a courbe des B* réeIs sur >'axe °y>fonction

8 de«i».

Les collecteurs négatifs amont (7) (7') de la cuve amont (n -

1) contournent les angles amont (8) (8') de la cuve amont et se 0

raccordent aux collecteurs latéraux (1) (1 ') situés le long des , /*„ , , „

petits côtés de la cuve amont pour conduire le courant au croisil- io " °" °alcule 1 mtegrale J reel sur Pour d,fferentes

Ion (3) de la cuve aval (n). +a

Les collecteurs négatifs aval (6) (6') de la cuve amont ali- valeurs de «i».

mentent le croisillon (3) de la cuve aval par des montées cen- On trouve la valeur iD qui correspond à la condition:

traies (2) (2').

On a constaté que suivant la dimension de la cuve, l'impor- 15

tance des masses ferro-magnétiques constituées principalement / Bzdy réel sur l'axe Oy = 0

par le caisson, les superstructures, les barres cathodiques, le J

bâtiment et la position des barres de liaison entre cuves, l'inten- +a . .

sité «i» alimentant chaque extrémité du croisillon devait être la valeur iQ est comprise entre — et 2 — .

comprise entre i/8 et 2 i/8 pour des poids de masses ferro- 20 8 8 magnétiques habituellement utilisées dans la construction des cuves.

Les figures (6) (7) et (8) donnent le schéma des conducteurs pour les cas où l'intensité «i» alimentant chaque tête du croisil- Exemple

Ion est respectivement de i/8 ; l,5xi/8et2xi/8. 25 Une cuve 175 000 A construite suivant les revendications

On a avantage à choisir, pour les conducteurs de liaison, une du brevet français n° 2 324 761 a donné les résultats suivants:

position dans le plan horizontale, la plus proche possible des intensité moyenne: 175 500 Amp.

têtes de caisson, mais compatible avec les contraintes posées par rendement Faraday: 91,1 %

l'exploitation et la sécurité électrique. tension moyenne: 4,07 volts

Dans le sens vertical, on place habituellement ces conduc- 30 ce qui correspond à une consommation spécifique de teurs dans un plan assez voisin de celui du métal, afin de: 13 330 kWh/t.

- ne pas allonger les circuits pour un gain realtivement faible Sur la même cuve, fonctionnant avec les mêmes paramètres sur la composante Bz qui varie le cosinus de l'angle a (figure 9). de marche, qualité de l'alumine, acidité du bain, etc ... on a

- ne pas introduire inutilement des composantes supplé- utilisé une disposition des conducteurs faisant l'objet du présent mentaires Bx et By qui apparaissent très rapidement lorsqu'on 35 brevet, avec deux montées centrales, l'alimentation de chaque s'éloigne du plan du métal, car elles varient comme le sinus de . - . . , . , 0 i „ ,

„ , extremite du croisillon étant egale a 1,3 — . On a obtenu alors

1 angle a. b 8

Dans la pratique industrielle, on est conduit pour des raisons les résultats suivants:

économiques à prendre le tracé le plus court possible pour les intensité moyenne: 177 000 Amp.

conducteurs de liaison entre cuve, mais ce choix ne restreint par 40 rendement Faraday: 92,8 %

le domaine d'application du brevet. tension moyenne: 4,02 volts

La détermination de «i» est alors faite de la façon suivante: ce qui correspond à une consommation spécifique de

- à partir d'un tracé retenu pour les conducteurs de liaison, 12 940 kWh/t, constituant ainsi une des meilleures perfor-on détermine par le calcul la courbe des valeurs de Bz théorique mances obtenues jusqu'à ce jour, avec des cuves fonctionnant sur l'axe Oy. Cette courbe est fonction de «i». 45 avec un ampèrage aussi élevé.

C

3 feuilles dessins