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La pré~ente invention a pour objet un procédé et un
dispo~iti~ pour la compen~ation des champs magn~tique3 des files
voisines de cuve~ d'électrolyse i~née placées en travers.
Ia production indu~trielle de l'alumi~ium a'opère par
électrolyse ignéeJ dans des cuves branchées électriquement en
série, d'une solution d'alumine dan~ de la cryolithe portée ~
une température de l'ordre de 950 ~ 1000C par l'effet Joule du
courant traversant la cuve.
Chaqu~ cuve comprend une cathode rectangulaire formant
creuset, dont le fond est constitué par des blocs de carbone
scellés sur des barres d'acier dites barre~ cathodi~ue~q, qui
servent ~ évacuer le courant de la cathode vers les anodes de
la cuve suivante.
~ Le~ anodes, également en carbone, sont scellées sur
-` des tiges crapaudées sur des barres en aluminium, dites barres
anodiques, fixées sur une superstructure q~i surplombe le creu-
set de la cuve. Ces barres anodiques sont reliée3, par des conduc-
teurs en aluminium dits "montées", aux barres cathodiques de la
~ cuve précédente.
- 20. Entre les anodes et la cathode se trouve le bain
d'électrolyse, c'e~t-à-dire la ~olution d'alumine dans de la
cryolithe. ~'aluminium produit se dépo~e ~ur la cathode, un
volant d'aluminium étant con~tamment maintenu au fond du creuQet
cathodique.
~e creset ~tant rectangulaire, les barres anodiques
; supportant les anodes sont, en général, parallèles à ses grands
catés, alor~ que les barres cathodiques sont parallèles ~ seq
petits c8tés, dits t8tes de cuve.
- Les cuve~ sont rangée~ selon de~ files, en long ou en
travers, suivant que leur grand c~té ou leur petit c8té est pa-
rallèle ~ l'axe de la file. ~es cuveq sont branchées électrique-
ment en série, les extrémités de la ~érie étant reliées aux
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- ` ~
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sorties positive et négative d~une ~ou~-station électrique de
redressement ~t de régulation. Chaque série de cuves comprend
un certain nombr~ de file~ branchées en série, le nombre des
files ~tant de preférence pair af~n d'é~iter des longueurs
inutiles de conducteur~.
~ e courant électrique qui parcourt le~ di~férents
conducteur~ : électrolyte, métal liqulde, anode~, cathode, con-
ducteurs de liai~onl crée de~ champs magnétiques importants. Ces
champs induisent, dans le bain d~électrolyse et dan~ le métal
fondu contenu dans le creuset, des force~ dites de laplace qui,
par le~ ~ouvements qu'elles engendrent, sont nuisible~ à la bonne
marche de la cuve. ~e de~sin de la cuve et de'8e~ conducteurs de
liaison est étudié pour que les champs magnétique~ créés par les
différentes parties de la cu~e et le~ conducteurs de liaison ~e
compen~ent : on aboutit ainsi à une cuve ayant pour plan de
symétrie le plan vertical parallele à la file de cuves et pa~sant
par le centre du creuset.
Cependant, les cuveq sont également soumi~es à des
- champs magnétique~ perturbateurs provenant de la ou des file~
voi8ine~.
` Dan~ ce qui ~uit, les mots "amont" et "aval" s'enten-
'"` dent par rapport au sens général du courant électrique dans la
file de cu~es considérée. On entend par "~ile voi~ine" la file
la plus proche de la file considérée et par "champ de la file
voisine" la résultante de~ champs de toutes les fileq autreQ
que la file con~idérée.
- ~'objet de l'invention est un procéd~ pour la compen-
~ation des champ~ magnétiques des files voi3ines de cuves d~élec-
trolyse ignée placées en tra~ers.
Un di~positif mettant ce procédé an oeuvre constitue
un autre objet de l'invention.
Dans le procédé selon l'invention, on modifie la
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répartition du courant dans les conducteurs d~alimentation de
l'anode d'une cuve aval à partir de la cathode de la cuve a~ont
~oi3ine, de façon ~ superposer à la cuve une boucle électrique
produisant un champ magnétique ~upplementaire sensiblement égal
à celui créé ~ar la file voisine, et de sens contraire.
Le di~positif selon l'invention permet la compensation,
dan~ une file de cuve~ comprenant au moin~ une cuve amont et une
cuve aval, du champ magnétique d'une file voisine. Chaque cuve
comporte au moins deux barre~ anodiques sur lesquelles sont
crapaudées des tiges scellées aux anodes,et un creuæet cathodique
dont le fond est constitué par des blocs de carbone scellés ~ur
- des barre~ cathodiques, les barres anodiques de la cuve aval étant
alimentéeY en courant électrique à partir des barre~ cathodique~
de la cuve amont par au moins deux montées, l'une intérieure,
- c'est-à-dire située du côté de la file voisine, l'autre extérieure,
chaque montée comprenant deux conducteurs dont l'un est relié aux
extrémités amont des barres cathodiques, l'autre étant relié aux
extrémités aval des barres cathodiques. L'un de~ conducteurs de la
montée intérieure, côté amont ou côté aval, est relié ~ plus de la
moitié des extrémités correspondante~ des barres cathodique~
priQes du c8té intérieur, le conducteur correspondant de la
montée extérieure étant relié aux extrémités côté extérieur non
reliées à la montée intérieure, l'autre conducteur intérieur, ~
côté aval ou côté amont, étant relié à la moitié oôté intérieur
dès extrémités correspondantes et le conducteur extérieur
correspondant à la moitié caté extérieur.
~ 'invention ainsl définie est expliquée à partir
d'exemples illustrés par les figures jointes.
~ a figures 1 est un croquis donna~t la direction du
champ créé par la ~ile voisine et par les montées.
~ a figure 2 représente, en plan, deux cuves d'une
~érie, le champ de la file voi~ine étant compensé en connectant,
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sur le conducteur intérieur a~ont~ la première barre cathodique
du côt~ extérieur amont.
La figure 3 représente, de m~me, deux cuves d~une
série, le champ de la file voisine étant compen é en connectant,
~ur le conducteur intérieur aval, la pre~ière barre cathodique
du c~té extérieur aval.
~ a figure 4 représente, égale~ent en plan, deux cuves
d'une série, le champ de la file voisine étant compen~é ~ans
création d'un champ horizontal parasite.
~es figures 5 et 6 repré~entent un di~positif de
compenæation qui constitue une variante du précédent : la figure
5 est un schéma de principe, la figure 6 un exemple de réalisa-
tion plus détaillé.
La figure 7 est un graphique donnant le champ magnéti-
que aux quatres angle6 du creu~et en fonction du coura~t circulant
.
dan~ la boucle électrique.
Sur ces figures, les m~me~ élément~ sont représentée
par le~ mêmes repère~.
~ e procédé pour la compensation des champs magnétiques
des file~ voisine~ de cuves placée~ en travers permet, par une
légère modification de la répartition du courant dan~ les con-
ducteurs, de superposer à la cuve d'électrolyse une boucle électri-
que produisant un champ supplémentaire ~ensiblement égal à celui
créé par la file Yoisine, et de aens contraire,
Dans une ~érie de cu~es, le de~sin des conducteurs de
liaison peut être de deux types.
Selon un premier type, les barres anodiques d'une cuve
aval sont alimentées par leur~ extrémités (montée~ en tête).
Selon un deuxième type, le8 barres anodiques d~une
cuve aval sont alimentées au quart et aux trois quarts de leur
longueur (montée centrale).
Dans les deux types, tout ou partie du courant sortant
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de la cathode du c8té amont contourne la t8te de cuve pour alimen-
ter une montée aboutissant ~ la cuve aval suivante. Au total, le
courant qui parcourt les conducteurs longeant les t~tes de cùve
représente habituellement entre le quart et la moitié de l~inten-
~ité totale de la série.
On considère, ~elon la figure 1~ une cuve 1 d'une
- première file, représentée par son creuset cathodique que l'on
voit coupé par un plan vertical perpendiculaire à l'axe des files.
Les anodes (non repré~entées) de cette cuve 1 sont alimentées par
deux montées 2 et 3. Dan~ la file considéré~, le courant
s'éloiene de l'ob~ervateur, le ohamp magnéti~ue produit par la
montée 2 est représenté par la flèche 4 et celui produit par
la montée 3 par la fl~che 5.
.... .
A droite de cette cuve est placée une cuve 6 de la
file immédiatement voisine, repréaentée également par son creuset
cathodique. ~es anodes (non représentée~3 de oette cuve ~ont
alimentées par de~ montées 7 et 8. Dans cette file, le courant
~e di~ige vers l'observateur perpendiculairement ~ la figure.
Cette cuve produit, dan~ la cu~e 1, un champ magnétique vertical
repré~enté par les flèches 9.
Si on appelle "intérieure" la montée 2 qui longe la
cuve 1 du côté de la cuve voisine 6, et "extérieure~' la montée
qui est du côté oppoRe, on voit que la montée extérieure 3
crée, dans la cuve 1, un champ magnétique vertical 5 du ~ême
~en~ que celui 9 oréé par la cuve 6 de la flle ~oisine. Elle
crée également un champ magnétique horizontal beaucoup plus
faible, dont il est question plus loin.
Selon le procéde, on diminue l'inten~ité du courant
circulant dans la montée extérieure 3 au profit de la montée
intérieure 2, ce qui réduit le champ négatif produit par le
conducteur extérieur sur le petit côté extérieur et augmente le
champ positif 4 créé par la montée intérieure 2 sur le petit
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côté intérieur. On superpose ainsi à la cuve une boucle élec-
trique qui produit un champ magn~tique ~upplémentaire, ~uperpoaé
au champ positif sur la plu9 grande partie de la cuve.
Un premier exemple de dispositif est décrit ~elon le~
figures 2 et 3.
Ces figures représentent deux cuves voiaines placées
en traver~, appartenant ~ une ~ême file. ~a cuve a~ont 10
comprend un creu~et cathod~que il et une super~tructure 12.
~e fond du creuset 11 est compos~ de bloca de carbone scellé~
sur douze barres cathodiques 13 à 24. ~a cuve aval 25 comprend
un creuset cathodique 26 et une superstructure 27 comporta~t
deux barre~ anodiques 28 et 29 auxquelles sont crapaudées le~
tiges d'anode (non représentées).
Ces cuves sont du type à montées en tête. Selon la
technique connue, on relie les extrémité~ a~ont de æix ~es douze
barres cathodiques c8té gauche, soit 13 à 18, à l'extrémité
correspondante des barres anodiques 28 et 29 de la cuve aval
25 par un conducteur 30, et le~ extrémités aval des mêmea barres
cathodiques 13 à 18 à la même extrémité des barres anodiques
- 20 28 et 29 par un conducteur 31, l'en~emble de ce~ deux conducteurs
30 et 31 constituant la montée gauche, c'e~t-à-dire la montée
intérieure puisque la file voisine est supposée placée du mame
côté gauche.De façon analogue, l'extrémité de droite des barres
anodiquea 28 et 29 eet reliée aux extrémltés amont des aix autrea
barr~a cathodiquea 19 à 24 par un conducteur 32, et à l'extrémité
aval de ces même~ barres cathodiques par un conducteur 33,
- l'ensemble de ces conducteurs 32 et 33 constituant la montée
droite, c'est-à-dire la montée extérieure.
En vue de la compenaation du champ magnétique de la
file voisine, située à gauche, on déconnecte l'extrémité amont
(figure 2) 9 OU l'extrémité aval (figure ~) de la barre cathodique
19 située immédlatement à droite de l'axe 34, de son conducteur
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~ ~ '''
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32 ou 33 pour la connecter au conducteur correspondant 30 ou
~1 de la montée gauche. On augmente ain~i l'intensité du coura~t
pas3ant dan~ la montée intérieure 30-31 aux dépen~ de celle du
courant qui pas~e dans la monté~ extérieure, d'où la création
d 'une boucle électrique 40.
Il convient de remarquer que le branchement c~té aval
~elon la flgure 3 est moins efficace que le branchement côté
. . .
amont selon la ~igure 2, car le conducteur aYa~ 33 ne longe
que la moitié de la largeur de la cuve aval 25, alor~ que le
conducteur amont 30-32 longe tout le côté de la cuve amont 10
et la moitié de celui de la cuve aval 25 : le xapport des efficaci-
tés de3 deux di~positifs e~t donc de 1 à 3 en faveur de l'extré-
mité côté amont.
- On peut, bien entendu, connecter au conducteur inté-
rieur les extrémités de plus d'une barre cathodique, par exemple
celles des deux barres 19 et 20 les pluq voisines de l'axe 34
de la ~érie.
~es deux dispositifs décrits présentent l'inconvénient
de créer un léger champ magnétique horizontal transver6al, d'en-
viron 5 gauss dans le cas de cuve~ de 90.000 ampères conformes au
modèle décrit. Un troi~ième di~positif permet, dans le ca~ des
cuves à ~ontées en tête, de compenser le champ de la file vol-
sine san9 créer de champ horizontal. Pour cela on connecte un
certain nombre d'extrémité~ amont de barres cathodique3 extéri-
eures vois~nes de l~axe 34, par exempl~ (figure 4) le~ extrémité~
amont des barr~s 19 et 20, au conducteur intérieur amont 30 et
le même nombre d~extrémités aval de barrec cathodi~ues intérieures
voisines de l'axe 34, par exemple le~ extrémité~ aval des barres
17 et 18, au conducteur extérieur aval 33. De cette façon, seuls
les conducteur~ situés dans le plan horizontal de la cathode
voient leur intensité de courant modifiée, et l'on ne crée donc
pa~ de champ magnétique horizontal dans la cathode.
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~l067036
On remarque cependant, sur la figure 1, que le~ champs
magnétiques verticaux dans le~ deux angles amont de la cuve sont
de signe contraire, alor~ que le champ créé par la fil~ voiAine
est de ~igne constant. Il s'enAuit que la compensation du champ
de la file voisine a un effet favorable dans le coin extérieur
amont, mais un effet défavorable dans le coin intérieur amont.
On y remédie dans un quatrième dispositif schématisé
par la figure 5 et dont la figure 6 repré~ente un exemple de
réalisation. Ce dispositif constitue une amélioratio~ du disposi-
tif précédent en ce qu'il permet une compensation plus fortesur le côté extérieur que sur le c8té intérieur. Au lieu d'alimen-
ter le~ barras anodiques de façon symétrique, comme dan~ les
précédent~ di3positifs, la barre anodique amont étant reliée aux
barres cathodiques amont de la cuve amont et la barre anodique
aval étant reliée aux barres cathodiques aval ou inversement,
on procède de la facon suiv~nte :
- la barre anodique amont 27 est reliée, du c8té intérieur,
aux barres cathodiques amont de la cuYe amont par une montée 35
et, du côté extérieur, aux barres cathodiques aval de la cuve
amont, par une montée 36 ;
- la barre anodique aval 28 eQt reliée, du côté intérieur,
aux barres cathodiques aval de la cuve amont par une montée 37,
tandi~ que, du côté extéeieur, ello est reliée aux barre~ catho-
tiques amont de la cuve amont par une montee 38.
Un conducteur supplémentaire 39 relie les deux barres
anodiques en leur milieu.
~ es barres cathodiques sont groupées comme il est dé-
crit ci-de~sus, à propos du troi~ième exemple.
~ 'inten~ité I du courant détourné est indiquée sur la 30 figure 5, et l'on voit que, du côté intérieur, le courant qui
longe la cuve vaut I à l'extérieur des barres a~odiques et est
nul entre elles, alors que, du c8té exté~ieur, l~inten~ité est I
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à l'exté~ieur de~ barre~ anodiques et 2 I entre elles. La
compen~ation est donc, au total, plu8 forte du côté exté~ieur.
~ e champ horizontal n ' est plu9 nul, mais il est longi-
tudinal et donc beaucoup moins nocif à la bonne marche de la
cuve que dans le~ premier et deuxième di~positif~, qui pré~entent
un champ horizontal transversal au centre.
Les conducteurs ~ont de~siné~ de façon à 8-tre élec-
triquement équilibrés, c~est-à-dire de façon que le~ chute~ de
tension soient identique~ dans tous les circuits branchés en
parallèle: ain~i le~ conducteurs 30 et 32, dont la longueur est
~upérieure à celle de~ conducteurs 31 et 33, présentent une
section plu8 élevée.
La détermination de l'intensité du courant à détourner
du conducteur extérieur sur le conducteur intérieur, de façon
à créer une boucle électrique produiæant un champ Yertical posi-
tif additionnel ayant sensiblement la même intensité que le
champ vertical négatif créé par la file voisine, est aisée. En
effet, le champ est proportionnel à l'intensité du courant : en
superposant les inten~ités on ~uperpose donc les champs corres-
pondants. On peut donc schémati~er les circuits décrits etlllustré~ par les figure~ 2, 3, 4 ét 5 comme étant la super-
position d'une cuve classique ~ans compensation, et d'une boucle
électrique 40 représentée en tirets. Des flèches, portées sur
ces tirets, indiquent le sens du courant dan~ la boucle, les autres
flèches indiquant le sens du oourant dans les différentes montées.
Par superposition de l'intensité du courant pa~sant dans la
boucle et des intensitéa des courant~ passant dans les différents
conducteurs dan~ le cas de la cuve non compensée, on obtient
l'intensité du courant résultant passant dans chacun de ces
derniers après compensation.
Le calcul de l'intensité à détourner consiste donc à
calculer ou à mesurer le champ créé par la boucle précédemment
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définie, en fonction de l'intensit~ I du courant détourné qui la
parcourt, puis à superposer ce champ à celui de la cuve sans
comp~nsationt et enfin à faire varier I ju~qu'à ce que le champ
vertical maximal de la cuve soit le plu~ faible po~sible en
valeur absolue.
Pratiquement, on calcule ou on mesuret et on porte sur
un graphique la ~aleur du champ vertical aux quatre coin~ de la
cuve en fonction de I, et on lit directement (Yoir la figure 7),
la valeur Io de I correspondant à la valeur absolue du minimum
~ 10 du champ vertical maximal. On réalise ensuite le branchement
- electrique en connectant sur chaque circuit un certain nombre de
barres cathodiques, de façon que l'intensité I soit la plu~ proche
possible de I
Sur la Iigure 7, leæ abscisses repré~entent l'inten-
sité déviée, en kiloampères, et, sur l'horizontale inférieure,
le nombre de barres correspondantes; les ordonnées représentent,
en gauss, la valeur absolue du champ magnétique dans les angles,
c'est-à-dire les coins de la cuve. ~es droites supérieures de
pente positive représentent le champ dan3 l'angle intérieur
amont, les droite supérieures de pente négative le champ dans
l'angle extérieur amont. Les droites inférieures de pente
positive représentent le champ dans 1'angle extérieur aval, les
droite8 inférieur~s de pente négative le champ dans l'angle
inté~ieur aval. Les droites en trait plein sont relatives au
dispositif selon la figure 4, le~ droite~ en tirets concernent le
dispositif selon les ~igures 5 et 6. On voit que la valeur
optimale de I est d'environ: Io = ~ kA : la compensation optimale
doit donc porter sur deux barres.
~e tableau suivant donne, en gauss, les champs magné-
~o tiques d'une cuve de 90.000 ampères, sans compensation du champproduit par la file Yoisine, c'e~t-à-dire selon la figure 2,
mais l'extrémité amont de la barre cathodique 19 reliée au
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~067Q36
conducteur extérieur 32 et non au conducteur intérieur 30, ou
avec compensation selon chacun de3 quatre dispositif~ décrits,
c'est-à-dire re~pectivement selon les figures 2, ~, 4 et 5-6.
~' entr' axe entre les files de cuve~ e~t de 1595 mètres.
Le graphique de la figure 7 correspond aux dispositions
illustrée~ par les figure~ 4 (trait plein) et 5-6 (tirets) et
aux données ci-dessuR.
TAB~EAU (champ magnétique en gaus~)
. .~_
Champ ~mplace- San~ ler dis- 2ème di~- 3è~e dis- 4ème di~
10magné- ment de compen positif positif positifpositif
tique me~uresation fig.2 fig.3 fig.4 fig.5-6
. ,
Vertical Au centre 10 5 9 2 2
Coin amont
intérieur -90 -103 -98 -104 --100
Coin amont
extérieur 111 99 103 98 100
Coin aval
: i~térieux 29 26 31 16 19
,Coin aval
extérieu~ _9 -12 -6 -22 -25
I I . .
20Horizon- Au ce~tre 0 5 5 0 5
a tranversal longi-
. ~ tudinal
_
~es exemples décrits concernent des cuves à montées en
,,' tête, maig le procédé et le dispositif s'appliquent aussi bien
aux cuves à,montées centrales : les montées sont alors situées au
quart et aux trois quarts de la longueur de la ouYe au lieu
d'être situées le long de ~e~ petits c8tés.
~ 'invention ~'applique à la compensation des champs
magnétiques des files voisines de cuves d'électrolyse ignée pla-
cées en travers, et plus particulièrement aux cuve~ pour la
production de l'aluminium.
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