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La présente invention, concerne un perfectionnement
aux "Procédé et dispositif pour la compensation des champs magné-
tiques des files voisines de cuves d'~lectrolyse ignée plac~e en
travers", faisant l'objet de notre demande de brevet canadien
~o 266.455 dépo~e le 24 novembre 1976~
La production industrielle de 1'aluminium s'op~re par
électrolyse ignée, dans de~ cuves branchées électriquement en
-~erie, d'une solution d'alumine dans de la cryolithe portée ~ une
température de l'ordre de 950 à 1000 C par l'effet joule du
courant traversant la cuve.
Chaque cuve comprend une cathode rectangulaire fonmant
creuset, dont le fond est constitué par des blocs de carbone
scellés sur des barres d'acier dites barres cathodiques, qui
servent à evacuer le courant de la cathode vers les anodes de
la cuve suivante.
Les anodes, également en carbone, ~ont scell~es sur des
tiges crapaud~es sur des barres en aluminium, dites barres anodi-
ques, fixées sur une superstructure qui surplombe le creuset de
la cuve. Ces barres anodiques sont reliées, par des conducteurs
en aluminium dits "montées", aux barres cathodiques de la cuve
précédente.
Entre les anodes et la cathode se trouve le bain d'élec-
trolyse, c'est-à-dire la solution d'alumine dans de la cryolithe~
L'aluminium produit se dépose sur la cathode, une r~serYe d'alu-
miniwm étant constamment maintenue au fond du creuset cathodique.
Le creuset étant rectangulaire, les barres anodiques
supportant les anodes sont, en gén~ral, parallèles ~ se~ grands
côtés, alors que les barres cathodiques sont parallèles ~ ~es
petits c8tés, dits t~tes de cuve.
Les cuve~ sont rangées selon des files, en long ou en
travers, suivant que leur grand côt~ ou leur petit caté e~t
parall~le ~ l'axe de la file. Les cuves sont branchées ~lectrique-
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. .
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ment en série, les extrémit~s de la série étant reli~es aux
30rties positive et négative d'une sous-~tation électrique de
redressement et de régulation. Chaque s~rie de cuves comprend
un certain nombre de files branchées en ~érie, le nombre de~ files
étant de préférence pair afin d'éviter des longueurs inutiles de
conducteur~.
Le courant électrique qui parcourt les différents
conducteurs : électrolyte, métal liqurde, anodes, cathodes,
conducteurs de liaison, crée des champs magnétiques importantsO
Ces champs induisent, dans le bain d'~lectrolyse et dans le métal
fondu contenu dans le creuset, des forces dites de Laplace qui,
par le~ mouvements qu'elles engendrent, sont nuisible~ ~ la bonne
marche de la cuve. Le dessin de la cuve et de ses conducteurs de
- liaison est étudié pour que les champs ma~n~tiques créés par le~
différentes parties de la cuve et les conducteurs de liai~on se
compensent : on aboutit ainsi ~ une cuve ayant pour plan de
symétrie le plan vertical parallèle à la file de cuves et pa-~ant
par le centre du creuset.
Cependant, les cuve~ ~ont également ~oumises ~ des
champ~ magnétiques perturbateurs provenant de la ou le~ file~
voisines~
Dans ce qui suit, les mots 'lamont" et "aval" s'entendent
par rapport au sens g~néral du courant électrique dan~ la file de
cuves considérée. On entend par "file voisine"la file la plu~
proche de la file considér~e et par "champ de la file voi~ine"
la résultante de~ champ3 de toutes les files autre~ que la file
considérée.
Dan3 notre demande de brevet No. 266,455, nou~ avonq
décrit un procédé et un di~positif pour la compensation des
champs magnétiques de~ files voisine~ de cuves d'électrolyse
ign~e placées en travers, consistant ~ modifier la r~partition
du courant dans les conducteur~ d'alimentation de l'anode d'une
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cuve aval ~ partir de la cathode de la cuve amont voisine, de
façon à superposer à la cuve une ~ucle électrique produi~ant un
champ magnétique supplémentaire ~e!n3iblement ~gal ~ celui créé par
la file voi~ine, et de sens contraire.
Chaque cuve comporte au moins deux barres anodiqùes sur
lesquelles sont crapaudées des tiges scellées aux anodes, et un
creuset cathodique dont le fond ect constitué par des blocs de
carbone scellés sur des barres cathcdiques, les barres anodiques
. de la cuve aval étant alimentées en courant électrique à partir
des barre~ cathodiques de la cuve amont par au moins deux montées,
l'une intérieure, c'est-à-dire située du côté de la file voisine,
1'autre extérieure, chaque montée comprenant deux conducteur~ dont
l'un est relié aux èxtrémités amont des barres cathodique~, l'autre
étant relié aux extrémités aval des barres cathodiques. L'un des
conducteurs de la m~nt~ int~rieure, c~té amont ou c8té aval,
est relié à plus de la moitié des extrémit~s correspondante3 des
barres cathodiques prises du c8té intérieur, le conducteur
correspondant de la montée extérieure étant relié aux extr~mités
c8té extérieur non reli~es à la montée intérieure, l'autxe
conducteur intérieur, c8té aval ou côté amont, étant reli~ ~ la
moitié caté int~rieur des extrémités correspondantes et le
conducteur ext~rieur correspondant ~ la moitié c~t~ ext~rieur~
- La détexmination de l'intensité du courant ~ détourner
du conducteur extérieur sur le conducteur intérieur, de façon
à créer une boucle électrique produisant un champ vertical positif
additionnel ayant sensiblement la même intensité que le champ
vertical négatlf cr~ par la ile voi~ine, est ais~e. En effet,
le champ e~t proportionnel à l'intensité du courant . en superpo-
sant le~ intensités on superpose donc les champs correspondantsO
Le calcul de l'intensité à détourner consiste donc
calculer ou à mesurer le champ créé par la boucl~ pr~cédemment
définie, en fonction de l'intensité I du courant détourn~ qui la
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parcourt, puis a superposer ce champ a celui de la cuve sans
compensation, et enfin a faire varier I jusqu'a ce que le champ
vertical maximal de la cuve soit le plus faible possible en
valeur absolue.
Pratiquement, on calcule ou on mesure, et on porte
sur un graphique la valeur du champ vertical aux quatres coins
de la cuve en fonction de I, et on lit directement la valeur
Io de I correspondant a la valeur absolue du minimum du champ
vertical maximal. On réalise ensuite le branchement électrique
en connectant sur chaque circuit un certain nombre de barres
cathodiques, de façon que l'intensité I soit la plus proche
possible de Io~
Cependant, lors de la mise en oeuvre du procédé et
du dispositif qui viennent d'etre decrits, on constate que
l'influence de la file voisine est favorable sur le cote intérieur
de la cuve, puisqu'elle cree un champ de signe oppose au champ
propre de la cuve, alors qu'elle est défavorable sur le côté
extérieur de la cuve, ou elle crée un champ qui s'ajoute au
champ propre de la cuve.
Selon la presente invention, un dispositif de
compensation des champs magnétiques des files voisines des cuves
d'electrolyse ignee placees en travers, les cuves ayant une
anode, une cathode et une tete exterieure,dans lequel on modifie
la répartition d'un courant dans des conducteurs d'alimentation
de l'anode d'une cuve aval à partir de la cathode d'une cuve
amont voisine, de facon a superposer a la cuve aval
une boucle electrique de compensation produisant un champ ma-
gnetique supplementaire sensiblement egal a celui cree par une
file voisine, et de sens contraire, caracterise en ce que l'on
forme la boucle electrique de compensation en faisant passer sous
la tête exterieure de la cuve aval dans un conducteur
de compensation, une fraction du courant qui parcourt un
~ '
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collecteur négatif exterieur amount, cette fraction de courant
rejoignant ensuite ce même col:Lecteur amont en longeant le grand
côte aval de la cuve aval.
L'invention va être decrite maintenant plus en
détail mais d'une manière non restrictive de sa portée,avec
reference aux dessins annexes dans lesquels:
- La figure 1 est un croquis illustrant le mode
de calcul de la position optimale du conducteur de compensation,
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- La figure 2 schématise une coupe verticale de la
t~te ext~rieure d'une cellule d'électroly~e,
- La figure 3 est une ~le sch~matique en perspective
de la tête extérieure d'une cellule d'~lectrolyse,
- La figure 4 est un schéma qui montre comment on peut
effectuer la determination de l'intensité qui doit parcourir la
boucle.
La position de ce conducteur que l'on désignera, dans
C2 qui suit, par l'expresRion "conducteur de compencation", doit
être telle ~ue le champ magnétique qu'il crée soit maximal au
point de la cuve où le champ magnétique vertical ~ compenser est
le plus intense, c'est-à-dire au voisinage de l'angle ext~rieur
de l'anode. Le collecteur de compensation doit être placé le plus
haut possible sous le fond de la cuve. Pour d~terminer sa posi-
tion dans le plan horizontal, on calcule la valeur du champ
magnétique vertical créé par un conducteur horizontal supposé
infini pour Rimplifier le calcul, en un point M situé à une
distance h au-dessus de ce plan.
Sur la figure 1, C représente la section du conducteur
de compensation vue en bout, et M le point où le champ magnétique
à compenser ~produit par la file voisine) est la plus intense.
est l'angle que fait le plan contenant le conducteur de compensa- ~
tion C et le point M avec la verticale. Si l'on appelle I
l'intensité du courant dans le conducteur C, le champ magnétique
B au point M vaut :
2 I
B = h Cos ~
Si l'on appelle B la composante verticale du champ
au point M, on a :
B = B. sin
= h x 2 cos ~ sin
1 sin 2 ~
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Bz est maximal pour sin 2 ~= 1
donc pour ~ = 45
Le conducteur de compensation doit donc 8tre plac~,
comme on le voit figure 2, de façon telle que le plan défini par
le conducteur et par l'angle extér:ieur de l'anode fasse un angle
sensiblement égal ~ 45 avec la verticale,
Sur cette figure 2 qui sch~matise une coupe verticale
de la tête ext~rieure d'une cellule d'électrolyse, 1 e~t l'anode,
2 l'électrolyte fondu, 3 la couche d'aluminium liquide, 4 le bloc
cathodique, 5 l'angle inférieur de l'anode au voisinage duquel
le ch~np magnétique vertical ~ compenser est maximal, et 6 le
conduc~eur de compensation.
La figure 3, qui est une vue sch~matique en perspective
de la tete extérieure d'une cellule d'~lectrolyse, précise la po-
sition et le tracé du conducteur de compensation 7. Il comporte :
une descente 8 à partir du conducteur négatif extérieur amont 9
jusqu'au niveau du fond de la cuve 10, un passage horizontal 1
sous la cuve paxallèlement à son petit c8té 12, une remont~e 13
jusqu'au niveau du collecteur négatif extérieur aval 14, placée
entre ce dernier et le caisson de la cuve, et un retour 15,
parallèlement au grand côté 16 de la cuve, pour rejoindre le
~ collecteur extérieur amont 9. Le tracé en pointillé fl~ch~
indique comrnent se forme la boucle électrique génératrice du
champ de compensation.
Une fois la po ition du conducteur de compensation d~fi-
nie, la d~tennination de l'intensité qui doit parcourir la boucle
s'obtien~ comrne cela a ~té décrit préc~demment, en calculant la
variation du champ vertical dans les angles amont extérieur et
intérieur en fonction de l'intensité, et en choisissant l'intensité
pour laquelle ces deux valeur~ s'égalisent.
Le graphique, figure 4, montre comment on peut, à titre
d'exemple, effectuer cette détermination dans le cas d'une cuve
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d'électrolyse de 90 kA,
On fait varier l'intensité du courant dans le conduc-
teur de compensation, et on porte en abscisses cette valeur
d'intensité.
Puis, on mesure et on porte ~n ordonnées la valeur en
gauss du champ magnétique vertical dans les angles : amont int~ri-
eur, amont extérieur, aval intérieur et aval extérieur, A titre
complémentaire, on calcule le champ au centre de la cuve.
On voit, sur le graphique, que la valeur optimale du
courant de compensation est légèrement inférieure à 10 kA. En
adoptant 9,5 Ka, on obtient le~ ~aleurs suivantes :
Champ magnétique en Gauss Sans Avec conducteur
~valeurs absolues)compensation de compensation
au centre 8 14
angle amont interi- 111 88,8
Vertical
angle amont exteri- 90 88,5
angle aval intérieur 29 30,5
angle aval extérieur 9 30,5
_
Horizontal au centre 0 2
_ (longitudinal) ,
On remarque que le champ horizontal créé par ce mode
de compensation au centre a une composante transversale nulle
et une composante longitudinale très faible.
Le proc~dé et le dispositif, objets de l'invention,
s'appliquent aussi bien aux cuves à montées en t~te qu'aux cuves
à mont~es centrales.
