Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
1~134Z8
La présente invention concerne un nouveau dispositif
pour réduire les perturbations magnétiques dans les séries
de cuves d'électrolyse en travers, à très haute intensité,
destinées à la production d'aluminium par électrolyse d'alumine
dissoute dans de la cryolithe fondue. E:Lle s'applique à la
réduction des perturbations dues aù champ propre créé par
chaque cuve et par ses voisines de la mêrne file. L'in~luence
d'une ou plusieurs files adjacentes lorsque celles-ci se
trouvent à une distance relativement proche de la file consi-
dérée fait l'objet d'une demande de brevet séparée.
On sait que, pour réduire les investissements etaugmenter les rendements, la tendance est d'augmenter la puis-
sance des cuves, qui, alimentées sous 100,000 ampères, il y
a vingt ans, atteignent maintenant 200 000 ampères. On sait
également que les cuves disposées en travers par rapport à
l'axe de la filej présentent à dimensions égales, des effets
magnétiques moindres que les cuves, disposées en long, malgré
la complication des conditions d'exploitation qui en résultent. ~-
Dans tout ce qui va suivre, on désignera, selon les ~;
conventions habituelles, par Bx, By et Bz les composantès du
champ magnétique selon les axes Ox, Oy et Oz, dans un trièdre
rectangle direct dont le centre 0 est le centre d~ plan
cathodique de la cuve, Ox est l'axe longitudinal dans le sens
de la file, Oy, l'axe transversal et Oz l'axe vertical dirigé
vers le haut.
Selon la convention habituelle, on désigne les
positions amont et aval par référence au sens conventionnel du
courant dans la série.
~ n ce qui concerne les diagrammes des champs magnéti-
ques, on conviendra d'appeler "antisymétrique" par rapportun plan donné, une fonction lorsqu'~ tout couple de points
symé~riques par rapport à ce plan correspondent deux valeurs
` i
.,,~ ~
`~
19~13g~
r égales et de signe opposé de la fonction.
La figure 1 représente schématiquement, en coupe
verticale transversale passant par le point 0 défini ci-dessus,
une cuve d'électrolyse disposée en travers par rapport à l'axe ~:
de la série. L'axe Ox est donc perpendic-ulaire au plan de
figure. :. ~
Sur la demi-coupe de gauche, on a figuré les vecteurs : .
des champs magnétiques induits par les montées centrales et
. les liaisons latérales. Sur la demi-coupe de gauche, on a figurél'encombrement du système anodique de demi-longueur a. La demi-
largeur b apparaît sur la figure 2. :-
La figure 2 représente schématiquement, en coupe
horizontale, la cathode d'une cuve d'électrolyse divisée en
quatre quarts numérotés par convention 1 à 4, cette convention
étant valable pour les autres figures.
La figure 3 est un diagramme des composantes horizcn-
tales longitudinales r des forces, dites Forces de Laplace,
développ~es dans le métal par les champs magnétiques.
La figure 4 est un diagramme des champs Bz moyen . ~ .
par quart de cuve. ~ .
La figure 5 est un schéma d'ensemble des conducteurs de ~;
liaison entre cuvesl selon l'invention. :~
Les figures 6, 7 et 8 montrent di~férentes variantes
de l'alimentation du croisillon, selon l'invention, en faisant
varier la fraction de l'intensité alimentant les extrémitës
et des prises intermédiaires du croisillon. Pour alléger le
dessin, on a figuré l'alimentation de la moitié gauche seule-
ment, la partie droite étant symétrique. .
La figure 9 est un diagramme comparatif de la valeur
30 des champs Bz et By des collecteurs latéraux en fonction de
leur position par rapport au plan du m,~tal.
Les figures 1 à ~ sont illustratives, et ont pour
L342~
but de faciliter l'exposé du problème.
Les figures 5 à 9 se rapportent à l'invention
proprement dite.
Le brevet francais N 2 324 761 déposé le 18 Septembre
1975 au nom de "ALUMINIUM PECHINEY" 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 conditions pour ce type de cuve, a apporté un progrès
important dans la production d'aluminiumj notamment au point
, ~
de vue consommation d'énergie.
Mais cette théorie ne tenait pas compte de l'effet
d'écran produit par les masses ferro-magnétiques essentiellement
constituées par le caisson, la superstructure, les barres
cathodiques et éventuellement le bâtiment.
La mise au point d'une technologie de mesure sur les
cuves en fonctionnement au sein du bain et du métal cathodique
a permis de déterminer l'influence de ces masses ferro-magnéti-
~ ques sur les champs déterminés par le calcul.
;~ ~ Nous appellerons "champ d'aimantation" l'écart entre ~;
les champs mesurés et calculés. IL est variable en tous points
de la cathode, et l'expérience mo~tre qu'il est maximum dans
les extrémités de la cufe, et qulil décroît en se dépla~ant
vers le centre o~ il est nul.
En particulier, pour la composante verticale Bcet écart est généralement positif pour des points de la
cathode située du côté des y positifs, et négatifs par anti-
symétrie pour ceux situés du côté des y négatifs. Ceci est
dû au fait que la composante Bz est la résultante des champs
élémentaires des différents conductèurs entourant la cuve,
dont les principaux sont ~fig. 1).
- les liaisons latérales (l) entre cuves situés du
côté des y positifs donnant un champ Bz (l) toujours de sens
~ 3 ~
3~2i~
négatif en raisonnant pour les points de la cathode situés
du côté des y positifs.
- les montées centrales (2) (2') alimentant le
croisillon (3) donnant des champs bz (2) et bæ (2') dont le
total est tQu]ours de sens positif. ~;
Dans tout ce qui suit, oh emploiera l'expression
"croisillon" de façon générale, pour désigner le système de
suspension et d'alimentation électrique du système anodique
sans faire aucune hypothèse particuliare sur sa structure, ;
qui peut comporter notamment une seule traverse, deux traverses,
., ~
électriquement séparees ou deux traverses réunies par des
liaisons équipotentielles.
- les liaisons latérales (1') entre cuves situées
du côté des y négatifs donnant un champ bz (1') toujours de
:~
sens positif.
Or le champ vertical résultant des liaisons latérales
(1) et (1') toujours négatif est fortement atténué par l'effet
d'écran constitué par les têtes du caisson (4 ~ 4') alors
que c'est moins le cas pour le cha~p résultant des montées ~;
centrales (2 et 2') toujours positif.
Il en résulte un écart positif du côté des y positifs,
de la valeur réelle du champ Bz mesuré par rapport à sa valeur
calculée.
Un raisonnement analogue pour les points situés près -
du centre, montrè 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 expérimen-
tales qui permettent de choisir uné disposition et une réparti- ~
tion du courant circulant dans les différents conducteurs `
3~Z~3
alimentant la cuve pour obtenir des effets magnétiques réduits.
Les forces, dites Forces de Laplace, qui se dévelop-
pent dans le métal, sont la source de la déformation de
l'interface bain-m~tal.
Force suivant l'axe Oy : f(Y) = iZBX - jxBz
Force suivant l'axe ox : f(x) = j Bz - jzB
Bx, By et Bz étant les trois composantes mesurées
du champ magnétique B suivant les axes parallèles à Ox, Oy et Oz.
Bx mesuré = Bx calculé + Bx champ d'aimantation
10 - By mesuré = By calculé + By champ d'aimantation
Bz mesuré = Bz calculé + Bz champ d'aimantation
ix, jy et jz étant les trois co~posantes 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 e~ Oy.
L'ensemble des forces fl(y) sur une parallèle à Oy
d'abscisse ~x) dans le premier quart est
r r r - ~
Fl(y) = J fl(y z ~ sxdY - ix J Bz dy
+a +a -~a (I)
car sur chaque axe parallèle à oy :
jz est constant puisque uniforme sur toute la cuve
et ix est constant en raison de la disposition habituelle
des barres cathodiques.
On aura de même, dans le quatrième quart et sur le meme axe y
parallèle à Oy
~` -a r a ra
` F4(y) = Jf4(y~ dy = iz J BxdY ix J z Y (2) ;~-
- 0
Si Fl (y) = - F4(y) les ~orces sur chaque parallèle à Oy
seront égales et opposées. Il suffit pour cela que :
- 5 -
.
~ '
L342a
o ~a ~::
J Bxdy = J B~dy (3) --
~a ,
et
~ Bzdy = - ~ 9dy ~ (4)
-a ~ ~,
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 B~ : Dans une cuve en travers,
les conducteurs suivant les axes y et z étant habituellement
disposés symétriquement par rapport à x O z, le champ Bx `~
calculé sera antisymQtrique. -
Il en est de même des masses ferro-magnétiques par
rapport à x O z et le champ Bx d'aimantation sera antisymétrique.
I1 en résulte que le champ réel Bx mesuré sera, lui aussi, ~ `~
antisymétrique~par rapport à O x.~ `
. ~
;~ Cas du champ vertical Bz : Dans une cuve en travers, ~ ;
les conducteurs suivant les axes x et y étant habituellement ~ `
._
disposés symétr~iquement par rapport à x O z, le champ B
calculé sera antisymétr1que.
Il en est de même des masses ferro-magnétiques par
rapport à x O 9 et le champ Bz d'aimantation sera antisymétrique. -
Il en résulte que le champ réel Bz mesuré sera' lui aussi
an~1symétrique par rapport à O x.
Au total sur chaque y : ~-
l(Y) F4(y)
et
: :
--
O O :~
Fl(y) sur le premier quart = - ~ F4(y~ sur
-b -b
- 6 -
,,
--
3~28
le quatrième quart (6)
Examinons maintenant les forces longidutinales
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
F2(y) sur le deuxième quart = - ~ F3(y) sur
O
le troisième quart (7) :
Les équations 6 et 7 montrent que l'interface bain- ' :
métal sera symétrique par rapport à x 0 z dans chaque moitié
de cuve délimitée par le plan y 0 z. 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 :
.:
O
~ Fl(y) = ~ F2(y (8) ~
. ``
. 1
j d'où il découlera que :
' ~.
~b 0
~ F3(y) = L F4~y) (9)
:, ~ -b :~
' ~ .
Ecrivons les équations des Forces de Laplace pour
: Fl et F2
O O O
F (Y) = 1 fl(y)dy = jz ~ Bxdy ilx ~ z
a a - a
.- . :
Z~ ,
et
(Y) = ~J f 2 (y)dy = iz I BxdY i2x ~ Z Y (11)
a '-~a ~ a
car jz est constant sur deux axes disposés symétriquement par
rapport à Oy en raison de la disposition habituelle des barres
cathodiques.
Pour ix, les courants parcourant les barres cathodiques
sont égaux et de sens opposés pour tous points disposés symétri-
quement par rapport à Oy.
On aura donc : j2x = -jlx :~ -
et l'équation (11) devient dans ie deuxième quart de cuve : :
~.o ~.~o ~,o ~
2(Y) ) f2(Y)dY = iz ) Bxdy + jlx ) Bzdy (12) ;~;
+a , +a -~a
Cas du champ horizontal Bx : dans une cuve en travers,
les conducteurs parallales aux axes Oy et Oz étan-t disposés : :
symétriquement par rapport au plan y O z, 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'équa-
tion (8) soit vérifiée, il suffit donc que :
~0 ' ~ ~
~ ilX J Bzdy ~premier quart) = + jlx ) Bzdy (deuxième quart)-
+a +a
c'est-à-dire: -
O ' O
- ¦Bzdy (premier quart) = ~ iBzdy (deuxième quart). (14)
-+a -~a
1~13~L2~ :
~o
Autrement dit, si les valeurs de ~ Bzdy sur deux axes
disposés symétriquement par rapport à Oy sont antisymétriques, ~ :
l'équation (13) donc, l'équation (~3) seront vérifiées. Or, on :::
constate que dans une vue en trave~s, les valeurs des intégrales
O
~ Bzdy du champ réel sur deux axes parallèles à 0y et disposés
+a
symétriquement sont antisymétriques par rapport à la valeur de
f
l'intégrale J Bzdy sur l'axe Oy.
+a .
La condition (13) sera donc réalisée lorsque :
r
J Bzdy sur l'axe Oy, du champ mesuré, sera égale à 0
~a
On en conclut que si la condition (14) est réalisée,
on obtient sur deux axes parallèles à Oy et disposés symétrique-
ment par rapport à Oy et à une distance Xl, figure 3 :
1 4; Fl F2 ~ F2 = ~ F3 et F3 = F4
- c'est-à-dire :
F2 = Fl
F3 = - Fl (15)
_ 20 4
et pour l'ensemble des forces longitudinales par quart de cuve,
on aura de même :
~b 0 +b 0 0 0
.~ 2 ~Fl ~ ~F3 = ~ ~ 1 et ~F4 = 1 ~F
0 -b 0 -b -b -b
Cette égalité des forces longitudinales opposées deux
à deux a pour conséquence que : :
1. l'inter-Eace bain-métal aura une forme de dôme sym~trique par
rapport à x 0 z.
2. la flèche du dôme sera minimale et dans la pratique on
constate que lorsque la condition (14) est réalisée, l'inter-
face bain-métal est pratiquement plate et qu'i:L ne subsiste
g _
.. . . ... .. ..
34%i3
à la périphérie du système anodique qu'une légère déni-
vélation difficilement mesurabie 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 équatlons (4) et (13) ont pour consé-
quence, en appelant Bzl moyen dans le premier quart de cuve =
O O ~ '
Bzl moyen (premier qu~rt de cuve) = s ~ ~Bzdy
s étant la surface d'un quart de cuve
Bz moyen premier quart = + B
Bz moyen deuxième quart = - B
Bz moyen troisième quart = + Bzl (16)
Bz moyen quatrième quart = - Bz~
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 à deux comme de montre la figùre 4.
En plus, cette égalité correspond à une valeur `
minimum par quart de cuve du Bz moyen.
On a vu que les progrès ~echnologiques sur les
appareils de mesure ont permis de mettre en évidence l'action
différentielle due aux masses ferromagnétiques sur les champs
élémentaires des différents conducteurs, suivant leur position
par ra~port aux dites masses ferro-magnétiques.
On a donc pu déterminer expérimentalement cette
action que nous avons appelée "champ d'aimantation'l et qui
constitue une correction non négligeable au calcul. ~0
On a démontré précédemment que la condition~ Bædy = 0
du champ réel mesuré sur l'axe Oy aboutiseait à des
valeurs pour Bz moyen par quart de cuv`e égales en valeurs abso-
lues, mais de signe contraire pris deux ~ deux qu ' il en résultait~
~134Z8
- 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 énergéti-
ques en utilisant pleinement la finesse de réglage de l'ordina-
teur. ~0
Pour obtenir la condition J Bzdy = 0 et la condition
. +asimilaire B dy = 0 du champ réel Bz mesuré sur l'axe Oy, on
O
peut jouer sur la position des conducteurs de liaison entre
cuves et l'intensité qui les parcourt.
La figure 5 donné schématiquement la disposition de
l-'ensemble des conducteurs de liaison entre une cuve amont
(n - 1) et une cuve aval (n), figùrée avec deux montées de
tête et deux montées centrales aiimentant le croisillon (3)
de la cuve aval. Il est bien entendu que le nombre de montées
centrales ~ui 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 relativement limitée, il est possible de prévoir
une seule montée centrale située s~r l'axe Ox de la série.
Les barres cathodiqùes (5) (5') de la cuve amont
(n - 1) sont reliées à chacune de leur ex-trémité, à des collec-
teurs ~égatifs, (6) (6'), (7), (7') dont le nombre par quart
de cuve dépend en général de la dimension de la cuve. Par
mesure de simplification, il n'en a été indiqué qu'un par quart
de cuve sur la figure 5.
Par ~uart de cuve, l'intensité totale sortant du ou
des collecteurs négatifs est 8I .
Les collecteurs négatifs amont (7) (7') de la cuve
amont (n - 1) contournent les angles amont (8) (8') de la cuve
- 11 -
'~13~L2~
amont et se raccordent aux collecteurs latéraux (1) (1')
situés le long des petits côtés de la.cuve amont pour conduire
le courant au croisillon (3) de la cuve aval (n).
Les collecteurs négatifs aval (6) (6') de la cuve
amont alimentent le croisillon ~3~ de la cuve aval par des
montées centrales (2) (2').
On a constaté que suivant la d~Lmension de la cuve,
l'importance des masses ferro-magnétiques constituées principale-
ment par le caisson, les superstrùctures, les barres cathodiques, :
le bâtiment et la position des barres de liaison entre cuves,
l'intensité "i" alimentant chaque extrémité du croisillon
devait être comprise entre I/8 et 2 I/~3 ~our aes poids de
masses ferro-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 croisillon est respectivement de I/8, 1,5 x I/8 et
2 x I/8.
On a avantage à choisir, pour les conducteurs de
liaison, une position dans le plan horizontal, la plus proche
possible des têtes de caisson, mais compatible avec les contrain-
tes posées par l'exploitation et la sécurité électrique.
Dans le sens vertical, on place habituellement ces
conducteurs dans un plan assez voisin de celui du métal, afin
de :
- ne pas allonger les circuits pour un gain relative-
ment faible sur la composante Bz qui varie comme le cosinus de
l'angle a (figure 9).
- ne pas introduire inutilement des composantes
supplémentaires Bx et By qui apparaissent très rapidement
lorsqu'on s'éloigne du plan du métal, car elles varient co.~me
le sinus de l'angle ~.
- 12 -
LlL34Z~
Dans la pratique industrielle, on est conduit pour
des raisons économiques à prendre le tracé le plus court
possible pour les conducteurs de iiaison entre cuve, mais ce
choix ne restreint pas le domaine d'application du brevet.
~ a détermination de "i" est alors faite de la façon
suivante: . -
- à partir d'un tracé retenu pour les conducteurs de : ;
liaison, on détermine par le calcul la courbe des valeur~ de B
theorique sur l'axe Oy. Cette courbe est fonction de "i". ~:~
- on connait par l'expérimentation, les valeurs du
champ Bz d'aimantation sur l'axe Oy.
Cette courbe est aussi fonction de "i".
- en écrivant que Bz mesuré = Bz théoric~ue + Bz
aimantation, on détermine la courbe des Bz réels sur l'axe
Oy, fonction de "i". 0
- on calcule l'intégrale J Bzdy réel sur Oy pour
différentes valeurs de "i".
On trouve la valeur io qui correspond ~ la condition:
r
J Bzdy réel sur l'axe Oy = 0 ~.
. +a
la valeur io est comprise entre 8 et 2 8- '
EXEMPLE
Une cuve 175 000 A construite suivant les revendica-
tions du brevet francais ~ 2 324 761 a donné les résultats
~: suivants :
~ intensité moyenne : 175 500 Amp.
: rendement Faraday : 91,1 %
tension moyenne : 4,07 volts
ce qui correspond ~ une consommation-spécifique de
13 330 kWh/t.
Sur la même cuve, fonctionnant avec les mêmes
paramètres de marche, qualité de l'-alumine, acidité du bain,etc...
- 13 -
,, ,, , ....;- ~
-. . , . ~ .. :. . . ... . . ..
1~L3428
on a utilisé une disposition des conducteurs faisant l'objet
du présent brevet, avec deux montées centrales, l'alimentation i:
de chaque extrémité du croisillon étant égale à 1,3 8
On a obtenu alors les résultats suivants :
intensité moyenne : 177 000 Amp. :~
rendement Faraday : 92,8 %
tension moyenne : 4,02 volts
ce qui correspond à une consommation spécifique de
~2 940 kWh/t, constituant ainsi une des meilleures performances
obtenues jusqu'à ce jour, avec des cuves fonctionnant avec un
amparage aussi élevé. .
,::
- 14 -
::
