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Patent 1232869 Summary

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Claims and Abstract availability

Any discrepancies in the text and image of the Claims and Abstract are due to differing posting times. Text of the Claims and Abstract are posted:

  • At the time the application is open to public inspection;
  • At the time of issue of the patent (grant).
(12) Patent: (11) CA 1232869
(21) Application Number: 1232869
(54) English Title: CUVE D'ELECTROLYSE A INTENSITE SUPERIEURE A 250 000 AMPERES POUR LA PRODUCTION D'ALUMINIUM PAR LE PROCEDE HALL-HEROULT
(54) French Title: ELECTROLYSIS CELL WITH FEEDER CURRENT OVER 250 000 AMPS FOR THE PRODUCTION OF ALUMINUM ACCORDING TO THE HALL-HEROULT PROCESS
Status: Term Expired - Post Grant
Bibliographic Data
(51) International Patent Classification (IPC):
  • C25C 03/16 (2006.01)
(72) Inventors :
  • KEINBORG, MAURICE (France)
  • LANGON, BERNARD (France)
  • CHAFFY, JOSEPH (France)
(73) Owners :
  • ALUMINIUM PECHINEY
(71) Applicants :
  • ALUMINIUM PECHINEY (France)
(74) Agent: ROBIC, ROBIC & ASSOCIES/ASSOCIATES
(74) Associate agent:
(45) Issued: 1988-02-16
(22) Filed Date: 1984-10-03
Availability of licence: N/A
Dedicated to the Public: N/A
(25) Language of filing: French

Patent Cooperation Treaty (PCT): No

(30) Application Priority Data:
Application No. Country/Territory Date
83 16048 (France) 1983-10-04

Abstracts

French Abstract


PRECIS DE LA DIVULGATION:
Cuve d'électrolyse pour la production d'aluminium
par le procédé Hall-Héroult, fonctionnant au-delà de 250 000
Ampères, notamment de 270 000 à 320 000 Ampères. Dans cette
cuve le raccordement entre chaque montée et le croisillon
est effectué par des couducteurs électriques souples; la
montée centrale est située dans l'axe de série, les deux
montées intermédiaires et les deux montées latérales équi-
distantes, parcourues par des intensités sensiblement égales,
sont reliées à six collecteurs cathodiques amont, deux cen-
traux, deux intermédiaires et deux latéraux et trois collec-
teurs cathodiques aval, un central et deux latéraux. Des
liaisons équipotentielles assurent l'équilibrage du courant
entre les différentes sections des collecteurs amonts et
avals. Ces cuves ont un fonctionnement très stable et un
rendement énergétique élevé.

Claims

Note: Claims are shown in the official language in which they were submitted.


Les réalisations de l'invention, au sujet des-
quelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est
revendiqué, sont définies comme il suit:
1. Dispositif destiné à la production d'aluminium
par électrolyse d'alumine dissoute dans de la cryolithe fon-
due selon le procédé Hall-Héroult, sous une intensité com-
prise entre 270 000 ampères et 320 000 ampères, avec une
consommation énergétique inférieure à 12 600 kWh par tonne
d'aluminium produit, ce dispositif comportant une pluralité
de cuves rectangulaires, alignées, dont les petits côtés
sont appelés ?têtes?, disposées en travers par rapport à
leur axe d'alignement et connectées électriquement en série
en une seule file, ou en plusieurs files parallèles, chaque
cuve comportant un caisson en acier, garni en matériau iso-
lant, supportant une cathode formée par une pluralité de
blocs carbonés juxtaposés dans lesquels sont scellées des
barres cathodiques métalliques reliées à une pluralité de
collecteurs cathodiques amont et aval, une pluralité d'anodes
en pâte carbonée précuites dans lesquelles sont scellées les
tiges d'anodes métalliques, un croisillon mobile en montée
et en descente sur lequel sont fixées les tiges d'anodes, et
des moyens de connexion électriques entre les collecteurs
cathodiques amont et aval d'une cuve, d'une part et le croi-
sillon de la cuve suivante dans la série, d'autre part,
dispositif dans lequel le croisillon de chaque cuve est
connecté à la cuve précédente en cinq points, par cinq
équidistantes, disposées sur son côté amont, caractérisé en
ce que:
- le raccordement entre chaque montée et le croi-
sillon est effectué par des conducteurs électriques souples,
- la montée centrale située dans l'axe de série,
les deux séries intermédiaires et les deux montées latérales,
parcourues par des intensités sensiblement égales, sont
reliées à six collecteurs cathodiques amont, deux centraux,
13

deux intermédiaires et deux latéraux et trois collecteurs
cathodiques aval, un central et deux latéraux,
- les collecteurs cathodiques avals sont reliés
entre eux par des liaisons équipotentielles constituées de
conducteurs souples,
- les collecteurs cathodiques amont centraux sont
également reliés entre eux par une liaison équipotentielle
constituée par des conducteurs souples.
2. Dispositif selon la revendication 1, caracté-
risé en ce que:
- la montée centrale de chaque cuve est reliée au
collecteur cathodique central aval de la cuve précédente,
- chaque montée intermédiaire est dédoublée, une
partie étant connectée au collecteur cathodique aval latéral
de la cuve précédente, l'autre partie étant connectée aux
collecteurs cathodiques amonts,
- chaque montée latérale est connectée aux collec-
teurs cathodiques amonts par les conducteurs latéraux.
3. Dispositif selon la revendication 1, caracté-
risé en ce que:
- la liaison électrique entre les collecteurs
cathodiques amonts et les montées intermédiaires et latérales,
est réalisée par cinq conducteurs de liaison disposés comme
suit:
. deux conducteurs de liaison contournant les
têtes de la cuve et transportant chacun 35 % du courant
amont,
. deux conducteurs de liaison passant symétrique-
ment sous la cuve sensiblement à l'aplomb du bloc cathodique
situé le plus près de la tête de la cuve, le conducteur situé
le plus près de la file voisine la plus proche transportant
15 % du courant amont tandis que l'autre ne transportant que
10 % du courant amont,
14

. un conducteur de liaison intermédiaire
passant sous la cuve et disposé sensiblement à mi-distance
entre l'axe de la série et la tête de la cuve, du côté
opposé à la file voisine la plus proche, ce conducteur
transportant 5 % du courant amont,
. les deux conducteurs de liaison situés du
côté de la file voisine la plus proche ont une équipoten-
tielle au bas de la montée latérale de la cuve suivante, le
courant étant ensuite redistribué entre la montée latérale
et la montée intermédiaire adjacente de façon à respecter
sensiblement l'égalité des intensités entre montées,
. les trois conducteurs de liaison situés du
côté opposé à la file voisine la plus proche ont deux équi-
potentielles situées au bas de la montée latérale de la cuve
suivante et entre cette montée et la montée intermédiaire
adjacente, le courant étant ensuite redistribué entre les
deux montées de façon à respecter l'égalité des intensités
entre montées.
4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3,
caractérisé en ce que chaque montée alimente le croisillon
mobile en un point autour duquel sont disposées, de façon
symétrique, par rapport au plan vertical passant par la
montée, huit anodes.
5. Dispositif selon la revendication 2, caracté-
risé en ce que:
- la liaison électrique entre les collecteurs
cathodiques amonts et les montées intermédiaires et laté-
rales, est réalisée par cinq conducteurs de liaison disposés
comme suit:
. deux conducteurs de liaison contournant les
têtes de la cuve et transportant chacun 35 % du courant
amont,
. deux conducteurs de liaison passant symétrique-

ment sous la cuve sensiblement à l'aplomb du bloc cathodique
situé le plus près de la tête de la cuve, le conducteur
situé le plus près de la file voisine la plus proche trans-
portant 15 % du courant amont tandis que l'autre ne trans-
portant que 10 % du courant amont,
. un conducteur de liaison intermédiaire passant
sous la cuve et disposé sensiblement à mi-distance entre
l'axe de la série et la tête de la cuve, du côté opposé à la
file voisine la plus proche, ce conducteur transportant 5 %
du courant amont,
. les deux conducteurs de liaison situés du côté
de la file voisine la plus proche ont une équipotentielle au
bas de la montée latérale de la cuve suivante, le courant
étant ensuite redistribué entre la montée latérale et la
montée intermédiaire adjacente de façon à respecter sensi-
blement l'égalité des intensités entre montées,
. les trois conducteurs de liaison situés du
côte opposé à la file voisine la plus proche ont deux équi-
potentielles situées au bas de la montée latérale de la cuve
suivante et entre cette montée et la montée intermédiaire
adjacente, le courant étant ensuite redistribué entre les
deux montées de façon à respecter l'égalité des intensités
entre montées.
6. Dispositif selon la revendication 5, caracté-
risé en ce que chaque montée alimente le croisillon mobile
en un point autour duquel sont disposées, de façon symétri-
que, par rapport au plan vertical passant par la montée,
huit anodes.
16

Description

Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.


3;~
CUVE D'ELECTROLYSE A INTENSITE SUPERIEURE A 250 000 AMPERES
POUR LA PRODUCTION D'ALUMINIUM PAR LE PROCEDE HALL-HEROULT
LA présente invention a pour abjet un dispositif pour la production d'alu-
minium par électrolyse ignée dans des cuves à très haute intensit~, supé-
rieure à 250 000 ampères, en particulier de 270 000 à 320 000 ampères , et
avec des consommations énergétiques très faibles, sensiblement inférieu-
res à 13 000 KWh/T d'aluminium.
Une cuve d'électrolyse ignée comprend un creuset rectangulaire dont le
~ond, constituant la cathode, est for~ par des blocs de carbone scellés
sur des barres métalliques parallèles au petit côté de la cuve. La catho-
de est reliée électriquement à un ou plusieurs conducteurs n~gatifs, dits
"collecteurs". Sur le creuset est fixée une superstructure comprenant les
croisillons horizontaux parallèles au grand côté de la cuve auxquels sont
suspendues des anodes en carbone. Le creuset contient un bain d'électro-
lyse constitué essentiellement par de l'alumine dissoute dans de la cryo-
lithe. Les anodes sont alimentées en courant électrique par un ou plusieurs
conducteurs d'alimentation positifs, dits "montées". Sous l'effet du pas-
sage du courant, l'alumine se décompose en aluminium qui se dépose sur la
cathode et en oxygène qui se combine au carbone des anodes. Une partie du
bain se solidifie au contact des parois latérales du creuset, formant
ainsi un talus électr-quement et thermiquement isolan . Dans le cas o~ les
cuves sont disposées en travers, c'est-à-dire leur grand côté perpendicu-
laire ~ la direction générale du courant dans la file des cuves, les ex-
trémités des barres sont dites amont ou aval suivant qu'elles sortent du
coté amont ou aval de la cuve par rapport au sens du courant pris comme
référence
Les cuves sont branchées en série, les collecteurs cathodiques d'une cuve
amont étant reliés aux montées anodiques de la cuve aval suivante.
Les séries de cuves sont formées d'un nombre pair de files distinctes,
l'une éloignant le courant de la sous-station, l'autre le ramenant vers la
sous-station. La file la plus proche de la cuve considérée est appelée
file voisine. Elle a un r81e important pour la cuve considérée car le
champ magnétique qu'elle crée intéragit avec les champs magnétiques pro-
pres de la cuve.

- 2 - ~3~9
~XPOSE DU PROBLEME
Les cuves d'électrolyse construites aujourd'hui fonctionnent génëralement
à des intensités entre 150 OOO et ~40 000 ampères. L'homme de l'art sait
que l'augmentation de l'intensité nominale conduit à la fois à un gain
potentiel sur l'investissement et sur les coûts de fabrication. Ceci est
d~ b l'augmentation de production journalière de la cuve, qui est pratique-
ment proportionnelle à l'intensité nominale, et qui réduit, pour une pro-
duction totale constante, le nombre de séries d'électrolyse à installer,
les consommations énergétiques de l'outil de travail et en améliore la
productivité.
La première limite à l'augmentation de taille des cuves d'électrolyse est
donnée par la difficulté technique à augmenter l'intensité qui traverse une
cuve, sans en affecter les rendements.
Le passage du ccurant électrique dans les conducteurs d'alimentation et
~9 dans les parties conductrices de la cuve produit des champs magnétiques
qui provoquent des mouvements dans le métal liquide et une dé~ormation de
l'interface métal-bain d'électrolyse. Ces mouvements du métal qui agitent
le bain électrolytique placé sous les anodes peuvent, lorsqu'ils sont trop
importants, court-circuiter cette lame de bain par un contact du métal
liquide avec les anodes.
Le rendement de l'électrolyse se dégrade fortement et les consommations
énergétiques augmentent. Cas problèmes sont amplifiés avec l'augmentation
de l'ampèrage des cuves, car les champs magnétiques sont alors beaucoup
plus intenses, et la sensibilité de l'interface bain-métal aux effets ma-
gnétiques, plus importants.
Une des perturbations les plus difficiles à maitriser est l'autoinstabi-
lité de la nappe de métal liquide. Il s'agit d'un phénomène auto-entretenu
se traduisant par une position variable dans le temps de l'interface entre
le bain et l'aluminium liquide. La distance entre le bas des anodes et la
surface supérieure de la nappe d'aluminium liquide est variable et la ré-
sistance électrique du bain varie avec le temps, sous chaque anode.

Les ensembles formés par chaque anode et le volume de bain qui leur est
associé étant montés électriquement en parallèle entre les équipotentiel-
les constatuées, d'une part, par le croisillon et, d'autre part, par le
métal liquide 9 les intensités traversant chaque anode varient aussi dans
le temps.
Cela induit des variations d'intensité dans chacun des conducteurs ame-
nant le courant de la cuve précédente, la répartition des surplus ou des
manques de courant constatés sur l'anode concernée se faisant selon les
lois de répartition électriques connues de l'homme de l'art. Ces varia-
tions d'intensité induites, d'une part modifient les cartes de champsmagnetiques de la cuve concernée, et d'autre part imposent des courants
horizontaux forcés de rattrapage dans le métal de la cuve précédente qui
se trouve déséquilibrée. La présence ou l'absence d'équipotentielle, leur
nombre et leur localisation permettent de modifier ces perturbations
électriques. I1 devient alors possible de les placer de telle sorte que
la cuve amont soit électriquement quasiinsensible aux perturbations de
la cuve concernée, et que les variations des champs magnétiques induites
par la répercussion des modifications de répartition anodiques sur les
répartitions entre les montées aient un r81e favorable dans l'amortisse-
ment de la perturbation.
Le passage du courant ~lectrique dans les conduc~eurs d'alimentatian etdans le bain d'électrolyse produit un champ magnétique dans la couche de
bain liquide et la couche d'aluminium liquide. La présence dans bain et
metal de courant électrique, caractérisé en tout point par un vecteur
densité de cou~ant J, se traduit par l'existence dans le bain et le metal
de forces de volumes électromagnétiques. Ces forces de volumes, appelées
forces de Laplace, sont exprimées vectoriellement par la formule :
= J->~ 8 ~
~ étant le vecteur du champ magnétique au point de calcul.
Une variation de la position de la surface bain métal modifie les valeurs
de J >dans la lame et dans la ~one du métal liquide sous-jacente.
. ,

_ 4 - ~32~ 3
Les forces de Laplace varient donc et peuvent amortir ou amplifier ces dé-
formations de l'interface. S'il y a amplification, une instabilité apparait,
entretenue par des rotations, généralisées ou localisées, du métal li-
quide. Suivant le cas, la période des instabilités peut être longue (}O
b 60 secondes) ou courte ~inférieure à S secondes).
La période de l'instabilité est longue ldrsque le mouvement du métal in-
téresse toute la surface cathodique ou, parfuis, s'organise en deux rota-
ti~ns symétriques affectant chacune des deux demi-cuves situées de part
et d'autre de l'axe transuersal de la cuve.
Ceci se produit, en particulier, si les composantes verticales des champs
magnétiques restent de même signe sur chaque demi-cuve. Ces mouvements
peu~ent être minimisés en annulant la valeur intégrée du champ magnétique
vertical sur toute la demi-cuve considérée. Pour des instabilités de type
'!rapide", les mouvements de métal sont localisés sous certaines anodes.
Ils sont généralement déclenchés par une irrégularité de répartition de
courant dans l'ensemble anodique à la suite d'interventions sur les cuves:
changement d'une anode usée par une anode neuve, anode positionnée trop près
du métal liquide, coulée des cuves, polarisation partielle du système
anodique par manque d'alurnine dans le bain.
On peut dire qu'en premiare approximation, les lignes de courant dcns le
bain sont verticales. En effet, du fait des très grandes différences de
r~sistivité du bain et du métal, si elles doivent aboutir en des points
de la cathode non situés à la verticale de leur départ de l'anode, les
lignes de courant s'inflechissent dans l'aluminium liquide.
Dans le cas d'une anode conduisant plus de courant que la moyenne des ano-
des, le courant aura alors tendance à s'épanouir dans le métal liquide.
Les lignes de courant sont ici centri~uges. Dans le cas d'une anode con-
duisant moins de courant que la moyenne des anodes, les lignes de cou-
rant seront centr~pètes. ~ans ces deux cas, la densite de courant varie-
ra dans l'épaisseur de la nappe de métal.
L'effet dynamique des forces de Laplace peut être exprimé dans le m~tal
par l'existence d'un rotationnel non nul dans la zone considérée.

_ 5 _ ~.~3~6¢3
Symboliquement, celui-ci peut être écrit :
Rot ~ = ( ~ ~ (J
où~ est le vecteur de composantes :
La composante verticale Rz de ce vecteur rotationnel correspond à l'effet
moteur de r~ation de la nappe de métal dans le plan horizontal. On peut
la développer en :
Rz = ex dd~Z + By dJZ + Bz ddzZ - Jx ddBZ _ Jy ddBz _ Jz ddBz
Dans l'axe des courants centrifuges ou centripèdes, on a :
dx dy
Lorsque les valeurs de Bz sont faibles sur tout le ~olume du métal liqui-
de, on a :
dBz dBz Faibles
Donc Rz peut être arrondi ~ :
Bz dz ~ JZ dz
qui varie lorsque Jz évolue dans le temps comme (BHz _ ddBz) ~ Jz
d~Bz étant généralement faible devant H lorsque Bz est non nul, le terme
HZ ~ JZ est représentatif de la sensibilité de la surface du métal aux
var.iations d'intensités anodiques, H étant la hauteur de la couche d'alu-
minium Fondu et ~ Jz la variation de Jz inductrice des mouvements demétal.
...

- 6 - ~ ~3~8~
L'homme de l'art cherche alors b ayir sur ces 3 éléments pour stabiliser
la marche des cuves d'électrolyse.
- il augmente la hauteur de métal, mais ceci conduit à immobiliser une
quantité d'aluminium plus importante dans chaque cuve. Cela rend d'autre
part assez diFficile la remontée dans le bain d'électrolyse d'alumine non
dissoute qui se serait déposée sur la cathode et augmente ainsi le risque
"d'emplâtrage".
- il place ses conducteurs d'amenée du courant dans des positions telles
que le champ vertical en tout point du creuset soit faible.
- il réduit les variations d'intensités dans les anodes en affinant les--
méthodes d'exploitation, en surveillant automatiquement ou rrlanuellement
les intensités anode par anode, en réglant la position des ar~odes à inten-
sité trop faible ou trop forte par rapport aux valeurs nominales.
Pour l~s cuves d'intensité supérieure ~ 250 000 Ampères, cela conduit àmultiplie~ le nombre de montées, et à motoriser les anodes individuelle;
ment ou par groupe de deux. Faute de cela, les rend~3ments
se dégradent, et les gains escomptés par augmentation
de taille son~ effacés par les mauvais prix de revient
de l'aluminium produit.
Mais, le coût d'une cuve est fortement augmenté car la motorisation indi-
viduelle d'anodes représente un investissement très lourd par rapport à
celui des superstructures à motorisation globale, solution technique ha-
bituellement retenue jusqu'à 200 à 250 000 Arnpères.
La courbe des investissements en fonction de l'intensité cle marche pré-
sente alors une rupture à ce niveau, rendant économiquernent peu intéres-
sant le passage de 200 000 à ~ûO oon Ampères.
La conception des cuves sans motorisation individuelle au-delà de 250 000
à 27û 000 Ampères implique le choix de positions originales des conducteurs
garantissant des champs magnétiques verticaux partout inFérieurs a 1,5.
10 3 Teslas (15 Gauss), rnalgré les effets aclclitionnels apportés par les

_ 7 _ ~3~
autres files de cuves et les autres séries~ Elles passent en outre par
un amortissement maximal des variations cycliques d'intensités pouvant
apparaître dans une anode et doit éviter la propagation de cette per-
turbation au reste de la cuve ou à la cuve amont.
EXPOSE DE L'ART ANTERIEUR
On a décrit, antérieurement, des cuves d'électrolyse capables de fonction-
ner sous des intensités élevees et dans lesquelles les perturbations ma-
gnétiques étaient aussi réduites que possible.
Dans le brevet US 3 415 724 (ALCOA), l'équilibrage magnétique est obtenu
10 en disp~sant les conducteurs de liaison à l'extérieur du plan vertical
passant par les petits côtés de la cuve et en dérivant une partie du cou-
rant (moins de la moitié) dans deux barres passant sous la partie centra-
le du caisson.
Dans les brevets fran~ais 2 324 761 et 2 427 760 d'ALUMINIUM PECHINEY,
15 (auxquels correspondent respect`ivement les brevets US. nD 4 049 528 et
4 200 760), on a décrit des cuves d'électrolyse fonctionnant sous 175 000
à 18n 000 Ampères avec des performances exceptionnelles en stabilité et
rendement énergétique. Les composantes verticales~ du champ magnétique ont
une ~ leur nulle ~our chaque demi-cu~/e, car elles sont égales et de signe
opposé sur le quart amont et le quart aval. Mais, si ce~ dispositifs c~n-
viennent bien pour des intensités inférieures à 200 000 Ampères~ leur ex-
20 tension sans autre précaution à des cuves d'intensité supérieure à 200 000
Ampères peut faire de nouveau apparaitre les phénombnes évoqués d'insta-
bilité de la surface du métal liquide et obliger à augmenter la distance
anode-métal en perdant en densité anodique, c'est-à-dire en production
et en énergie consommée, ce qui efface les gains escomptés.
25 Dans le brevet FR-A-2 469 475 (PECHINEY), on a proposé d'extraire le cou-
rant cathodique par des sorties verticales traversant le fond du caisson
une partie au moins des conducteurs de liaison étant disposés sous le
fond du caisson.
Dans le brevet FR-A-2 416 276, une partie du courant est conduit à la cuve
30 suivante dans la série par des conducteurs disposés à l'extérieur du plan

- B - ~ ~3~
vertical passallt par les petits côtés de la cuve. Deux
conducteurs de liaison passent sous la cuve et forment,
avec l'axe de la cuve, un anyle qui n'est pas précisé mais
parait de l'ordre de 20 (fig. 2 du brevet).
En ce qui concerne la motorisa-tion individuelle
des anodes, ou groupes d'anodes, on peut citer le brevet
US ~ 210 513 (~LCO~) qui prevoit un arbre de commande pour
chaque ligne d'anodes e-t une pluralite d'embrayages tele-
commandes, qui déclenchent, a volonte, la montee ou la
descente de chaque anode ou groupe d'anodes.
Dans le brevet canadien 1,178,921 délivré la 4 décembre 1984 au
nom de ALUMINIUM PECHINEY, il es~ décrit un systere de réglage précis du
p ~ anodi~ue par motorisation individuelle de chaque groupe de 2
anodes, dans une cuve comportant, au total, 40 anodes en deux
lignes indépendantes de 20 anodes. Comme on l'a expliqué
plus haut, cette solution qui est -techniquement -tres satis-
faisante, implique un investissement supplementaire rela-ti-
vement lourd, mais procure un equilibre permanent et précis
du courant traversant chaque groupe d'anodes.
EXPOSE DE L ' INVENTION
Selon la presente invention, il est prévu un
dispositif destiné à la production d'aluminium par électro-
lyse d'alumine dissoute dans de la cryolithe fondue selon le
procédé Hall-Héroult, sous une intensité comprise entre
270 000 amperes et 320 000 amperes, avec une consommation
énergétique inférieure a 12 600 kWh par tonne d'aluminium
produit, ce disposi-tif comportant une pluralité de cuves
rectangulaires, alignées, dont les petits côtes sont appelés
têtes, disposées en travers par rapport a leur a~e d'ali-
gnemen-t et connectées électriquement en serie en une seule
file, ou en plusieurs files paralleles, chaque cuve compor-
tant un caisson en acier, garni en materiau isolant, suppor-
-tan-t une ca-thode formee par une plurali-té de blocs carbonés

- 8a - ~ ~32~69
juxtaposes dans lesquels sont scellees des barres cathodi-
ques metalliques reliees à une pluralike de collecteurs
cathodiques amont et aval, une pluralite d'anodes en pâte
carbonee précuites dans lesquelles sont scellées les tiges
d'anodes métalliques, un croisillon mobile en montée et en
descente sur lequel sont fixées les tiges d'anodes, et des
moyens de connexion électriques entre les collecteurs
cathodiques amont et aval d'une cuve, d'une part et le
croisillon de la cuve suivante dans la série, d'autre part,
dispositif dans lequel le croisillon de chaque cuve est
connecté à la cuve précédente en cinq points, par cinq
montees equidistantes, disposees sur son cote amont, carac-
térisé en ce que:
- le raccordement entre chaque montee et le croi-
sillon est effectué par des conducteurs électriques souples,
- la montée centrale située dans l'axe de série,
les deux séries intermediaires et les deux montees laterales,
parcourues par des intensités sensiblement égales, sont
reliees a six collecteurs cathodiques amont, deux centraux,
deux intermediaires et deux lateraux et trois collecteurs
cathodiques aval, un central et deux lateraux,
- les collecteurs cathodiques avals sont relies
entre eux par des liaisons équipotentielles constituées de
conducteurs souples,
- les collecteurs cathodiques amont centraux sont
également reliés entre eux par une liaison équipotentielle
constituee par des conducteurs souples.
Des modes de realisation preférentiels vont être
maintenant décrits à titre d'exemples non limitatifs, en se
3Q référant aux dessins attachés, dans lesquels:
Les figures l et 2 illustrent la mise en oeuvre
de l'invention. La figure 2 est identique à la figure 1,
mais par souci de clarté on y a fait figurer uniquement les
valeurs des intensités en KA parcourant chaque conducteur,
dans une série fonctionnant sous 280 Ampères.

~L232~ 3
- 8b
Dans la description ~ui suit, les conducteurs
seront designes par un repere numerique simple (3 a 16)
lorsqu'il s'agira de l'ensemble des con-
/

_ 9 _ ~ ~3~6~-~
ducteurs de même nature, et par le même repère numérique suivi d'une let-
tre lorsqu'il s'agira des diverses branches de chaque conducteur de meme
nature.
La structure générale des cuves d'électrolyse pour la production d'alu-
minium étant parfaitement connue de l'homme de l'art, les figures 1 et
2 ne comportent que les éléments indispensables a la compréhension de
l'invention, c'est-à-dire les conducteurs électriques proprement dits,
en vue de dessus.
Chaque cuve comporte un caisson en acier (1), garni en matériau isolant,
supportant une cathode formée par une pluralité de blocs carbonés juxta-
posés dans lesquels sont scellés des barres cathodiques métalliques (2)
reliées à une pluralité de collecteurs cathodiques amonts (3) et avals
(4), une pluralité d'anodes en p~te carbonée précuites dans lesquelles
sont scellées les tiges d'anodes métalliques, un croisillon (5) mobile
en montée et en descente sur lequel sont fixées les tiges d'anodes, et
des moyens de connexion électriques t7, 8) entre les collecteurs cathodi-
ques amont (3) et aval (4) d'urie cuve, d'une part, et le croisillon (5)
de la cuve suivante dans la série, d'autre part. Selon l'invention, le
croisillon (5) de chaque cuve est connecté ~ la cuve précédente en cinq
points (6A, 6B, 6C, 6D, 6E) par cinq montées équ~idistantes (7A, 7B, 7C,
7D, /E) disposées sur son côt~ amont ~), le raccordement entre montée (7)
et croisillon (5) ~tant fait par un conducteur électrique souple (8A7 ~,
8C, ~D, 8E) : une montée centrale (7C), située dans l'axe de la série,
deux montées intermédiaires (7B, 7D) et deux montées latérales (7A, 7E)
et parcourues par des intensités sensiblement égales et reliées à six
collecteurs cathodiques amont : deux centraux (3A, 3B), deux intermédi-
aires (3C, 3D) et deux latéraux (3F, 3E) et à trois collecteurs catho-
diques aval, un central (4A) et deux latéraux (4B, 4C).
- la montée centrale (7C) de chaque cuve est reliée au collecteur catho-
dique central aval (4A) de la cuve précédente.
- chaque montée intermédiaire (7B, 7D) est dédoublée. Une partie est

- lo - ~3Z8~i~
connectée au collecteur cathodique aval latéral de la cuve précédente
t4C, 4C). L'autre partie est connectée aux collecteurs cathodiques amont
(3A, 3B).
- chaque montée latérale (7A, 7E) est connectée aux collecteurs catho-
diques amonts (3C, 3E, et 3D, ~F) par les conducteurs latéraux (16A et
16B).
- la liaison électrique entre les collecteurs cathodiques amonts (3) et
les montées inter~nédiaires et latérales (7A, 7B, 7D, 7E) se Fait par cinq
conducteurs de liaison disposés comme suit :
.
.deux conducteurs de liaison (16A, 16B) contournant les têtes de la
cuve et transportant chacun 35 ~0 du courant amont t
.deux conducteurs de liaison (9A, 9B) passant symétriquement sous la
cuve sensiblement 3 l'aplomb du bloc cathodique situé le plus près de
la tête de la cuve. Le conducteur (9B) situé le plus près de la file
voisine la plus proche transporte 15 O du courant amont tandis que
l'autre (9A) ne transporte que 10 O du courant amont.
.un conducteur de liaison intermbdiaire (9C) passant sous la cuve et
disposé sensiblement à mi-distance entre l'axe de la série et la tête
de la cuve, du côté opposé à ]a file voisine la plus proche. Le cnn-
ducteur transporte 5 O du courant amont.
.les deux conducteurs de liaison (9B, 16B) situés du c8té de la filevoisine la plus proche ont une équipotentielle (10) au bas de la rnon-
tée latérale de la cuve suivante. Le courant est ensuite redistribué
entre la montée latérale (7E) et la montée intermédiaire adjacente (7D)
de facon ~ respecter sensiblement l'égalité des intensités entre mon-
tées.
.les trois conducteurs de liaison (16A, 9A, 9C) situés du c8t~ opposé
à la file voisine la ~us proche ont deux équipotentielles (llA, llB)
situées au bas de la montée latérale de la cw e suivante et entre cette
montée (7A) et la montée intermédiaire adjacente (7B). Le courant est
ensuite redistribue entre les 2 montées de façon à respecter l'égalité
des intensités entre rnontées.

L232~ '3
.les collecteurs cathodiques avals (4A, 4B, 4C) sont reliés les uns aux
autres par des équipotentielles (12A, 12B), constituées de conducteurs
électriques souples formées de "clinquants" c'est-à-dire d'un empi-
lage de plaques minces en aluminium, soudées aux deux extrémités.
.les collecteurs cathodiques amont centraux (3A, 3B) sont connect~s
entre eux par une équipotentielle (13) de meme type.
.chaque mantée alimente le croisillon mobile en un point autour duquel
sont disposées 7 da façon symétrique, 8 anodes.
Enfin, pour éviter les infiltrations d'électrolyte dans l'espace sous-
cathodique, chaque cuve peut etre munie, entre les blocs cathodiques et
le garnissage réfractaire et isolant du caisson, d'une couche de protec-
tion aux imprégnations de produits fluorés et sodiques, constitué d'un
matériau choisi parmi un au moins des produits suivants : les produits
silico-alumineux, le grès, la lave de Volvic (lave volcanique chimique-
ment très résistante), le carbure de silicium, l'alumine électrofondue,
l'acier, la silice.
~es principes de constructions ont été mis en oeuvre dans une série ex-
périmentale fonctionnant à une intensité de 28û 000 Ampères sous 3,95 à
4 Volts.
Outre la stabilité remarquable de la cuve, qui se manifeste par l'absence
de tout mouvement oscillatoire de la nappe d'aluminium liquide, on a noté
des valeurs particuli~rement réduites de la composante verticale Bz du
champ magnétique. Les valeurs maximales sont localisées sur les têtes des
cuves et restent inférieures b 1,5.10 3 Tesla (15 Gauss); sur 80 O de la
surface cathodique, le champ est inférieur à 5.10 4 Teslas (S Ga`uss).
La ccnsommatian ~nergétique, sur une période de 3 mois, a été de
12.530 Kwh/T.
AVANTAGES PROCURES PAR L'INVENTION
Par rapport à l'art antérieur et tout particulibrement par rapport au
30 sch~ma de conducteurs faisant l'objet de notre brevet FR A-250 5368, les
' a~/antagas procures par la pr saents ~ven ti-n ~ont l ~s sui\' sn ~s

- 12 - ~ ~3~69
1. La motorisation individuelle des anodes (par groupe de 2) a été sup-
primée -d'où diminution sensible du coût- sans pour autant retrouver les
inconvénients provoqués par les déséquilibres de courant entre anodes
voisines.
2. On a sensiblement réduit la composante verticale B~ du champ magné-
tique, qui est inférieure ~ 1,5.1û 3 T (15 Gauss) en tous points de la
cuve.
3. La mise en place de liaisons équipotentielles (12A, .12B, et 13) entre
les collecteurs cathodiques, permet en outre :
a- d'assurer les équilibrages de courant entre les différentes sec-
tions des collecteurs et d'étaler sur l'ensemble du circuit -donc de
rendre à peu près insensible- les fluctuations de courant dans une
anode.
b- d'éviter, de ce fait, la r~percussion sur la cuve amont, d'une
perturbation apparue dans une cuve donnée.
c- de réduire le nombre de cales de court-circuit que l'on doit met
tre en place pour shunter une cuve endommagée que l'on se propose
d'arrêter pour réparation ou échange.
Grace à la conjonction de ces avantages, on peut maintenant construire
2~ et exploiter des cuves d'électrolyse sensiblement moins onéreuses que
celles de l'art antérieur, à puissance égale, dans la gamme de 270 ûOO
à 320 ono ampères, avec des résultats techniques (durée de vie, conscmma-
tions énergétiques) comparables et une stabilité tras élevée.

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Document
Description 
Date
(yyyy-mm-dd) 
Number of pages   Size of Image (KB) 
Claims 1993-10-28 4 158
Drawings 1993-10-28 2 75
Abstract 1993-10-28 1 23
Descriptions 1993-10-28 14 526