Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
~2n7~si
L
1. OBJET DE L'INVENTION
L'inven-tion concerne un dispositif et une méthode de
connexion électrique entre les cuves successives d'une série
pour la produc-tion d'aluminium par électrolyse d'alumine
dissoute dans de la cryolithe fondue, seLon le procede Hall-
Héroult et comportant un circuit indépendant pour la
correction des effets indésirables clus aux champs
magnétiques. Elle s'applique à des séries de cuves
disposées en travers par rapport à l'axe de la série,
fonctionnant sous une intensité supérieure à 150 000
ampères, pouvant atteindre 500 à 600 KA, sans que cette
valeur constitue une limite du champ d'application de
l'invention.
2. DOMAINE TEC~INIQUE DE L'INVENTION
Pour une bonne compréhension de l'invention, on rappelle
tout d'abord que la production industrielle de l'alum:inium
s'opère par électrolyse ignée dans des cuves branchées
électriquement en série, d'une solution d'alumine dans de la
cryolithe fondue portée à une température de l'ordre de 950
à 1 000C par l'effet Joule du courant traversant la cuve.
Chaque cuve est constituée par un caisson métallique
parallélépipédique, calorifugé, supportant une cathode
constituée par des blocs de carbone dans lesquels sont
scellées des barres d'acier, dites barres cathodiques, qui
servent à évacuer le courant des cathodes vers les anodes de
la cuve suivante. Le système anodique, également en
carbone, est fixé sur une barre anodique dite "croisillon"
ou "cadre anodique" réglable en hauteur, reliée
électriquement aux barres cathodiques de la cuve précédente.
;~ ,...
:,
Entre le système anodique et la cathode se trouve le bain
d'électrolyse, c'est-à-dire la solution d'alumine dans de la
cryolithe fondue à 930-960C. L'alumine produit se dépose
sur la cathode, une couche d'aluminium liquide est maintenue
en permanence au fond du creuset cathodique.
Le creuset étant rectangulaire,le cadre anodique supportant
les anodes est, en général, parallèle à ses grands côtés,
alors que les barres cathodiques sont parallèles à ses
petits côtés, dits têtes de cuve.
Les cuves sont rangées selon des files et disposées en long
ou, le plus souvent à l'heure actuelle, en travers, suivant
que leur granrtcoté ou leur petit côt~ est parallèle à :L'axe
de la file. Les cuves sont branchées électriquement: en
série, les extrémités de la série étant reliées aux sorties
positives et n~gatives d'une sous-station électrique de
redressement et de régulation. Chaque série de cuves
comprend un certain nombre de files branchées en série, le
nombre de files étant, de préférence, pair afin de minimiser
les longueurs des conducteurs.
Le courant électrique, qui parcourt les différents éléments
conducteurs: anode, électrolyte, métal liquide, cathodes,
conducteurs de liaison, crée des champs magnétiques
importants. Ces champs induisent, dans le bain
d'électrolyse et dans le métal liquide contenu dans le
creuset des forces dites de Laplace qui, par la déformation
de la surface supérieure du métal fondu et les mouvements
qu'elles engendrent, sont nuisibles à la bonne marche de la
cuve. Le dessin de la cuve et de ses conducteurs de liaison
est étudié pour que les effets des champs magnétiques créés
par les différentes parties de la cuve et les conducteurs de
liaison se compensent.
~'~
De nombreux brevets ont été déposes concernant la
disposition des conducteurs de liaison d'une cuve à la
suivante. On peut citer, en particulier, le brevet ~rançais
publié le 16 septembre 1965 sous le numero 2.505.368 ayant
comme inventeurs HOMSI et al. e-t qui décrit des conducteurs
de liaison pour des cuves fonctionnant sous 2~0 kA.
EXPOSE DU PROBLEME
Des dispositions sont choisies par l'homme de l'art pour
annuler plus ou moins parfaitement la composante verticale
des champs magnétiques dans le métal liquide, et pour
symetriser et reduire au maximum les circulations du metal
liquide et du bain liquide dans le creuse-t.
L'annulation plus ou moins parfaite de la composante
verticale du champ magnétique est nécessaire pour les
raisons suivantes:
Le passage du courant électrique dans les conducteurs
d'alimentation et dans les parties conductrices de la cuve
produit des champs magnétiques qui provoquent des mouvements
dans le bain et le métal liquides et une déformation de
l'interface métal-bain d'électrolyse. Ces mouvements de
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 l'anode. Le rendement de l'électrolyse se dégrade
fortement et les consommations énergiques augmentent.
L'homme de l'art sait que la forme de l'interface métal-bain
et les mouvements du métal liquide sont étroitement
dépendants des valeurs de la composante verticale du champ
, . .
magné-tique et de la symetrisation plus ou moins parfaite des
composantes horizontales; diminuer au maximum les valeurs de
la composante verticale du champ permet de réduire la
hauteur entre les points les plus hauts et les points :Les
plus bas de la nappe de me-tal, e-t permet de réduire les
forces magnétiques créant des perturbations de cette nappe.
La dissymetrie aventuelle, par rapport au yrand axe de la
cuve, des circulations du métal présente les inconvénients
suivants:
1. L'érosion mécanique par le métal du talus de cryolithe
figée étant directement reliée à la vitesse de circulation
du métal, une dissymétrie de ces vitesses de circulation
entraînerait une erosion différen-te des talus sur les deux
grands côtés de la cuve.
2. Les échanyes -thermiques en-tre le métal e-t le talus de
cryolithe figee sont directement reliés aux vitesses de
circulation de métal: une dissymétrie de ces vitesses de
circulation entrainerait des échanges thermiques différents
avec les deux grands catés de la cuve et aurait pour
consaquence, gânante pour l'exploitation des cuves, une
différence de forme des talus d'un grand côté à l'autre.
Plus les intensités des cuves augmentent, plus leurs
dimensions augmentent et plus le dessin des conducteurs de
liaison se complique, car la sensibilité d'une nappe de
métal aux champs magnétiques s'accroit avec la dimension de
la nappe. Généralement, une partie plus ou moins grande du
courant issu de l'amont d'une cuve est amené à la cuve
suivante après avoir contourné une tête de cuve, ce qui
rallonge d'autant plus le circuit électrique que la cuve a
des dimensions importantes.
D'autre part, l.'effet des champs magnétiques créés par la
file voisine ne peu-t plus être négligeet une dissymetrie
éventuelle de construction ou des boucles de compensation
doivent être ajoutées au circuit pour effectuer la
compensation de ces effets de "file voisine".
On s'aperçoit alors qu'au-delà de 350 000 ampères, il
devient difficile de concevoir des cuves économiquement
comparables aux cuves d'intensité comprise entre 250 000 et
300 000 ampères, car les gains sur les investissements
attendus de l'effet de dimension des cuves sont totalement
ef~acés par le surcoût dû au circuit de conducteurs qui
s'allonge et se complexifie beaucoup plu5 vite que
l'augmentation de taille des cuves.
~n outre, pour pouvoir disposer des conducteurs de Eorme
complexe et d'encombrement importants en-tre les cuves, on
doit écarter celles-ci, ce qui allonge encore le circuit
électrique, et augmente la surface du bâtiment à construire
pour abriter ces cuves. On pourrait songer à simplifier le
circuit en admettant une certaine instabilité de la nappe de
métal: cela doit être exclu car les pertes sur le rendement
de courant de l'électrolyse (qui habituellement se situe
entre 93 et 97~ gonfleraient les coûts d'exploitation de
telle manière que le métal produit ne serait pas
économiquement compétitif.
Le problème se pose donc de concevoir des circuits de
connexion entre cuves à très haute intensité, pouvant
atteindre 500 et 600 kA par exemple, remplissant les trois
conditions suivantes:
- coût minimal de construction et de mise en place des
'~7~S
- 6 -
circuits,
- encombrement minimal, en surface au sol, des séries des
cuves utilisan-t ces circuits,
- stabilité magnétique maximale, donc rendement Faraday
maximal, compte tenu des eEfets de file voisine.
EXPOSÉ DE L ' ART ANTÉRIEUR
On a déjà décrit, antérieurement, des dispositifs de
compensation d'effets magnétiques par des conducteurs
disposés le long de la série ou des séries, et parcourus par
un courant qui est une faible fraction du courant
d'électrolyse, c'est le cas des brevets US 3 616 317
(assigné à ~LCAN), et US 4 169 034 (= FR 2 425 ~82), ass.igné
à ALUMINIUM PECHINEY. Mais, dans l'un et l'autre cas, il
s'agit exclusivement de compenser l'effet de file voisine,
c'est-à-dire un champ essentiel.lement vertical et d'un signe
constant sur toute la surface de la cuve, comme cela
apparait sans ambiguité dans la description et les
revendications de ces deux brevets, et le procédé s'applique
à des séries dont les conducteurs de liaison de cuve à cuve
ont été dessinés de façon à assurer un fonctionnement
normal, sans file voisine, la correction de file voisine
n'intervenant que de façon quasi marginale. L'intensité
maximale du courant dans les conducteurs de compensation ne
dépasse pas 25% du J total de la série dans US 3 616 317, et
17% du J total dans US 4 196 034.
Du fait de l'objectif assigné à ces ::ircuits de
compensation, on voit gu'ils sont concus pour créer un champ
magnétique compensa-teur qui garde un signe constant sur
toute la cuve, ce signe étant opposé à celui du champ
vertical créé par la file de cuves voisine.
-- 7
EXPOSE DE L'INVENTION
L'obje-t de l'invention est un dispositif et une méthode de
connexion, c'est-à-dire une disposition de conducteurs
permettant de faire fonctionner des cuves d'électrolyse,
disposées en travers, sous plus de 150 000 ampères et
jusqu'à 500 à 600 000 ampères, avec un rendement de courant
de 93 à 97%, tout en reduisant fortement le poids des
conducteurs de liaison entre cuves et l'écartement entre
cuves.
C'est aussi un dispositif permettant une standardisation des
circuits et une simplification de leur dessin pour abaisser
leurs coûts de Eabrication.
C'est enEin un dispositif permettant de realiser la
compensation des champs magnétiques créés par les Eiles
voisines, sans surcoût important.
Dans la description qui suit, nous distinguerons donc deux
types de conducteurs:
- les conducteurs de cuve à cuve, comparables aux circuits
électriques selon l'art antérieur et assurant l'alimentation
électrique de l'électrolyse,
- les conducteurs indépendants d'équilibrage des champs
magnétiques.
Nous appellerons côté intérieur le côte de la cuve
d'électrolyse dirigé vers l'axe de symétrie des files de
cuves. Le côté extérieur sera par conséquent l'autre côté
de la cuve.
Nous appellerons "tête droite de la cuve" le petit côté de
~i
- ~ -
la cuve situe à la droite d'un observateur placé dans l'axe
de la file de cuves et regardant dans le sens du courant
parcourant cet-te file de cuves.
Nous appellerons "tête gauche de la cuve" l'autre petit côté
de la cuve.
Lorsque l'on conçoit une nouvelle cuve dlélectrolyse à très
haute intensité, au-delà de 350 kA, on peut être tenté
d'appliquer les mêmes méthodes que pour les cuves de 200 à
300 kA existant à l'heure actuelle, c'est-à-dire de dessiner
les conducteurs de liaison de cuve à cuve de façon que les
champs magnétiques induits par l'ensemble des circuits de
chaque cuve se compensent mutuellement de sorte que le champ
résultant B ait, en moyenne, sur l'ensemble de la cuve, les
caractéristiques suivantes:
- moyenne quadratique de la composante verticale Bz < 10 3
Tesla,
- composante horizontale Bx: antisymétrique par rappor-t a
l'axe transversal de la cuve (petit axe),
- composante horizontale By: en moyenne, la plus proche
possible de l'antisymétrie par rapport à l'axe longitudinal
de la cuve (grand axe).
(On rappelle qu'il y a "antisymétrie" lorsque les deux
valeurs considérées sont de même valeur absolue mais de
signe opposé).
La présente invention est basée sur une double idée,
entièrement différente des conceptions de l'art antérieur,
qui consiste à séparer les deux fonctions "transport du
courant d'électrolyse" que l'on essaiera de rendre aussi
simple et aussi directe que possible, et "équilibrage des
~L2
- ~a -
champs maynétiques", que l'on assurera par des conducteurs
independants.
Pour réaliser la premiè.re fonc-tion:
a) On dessine tout d'abord les conducteurs de lia.ison de
cuve à cuve, transportant le courant d'électrolyse, en
choisissant un trajet aussi proche que possible du
trajet direct de facon à minimiser le poids d'aluminium
immobilisé, et la distance entre cuves (donc la surface
totale occupée au sol par la ou les séries), sans trop
se préoccuper des effets magnétiques.
b) On les conçoit comme un ou plusieurs ensembles de
modules sensiblement identiques, qui relieront chaque
groupe de collecteurs cathodiques d'une cuve de rang n
dans la file à chacune des montées anodi.ques de la cuve
de rang n~1 dans la file, ce qui se -traduit par une
standardisation de la construction et de la première
mise en place des conducteurs.
Cette nouvelle conception de conducteurs à -tracé direct se
traduit, en règle générale, pour les cuves à très haute
intensité, par une carte des champs magnétiques très
défavorable et même tout à fait incompatible avec un
fonctionnement normal des cuves d'électrolyse. En effet, le
champ vertical créé par les conducteurs de cuve à cuve à
tracé sensiblement direct est fortement positif en moyenne
sur la demi-cuve gauche, et fortement négatif en moyenne sur
la demi-cuve droite. C'est là qu'intervient la seconde idée
invent.ive qui consiste à corriger cette carte défavorable
des champs magnétiques par un ensemble de conducteurs
d'équilibrage indépendants, disposés le long de la ou des
files et de chaque coté de la file concernée, et qui
~5
- 8b -
présentent les caractéristiques suivantes:
a) Le courant d'équilibrage y circule dans un sens
identique à celui du courant d'electrolyse dans la file
des cuves, de facon à créer un champ correcteur
fortement négatif sur la demi-cuve gauche et fortement
positif sur la demi-cuve droite.
b) Leur dessin est très simplifié, puisqu'ils ne
comprennent pratiquement (sauf aux changemen-ts de
direction aux extrémités des files) que des longueurs
droites de barres d'aluminiumO
c) Leur consommation énergétique est très faible, car, si
la somme des intensités J2 passant dans les conducteurs
indépendants, qui est au plus egale à J1, et qui peu-t
se situer entre S et 80~ et, de préférence, entre 20 et
70~ de l'intensité J1 traversan-t la série, est
relativement importante, la chute de tension reste
faible, et elle est largement compensée par le gain de
tension résultant du tracé direct des conducteurs de
liaison.
d) La somme des poids des circuits de conducteurs
conduisant le courant d'électrolyse d'une part et le
courant de correction des champs d'autre part, est
généralement très inférieure, de 5 à 15% et même
jusqu'à 25~ (pour des J proches de 500 kA), au poids
nécessaire lorsqu'on utilise un circuit unique,
autocompensé magnétiquement. Cependant, même pour des
cuvesplus petites, pour lesquelles par exemple J est de
l'ordre de 180 à 280 kA, de tels circuits indépendants
sont encore intéressants, car si dans ce cas l'on gagne
peu ou pas sur le poids total de conducteurs de cuve à
~7~
- 8c -
cuve, la conception modulaire et simplifiée des
circuits conduit encore à un gain sur les couts de
fabrication et de mise en place, et sur la largeur de
l'espace intercuves -donc sur la surface du batiment
nécessaire pour abriter les cuves-.
e) Ces conducteurs indépendants de correction permettent 3
la fois de rétablir une configuration favorable du
champ magnétique de chaque cuve, et aussi de compenser
les effets de files voisines, par une dissymétrie de
l'intensité passant dans les conducteurs de correction
int~erieurs et extérieurs, et ceci sans surcoût
important tant en investissement qu'en exploitation.
De facon plus précise, llobjet de la présen-te invention est
donc un dispositif de connexion électrique entre deux cuves
successives d'une serie destinée à la production d'aluminium
par élec-trolyse d'alumine dissoute dans de la cryolithe
fondue, selon le procédé Hall-i-léroult, sous une lntensité
variant entre 150 kA et 600 kA, chaque cuve étant consti-tuée
par un caisson métallique parallélépipédique calorifugé,
dont le grand axe est perpendiculaire à l'axe de la série,
et dont les deux extrémités sont appelées "tetes", ce
caisson supportant une cathode formée par la juxtaposition
de blocs carbonés dans lesquels sont scellés des barres
metalliques dont les extrémités sortent du caisson, sur les
deux grands cotés, amont et aval,
par rapport au sens du courant dans la série, chaque cuve
comportant en outre un système anodique formé par au moins
une poutre rigide horizontale supportant au moins une barre
horizontale conductrice, d.ite "cadre anodique", sur lequel
sont assujetties les tiges de suspension des anodes, ce
dispositif de connexion comprenant un circuit de transport du
courant d'électrolyse entre deux cuves successives,
constitué par des collecteurs cathodiques, reliés d'une part
aux sorties cathodiques de la cuve de rang n et d'autre part
à des conducteurs de liaison qui rejoignent, par des montées
le cadre anodique de la cuve de rang n+1 dans la série, ce
dispositif de connexion comportant en plus du circuit de
transport d~un premier courant d'électrolyse, un circuit
distinct de correction et d'équilibrage des champs
magnétiques, formé de conducteur sensiblemen-t parallèles à
l'axe de la série, parcourus par un deuxième couran-t
continu, caractérisée en ce que ce deuxième courant est de
même sens que le premier couran-t d'electrolyse, et cree,
dans les cuves, un champ magnétique correcteur vertical,
dirigé vers le bas près des têtes gauches et dirigé vers le
haut près des tetes droites, pour un observateur regardant
dans le sens du courant d'électrolyse.
De préférence, le courant total J2 parcourant le circuit de
correction magnétique est au plus égal au courant
d'électrolyse J1.
Le terme de circuits "indépendants" veut signifier que les
circuits suivent des trajets distincts et remplissent des
fonctions distinctes, ce qui n'exclut pas qu'ils soient
éventuellement alimentés par la meme source de courant
continu, ou par deux branches d'une même source.
De préférence, dans le circuit d'alimentation en courant
r ~
~ '
- 10 -
d'électrolyse:
- les sorties cathodiques amont de la cuve de rang n sont
reliées à des collecteurs cathodiques amont qui
rejoignent, par des conducteurs don-t la plus grande partie
passe sous ladite cuve n, par un trajet proche du trajet
direct, une première section des montées qui alimentent le
cadre anodique de la cuve de rang n+1 dans la série;
- les sorties cathodiques aval de la cuve de rang n sont
reliées à des collecteurs cathodiques aval directement
connectés à une seconde section des montées
correspondantes.
De préférence, le circuit de correction et d'équilibrage des
champs magnétiques comporte deux ensembles de conducteurs,
de correction de champ, indépendants des conducteurs de
liaison, disposés de part et d'autre de :La file de cuves
; parallèlement à l'axe de la file et alimentés par un courant
total J2 circulant dans le meme sens que le courant Jl qui
alimen-te la série, sous une intensité totale J~ au plus
égale J1, et, genéralement comprise entre 5 e-t ~0~O de Jl et
de préférence entre 20 e-t 70~.
..
Selon la présente invention, il est également prévu une
méthode de connexion électrique entre deux cuves successive
dlune série destinée à la production d'aluminium par
électrolyse d'alumine dissoute dans de la cryolithe fondue,
selon le procédé Hall-Héroult, sous une intensite
variant entre 150 kA et 600 kA, chaque cuve
étant constituée par un caisson métallique parallélépi-
;.30 pédique calorifugé, dont le grand axe est perpendiculaire à
l'axe de la série, et dont les deux extrémi-tés sont appelées
"tete", méthode dans laquelle:
- en plus d'un circuit de transport dans lequel on fait
: passer un premier courant Jl d'électrolyse, on prévoi-t un
: ~D
.~
~ - 10a -
circuit distinct de correction e-t d'équilibrage des champs
magnétiques, formé de conducteurs sensiblement parallèles
à l'axe de la série, parcourus par un deuxième courant J2
qui est con-tinu, ce deuxième courant etant de même sens
que ledit premier courant d'élec-trolyse, et créant, dans
les cuves, un champ magnétique correcteur vertical, dirigé
vers le bas près des têtes gauches et dirigé vers le haut
près des têtes droites, pour un observateur regardant dans
le sens du courant d'électrolyse.
DESCRIPTION DES FIGURES
Les igures 1 à 9 illustrent un exemple préférentiel de la
mise en oeuvre de l'inven-tion:
- La figure 1 rappelle la nomencla-ture utilisée dans la
description. L'axe XOX est l'axe de la Eile; il indique
aussi le sens de circulation du courant, e-t le petit axe
de la série, YOY é-tant le grand axe. L'axe Oz représente
l'axe vertical.
- La figure 2 représente les composantes verticales du champ
magnétique sur une cuve avant et après correction selon
l'invention.
- La figure 3 représente, de façon très schématique, le
tracé général des conducteurs d'alimentation et des
conducteurs de correction~
- La figure 4 represente, de fa~on schéma-tique, un module de
connexion amont-aval.
- La figure 5 représente, de fa~on schématique, la
disposition des conducteurs de correction dans une série
de cuve comportant deux files parallèles A et B.
- La figure 6 représente, en vue isométrique, un module de
connexion amont-aval entre deux cuves successives d'une
file. Seuls les conducteurs d'alimentation ont été
dessinés. Les sorties cathodiques ont é-té schématisées.
~ ,,.
- lOb -
- Les figures 7 et 8 schématisent la disposition réelle des
conducteurs de liaison et de correction dans une série à
grande puissance (p.ex. 480 kA). La figure 7 a été
simplifiee (par réduction de la cuve à 9 anodes) ear elle
a simplement pour but de rnontrer la position des
condueteurs (9) (sous la euve) et la position des
eondueteurs (17)(22) (eorree-tion du champ). La figure 8
fait apparaItre en plus un module de liaison entre deux
euves.
~- 10 - La figure 9 illustre la mise en oeuvre de l'invention sur
une serie de euves à 280 kA.
- /
~ /
/
.. /
: /
.
.~
':
~7~
Sur la figure 3, on a limité la représen-tation de 2 cuves
successives dans une file au contour ~1) du caisson
métallique.
Les sorties cathodiques, telles que (2), dessinées en traits
epaissis, sont reliées à des collecteurs cathodiques amont
tels que (3), de même, les sorties cathodiques aval, telles
que (4) sont reliees à des collecteurs cathodiques aval tels
que (5).
Sur une cuve de ce type, prévue, par exemple, pour une
intensité de 480 kA, il y a pour l'ensemble de la cuve 32
sorties cathodiques amont et 32 sorties cathodiques aval, et
deux lignes parallèles de 32 anodes, supportées par des
tiges, symbolisées par les croix (6) sur la demi-cuve aval.
.~ Ces tiges cathodiques sont assujetties au cadre anodique,
constitué de deux éléments 7A et 7B reliés par des barres
équ.ipotentielles 7C.
'
La liaison électrique entre les collecteurs cathodiques de
~, la cuve de rang n dans la série et le cadre anodique de la
cuve de rang n+l est assurée par des montées ~8), ici au
~, nombre de 8.
Chaque montée (8) est double; elle comporte une branche (8A)
directement reliée à un collecteur cathodique aval (5) et
une branche (8B), reliée à un collecteur cathodique amont
(3) par au moins une barre de liaison (9) passant sous la
cuve, en suivant un trajet proche du trajet le plus direct.
. 30 Il faut souligner que, dans la technique de l'électrolyse àtr~s haute intensité, la notion de "trajet direct" ne
s'identifie pas nécessairement à la ligne droite
géométrique, en raison de la dimension des conducteurs ~une
barre d'aluminium transportant 100 kA a généralement une
. ' ` '',~
~L~Z5i
- 12 -
section de l'ordre de 3 000 centimètres-carrés et peut même
: atteindre 6 000 centimètres-carrés lorsqu'il s'agit d'un
:- circuit "long" transportant le courant depuis les sorties
cathodiques amont d'une cuve (n) jusqu'au cadre anodique de
la cuve suivante (n+l)) qui implique des rayons de courbures
importants, en raison également de l'encombrement de
. l'espace sous les cuves (masses métalliques, nervures de
renfor-t du caisson, piliers d'appui des caissons) qui peu-t
amener à séparer une barre trop encombrante en deux ou
plusieurs bar:res parallèles et des impératiEs d'isolation
;~ electrique, la tension entre les conducteurs et les masses
métalliques pouvant atteindre plusieurs centaines de volts.
.~ On considérera comme "trajet direct" le plus court trajet
qui concilie les exigences énumérées ci-dessus.
Dans le cas present, il y a deux barres de liaison (9) pour
alimenter chaque montée 8A, chaque barre (9) etant reliée à
. deux sorties cathodiques amont (2) par un collecteur (3).
Outre l'obtention d'un poids minimal des conducteurs, pour
une chute de tension donnee, ce montage offre l'avantage de
se prêter à une construction modulaire.
,. .
Si l'on isole (fig.6) un de ces modules (14), on constate
qu'il est formé par l'ensemble de:
.. - 4 sorties cathodiaues aval (4) de la cuve n (schématisées,
:. pour ne pas alourdir le dessin),
- le collecteur cathodique aval (5) et la montée
correspondante (8A), vers le cadre anodique (7A) de la cuve
(n+l),
;~ - le conducteur de liaison (13) relié, d'une part à deux
: barres (9) passant sous la cuve n et d'autre part à l'autre
demi-montée (8B),
- deux éléments de collecteur cathodique amont (3)(3') de la
~-:
:!~
- ]3 -
cuve n~1, reliés chacun à deux sorties cathodiques amont (2)
de la cuve (n+1), schématisées, et à la barre (9) passan-t
sous la cuve (n+1),
- éventuellement les cales de court-circuitage (12~ pour la
mise provisoire hors circuit d'une cuve.
Les barres de liaison (~) passant sous le caisson (1) ne
- font pas partie du module. Leur position peut en effet
varier d'un module à l'autre de facon à ajuster la carte des 10 champs magnétiques à la configuration la plus favorable. On
notera, en outre, que les modules ~14) situés sur une demi-
cuve sont généralement symétriques, plutôt qu'identiques,
par rapport aux modules situés sur l'autre demi-cuve ~par
rapport à l'axe Ox).
Cette disposition des conducteurs, telle qu'on vient de la
décrire, donne, pour les intensités considérées, une carte
du champ magnétique, tout à fait inacceptable et
incompatible avec un fonctionnement stable de la cuve. A
titre d'exemple, on peut indiquer que pour une cuve de ~80
kA réalisée selon ce schéma, on obtient un Bz max pouvant
dépasser 120-10 Tesla (120 gauss).
~a correction et l'équilibrage du champ magnétique sont
confiés à un circuit d'équilibrage indépendant, schématisé
sur les figures 3 et 5, où les flèches indiquent le sens du
courant dans les files de cuves proprement dites, et dans le
circuit d'équilibrage. La figure 2 montre la répartition
des composantes verticales du champ magnétique sur le grand
axe de la cuve, avant et après correction par le circuit
d'équilibrage, objet del'invention: les valeurs de By sans
correction sont telles que tout fonctionnement normal des
cuves serait impossible. Précisons que ces valeurs sont
prises au niveau de l'interface bain d'électrolyse-métal et
- 14 -
.,
dans le plan vertical contenant le plus grand axede la cuve.
Sur la figure 5, on a pris le cas d'une série composée de
deux files parallèles A et B, comportant un nombre de cuves
;- 5 qui peut être quelconque (une centaine par exemple). Ces
;- cuves sont symbolisées par un simple rectangle (11). Les
axes parallèles Xl,X1 et X2X2 sont situés à une distance qui
peut être de l'ordre de la cen-taine de mètres.
Les liaisons entre chaque cuve sont réalisées selon les
schémas des ~igures 3, 4 et 6.
', '~!,
Selon llinvention, on dispose le long des cuves, de part et
d'autre de chaque serie, un ensemble de conducteurs de
correction indépendant, distinct des conducteurs de Liaison
entre les cuves, situé sensiblement au niveau de la nappe
d'aluminium liquide, et à ~aible distance des parois
latérales externes des cuves (de llordre de 0,5 à 2 mètres
par exemple), chaque conducteur ou faisceau de conducteurs
groupés, étant parcouru par un courant de même sens que le
sens du courant dans la série.
Le premier conducteur de correction (16) comporte une
première section (17) sur le côté extérieur de la série A,
parcouru par un courant de même sens que le courant qui
alimente cette série A, puis une section de raccordement
(18) qui contourne la tête de la série A et l'espace libre
; entre les séries A et B, puis une section (19), sur le côté
extérieur de la série B, le courant, dans cette section (19)
étant de même sens que celui qui alimente la série.
Le second conducteur de correction (21) comporte une
première branche (22), qui longe le côté intérieur de la
série A, puis une section de raccordement (23) qui contourne
- 15 -
l'espace libre entre les séries A et B, et une sec-tion (24)
. qui longe le coté intérieur de la série ~, le courant dans
les sections 17 et 22 d'une par-t et 19 et 2~ d'autre part,
. étant de même sens que celui du courant qui alimente la file
5 correspondante.
Le réglage de l'intensi-té totale J2 dans les conducteurs de
correction (16) et (21) s'effectue de façon à rétablir une
carte des champs magnétiques assurant le fonctionnement
; lO normal, la stabilité et le rendement optimal de l'ensemble
-` des cuves de la série. Cette intensité est au plus égale a
; Jl et se situe normalement entre au moins 5% et jusqu'à 80%
, de l'intensité totale J1 alimentant la série proprement
dite, et de préférence entre 20 et 70~ de J:L.
Par exemple, pour une série alimentée sous J1 = ~80 kA, le
courant de correction pourra etre Eixé par exemple entre 100
et 150 kA, dans chaque branche exterieure et interieure du
circuit de correction, la valeur de J2 egale à deux fois 135
kA étant géneralement proche de l'optimal pour une série
isolée, sans tenir compte de l'effet de file voisine, le
conducteur de correction étant disposé à 1,5 mètre de la
paroi externe des caissons métalliques des cuves. Il s'agit
~ là d'un ordre de grandeur, et la valeur optimale exacte
dépend de la position par rapport au caisson et au niveau de
l'interface bain + métal, des conducteurs indépendants de
correction.
Dans le cas de files multiples (au moins 2) l'homme de l'art
sait qu'il est nécessaire de tenir compte de l"'effet de
file voisine", c'est-à-dire du champ magnétique induit, sur
une file, par la ou les files voisines, et dont les effets
magnétiques s'ajoutent à ceux qui sont créés, sur chaque
cuve, par le courant qui la traverse.
~` ~s
- 16 -
La présente invention permet également de compenser l'effet
de file voisine. Pour cela, on répartit le couran-t dans
chacun des ensembles de conducteurs de correction intérieurs
et extérieurs (16) et (21) d'une facon différente de celle
qui assurait l'équilibrage magnétique en l'absence de file
voisine: c'est ainsi que, pour deux séries A et B, dont les
axes sont distants de 130 mètres, l'intensité J sera réduite
de 135 à 120 kA dans le conducteur de correction extérieur
(16) et augmentée de 135 à 150 kA dans le conducteur de
correction (21), l'intensité totale J2 restant égale à 270
kA, soit 56~ de Jl. Si l'entr'axe des files est réduit à 65
r mètres, l'intensité sera abaissée à 105 kA dans (16) et
augmentée à 180 kA dans (21), l'intensité totale J2 n'étant
ainsi augmentée que de 15 kA, pour s'établir à 285 kA, soit
60~ de Jl.
Il y a là un moyen de rapprocher les différentes ~iles ou
séries construites sur un m~me site, sans nuire ~ leur
stabilité globale, et la réduction de surface occupée au sol
qui en résulte, présente de nombreux avantages: réduction de
l'investissement (achat des terrains, surface des batiments
à construire), longueur des conducteurs et canalisation de
tous types, et réduction des trajets de déplacement du
personnel d'exploitation, des transports de matières
premières et de produits finis, etc
Enfin, on doit noter que la compensation de l'effet de file
voisine par dissymétrie de l'intensité dans les conducteurs
de correction, telle qu'elle vient d'être décrite, pourrait
aussi être obtenue ou affinée par d'autres moyens connus, en
particulier par déplacement des barres de liaison [9) amont-
aval qui passent sous la cuve, et par modification de
l'intensité dans ces différentes barres. Ce dernier procédé
,s,
~;'`~. i.
.
:, ~
. .
~2nl~
- 17 -
peut être utilisé comme seul moyen de compensation de
l'effet de file voisine ou en complément du procédé de
.:.
l'invention, par dissymé-trie de l'intensité dans les
conducteurs de correction.
.. 5
: EXEMPLE DE RÉALISATION
`,
Exemple 1:
On a appliqué l'invention à une petite série expérimentale
de cuves d'électrolyse, disposées en travers par rapport à
l'axe de la série, et fonctionnant sous 480 kA. La
disposition des conducteurs de liaison entre cuves est
. conforme à celle des figures 3 et 4, chacune des montées (8
(=8A~8B) transportant 60 k~.
~es sorties cathodiques amont (2) et aval (4) sont au nombre
de 32~32. Sur le grand coté amont, deux sorties cathodiques
(2) adjacentes sont rel;ées par un collecteur (3), connecté
à une barre (9) passant sous la cuve. Il y a donc, en tout,
16 barres (9) passant sous la cuve, transportant chacune
15 kA. Chaque groupe de deux barres (9) adjacentes rejoint,
à l'amont, un conducteur de liaison (13) qui est lui-meme
connecté à la demi-montée 8A.
Sur le grand côté aval, quatre sorties cathodiques (4) sont
reliées à un collecteur cathodique aval (5), qui collecte
donc 30 kA, et al~mente la demi-montée correspondante ~8B).
L'écartement entre barres (9) passant sous la cuve peut être
modulé selon qu'elles correspondent à des sorties
cathodiques, situées au centre de la cuve ou près des têtes,
c'est à-dire par rapport à leur distance du petit axe de la
cuve de facon à affiner la carte du champ magnétique, mais
,
.
~L2~
tout en respectant le "trajet directt' tel qu'11 a été défini
par ailleurs. En règle ~énérale, la distance entre les
barres (9) situées du côté des têtes de la cuve est
. inférieure à la distance entre les barres (9) situées au
: 5 centre de la cuve. Ces barres (~) peuvent également être
équidistantes.
~`~
En l'absence de tout conducteur de correction (tout
fonctionnement normal des cuves étant alors impossible), on
a estimé par des méthodes de calculs très fiables, les
valeurs des composantes du champ magnétique:
; Bz maximum: 69.10 Tesla
Bz (moyenne quadratique): 35.10 Tesla
By: écart moyen amont/aval: 2,6.10 Tesla
(N.B.- l'écart à l'antisymétrie des valeurs de By entre
amont et aval étant défini comme ¦BY¦ amont - IBYI aval).
Puis la série étant en fonctionnement e-t les conducteurs de
- correction intérieur et extérieur étant alimentés chacun
sous une intensité de 135 kA, ces conducteurs étant disposés
à environ 1,5 mètre de la paroi externe des caissons
métalliques des cuves et le sens du courant dans les deux
conducteurs étant le même que celui du courant d'électrolyse
alimentant la série, (soit un courant total de correction
J2 = 270 kA = 56~ J1), on a mesuré:
Bz maximum: 14.10 Tesla
Bz (moyenne quadratique): 5.10 4 Tesla
By: écart moyen amont/aval: 1.10 3 Tesla
Enfin, on a simulé, par un faisceau de conducteurs disposés
parallèlement à l'axe OX, une file voisine, en considérant
, . ~q~7~
~ -- l9 --
;
que les axes de la série réelle et de la série simulée
étaient éloignés de 65 mètres.
Pour compenser les effets de cette file voisine s.imulée, on
a alimenté le conducteur de correction (16), placé du cô-té
opposé à la file voisine simulée, sous 105 kA e-t le
conducteur de correction (21) placé du coté de la Éile
- voisine simulée, sous 180 kA, soit un courant total de
correction J2 = 285 kA (60% de Jl).
Les mesures des composantes du champ magnétique ont donné
les résultats suivants:
Bz maximum: 23.10 Tesla
- lS Bz (moyenne quadratique): 5,3.10 4 Tesla
By: écart moyen amont/aval: 6,9.10 Tesla
La série expérimentale, avec ou sans file voisine simulée et
compensée, a montré une parfaite stabilité de la nappe
~0 d'aluminium liquide, une absence de toute érosion
dissymétrique des talus et un rendement Faraday compris
entre 93 et 97%.
Enfin, par rapport à une solution classique, sans
conducteurs de correction, on peut estimer le ~ain de poids
sur l'ensemble des conducteurs à environ 14 000 kg
d'aluminium par cuve, poiur cette série ayant une intensité
d'électrolyse de 480 kA. A ceci se rajoute un gain da
350 mm sur l'entre-axe de cuve à cuve, ce qui représente une
économie de 84 mètres de bâtiment pour une série complète de
240 cuves.
La mise en oeuvre de l'invention ouvre donc la voie à une
nouvelle génération de cuves d'électrolyse fonctionnant sous
- 19a -
une intensite pouvant at-teindre et largement dépasser les
500 kA, avec une stabilité remarquable et un rendement
. Faraday au moins égal à celui des générations precédentes à
:-: 250-300 kA.
Exemple 2:
. .
Pour montrer que l'invention n'est pas limitée aux cuves
- d'électrolyse à très grande puissance, dans la gamme des
500 kA, on a également appliqué l'invention à des cuves
fonctionnant sous 280 kA. Comme on l'a déjà expliqué dans
l'exposé de l'invention, la mise en oeuvre du circuit de
correction indépendant et de la conception modulaire des
conducteurs de liaison de cuve à cuve conduit encore à un
: 15 gain sensible sur les couts de fabrication, de mise en place
et de surface occupee par les bâtiments.
:
- La figure 9 représente deux demi-cuves successives dans une
série fonctionnant sous 280 kA, avec 5 montées modulaires
(8) transportant chacune 56 k~ de la cuve n vers le cadre
anodique de la cuve n~1 dans la série.
Chaque conducteur de correction indépendant (17)(27) est
alimenté sous 90 kA en l'absence de file voisine, ce courant
circulant dans le même sens que celui qui alimente la série
proprement dite pour effectuer l'électrolyse, soit un
courant total de correction J2 égal à 180 kA, donc 64% de
Jl~
On a relevé les valeurs suivantes (en Tesla), en
.; - fonctionnement normal sous 280 kA, les deu~ conducteurs de
; compensation étant alimentés chacun sous 90 kA:
- 19b -
Bz maximum: 18.10
Bz (moyenne quadratique): 4,6.10
Écart à l'antisymétrie By: 2.10
- 5 On a ensuite simulé, de fa~on connue, une file voisine
situee à 65 mètres de la file considérée, et on a compensé
la perturbation magnétique due à cette file en augmentant le
courant de compensation dans le conducteur indépendant
intérieur (27) situé du coté de la file voisine, de 90 à
120 kA, et en réduisant le courant de 90 à 75 kA dans le
conducteur indépendant extérieur (17) situé du côté opposé à
la file voisine (fig. 5). Le courant total de correction
est donc porté à J2 = 195 kA soit 70% de J1.
On a relevé les valeurs suivantes en Tesla:
; Bz maximum: 22.10
Bz (moyenne quadratique): 4,9.10
Écart à l'antisymétrie By: 2.10
Les cuves ainsi alimentées ont montré un fonctionnement très
stable et un rendement en courant (rendement Faraday) situé
entre 93 et 95%.
. . .
Dans le cas de cuves à 280 kA, le gain de poids sur les
conducteurs n'est pas significatif, en revanche, le gain de
270 mm sur l'entr'axe de cuve à cuve représente une économie
d'environ 64 mètres de longueur du bâtiment pour une série
complète de 240 cuves.
