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WO 02/068726 PCT/FR02/00705
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PROCÉDÉ DE RÉGULATION D'UNE CELLULE D'ÉLECTROLYSE
Domaine de l'invention
L'invention concerne un procédé de régulation d'une cellule de production
d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans un électrolyte à base de
cryolithe fondue, notamment selon le procédé Hall-Héroult. Elle concerne tout
particulièrement la régulation de la quantité de trifluorure d'aluminium
(A1F3) du
bain de cryolithe.
État de la technique
L'aluminium métal est produit industriellement par électrolyse ignée, à savoir
par
électrolyse de (alumine en solution dans un bain de cryolithe fondue, appelé
bain
d'électrolyte, notamment selon le procédé bien connu de Hall-Héroult. Le bain
d'électrolyte est contenu dans des cuves, dites t< cuves d'électrolyse »,
comprenant
un caisson en acier, qui est revêtu intérieurement de matériaux réfractaires
etlou
isolants, et un ensemble cathodique situé au fond de la cuve. Des anodes en
matériau
carboné sont partiellement immergées dans le bain d'électrolyte. L'ensemble
formé
par une cuve d'électrolyse, sa ou ses anodes et ie bain d'électrolyte est
appelé une
cellule d'électrolyse.
Le courant d'électrolyse, qui circule dans le bain d'électrolyte et la nappe
d'aluminium liquides par (intermédiaire des anodes et des éléments
cathodiques,
opère les réactions de réduction de l'aluminium et permet également de
maintenir le
bain d'électrolyte à une température de l'ordre de 950 °C par effet
Joule. La cellule
d'électrolyse est régulièrement alimentée en alumine de manière à compenser la
consommation en alumine produite par les réactions d'électrolyse.
La productivité et le rendement Faraday d'une cellule d'électrolyse sont
influencés
par plusieurs facteurs, tels que (intensité et la répartition du courant
d'électrolyse, la
température de Ia cuve, Ia teneur en alumine dissoute et l'aciditë du bain
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d'électrolyte, etc, qui interagissent les uns avec les autres. Par exemple, la
température de fusion d'un bain de cryolithe décroît avec (excès de
trifluorure
d'aluminium (A1F3) par rapport à la composition nominale (3 NaF . A1F3). Dans
les
usines modernes, les paramètres de fonctionnement sont ajustés de manière à
viser
des rendements Faraday supérieurs à 90 %.
Le rendement Faraday effectif d'une cellule est toutefois fortement influencé
par les
variations des paramëtres de celle-ci. Par exemple, une augmentation de la
température de l'électrolyte d'une dizaine de degrés Celsius peut faire
baisser le
rendement Faraday d'environ 2 % et une diminution de la température de
l'électrolyte d'une dizaine de degrés Celsius peut réduire la solubilité déjà
faible de
l'alumine dans l'électrolyte et favoriser " l'effet d'anode ", c'est-à-dire la
polarisation d'anode, avec montée brutale de la tension aux bornes de la
cellule et
dëgagement en quantité importante de produits fluorés et fluoro-carbonés,
et/ou de
dépôts isolants sur la surface de la cathode.
La conduite d'une cellule d'électrolyse nécessite donc de contrôler
précisément ses
paramètres de fonctionnement, tels que sa température, la teneur en alumine,
(acidité, etc, de manière à les maintenir à des valeurs de consigne
déterminées.
Plusieurs procêdés de régulation ont été développés afin d'atteindre cet
objectif. Ces
procédés portent généralement soif sur la régulation de la teneur en alumine
du bain
d'électrolyte, soit sur la régulation de sa température, soit sur la
régulation de son
acidité, c'est-à-dire l'excès d'A1F3.
Le brevet américain US 4,668,350 décrit un procédë de contrôle des ajouts
d'AlF3
dans lequel on ajoute de fAlF3 selon un taux déterminé, on mesure
régulièrement la
température du bain et on ajuste le taux d'addition de l'A1F3 en fonction de
l'écart
entre la température mesurée de la cuve et la température visée (le taux
d'addition est
augmenté lorsque la température mesurée est supérieure à la tempërature de
consigne
et diminué dans le cas inverse). Le taux d'addition d'A1F3 peut également être
corrigé
en fonction de la dérive de la température mesurée (le taux est augmenté
lorsque la
température mesurée est supérieure à la valeur précédente et diminué dans le
cas
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inverse). Ce procédé, qui repose sur la corrélation entre la température et la
teneur
d'A1F3 du bain, ne tient pas compte de l'impact des périodes transitoires. En
outre, ce
procédé gëre mal les dérives thermiques car il ne tient pas compte de la
quantité
réelle d'A1F3 contenue dans la cuve.
Le brevet américain US 5 094 728 décrit un procédé de régulation dans lequel
on
calcule le délai optimal entre les ajouts d'A1F3 et leur effet sur
l'électrolyte à l'aide
d'un modèle comprenant plusieurs paramètres, et on calcule les quantités
d'A1F3 à
ajouter au cours des n jours suivants à partir, d'une part, de l'écart entre
la
concentration d'A1F3 du bain visée et la valeur mesurée et, d'autre part, de
la
consommation théorique quotidienne. Les paramètres sont calculés à partir des
mesures effectuées sur la cuve durant un intervalle de temps long, de l'ordre
de 10 à
60 jours. Ce procédé nécessite le développement et l'implantation d'un modèle
complexe qui n'est d'ailleurs pas décrit dans ce document.
La demande internationale WO 99/41432 décrit un procédé de régulation dans
lequel
on mesure la température de liquidas du bain d'électrolyte et on compare la
température de liquidas mesurée à une première et à une seconde valeurs de
consigne ; si la température de liquidas est supérieure à la première valeur
de
consigne, on aj oute de l'A1F3 ; si elle est inférieure à la seconde valeur de
consigne,
on ajoute du NaF ou du Na2C03. Ce procédé de régulation nécessite une mesure
fiable, rapide et économique de la température de liquidas. La température de
liquidas est généralement déterminée à partir d'une équation complexe qui
tient
compte de la composition exacte du bain d'électrolyte, et notamment de son
contenu
en NaF, A1F3, CaF2, LiF et A1203.
Problème posé
Les producteurs d'aluminium, dans leur recherche continue en vue d'augmenter
simultanément la production et la productivité des usines d'électrolyse,
visent à
repousser ces limites.
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En particulier, dans le but d'augmenter la productivité des usines, on cherche
à
atteindre des rendements Faraday supérieurs à 95 % en fonctionnant avec des
excès
d'A1F3 supérieur à 11 %, et pouvant atteindre 13 à 14 %, ce qui permet de
diminuer la
température de fonctionnement des cellules (la température du liquidus chute
en effet
de 5°C / %A1F3 environ) et, par conséquent, de réduire la consommation
énergétique
de celles-ci. Or, dans cette zone de composition chimique, la solubilité de
l'alumine
est fortement rëduite, ce qui accroît considérablement les risques d'effets
d'anode et
de dépôts isolants sur la cathode.
D'autre part, dans le but d'augmenter la production des usines, on cherche à
accroître
la capacité unitaire des cellules et, corrélativement, à augmenter l'intensité
du courant
d'électrolyse. La tendance actuelle est au développement de cellules
d'électrolyse
ayant une intensité qui atteint ou dépasse 500 kA. L'augmentation de la
capacité des
cellules d'électrolyse peut être obtenue, en général, soit par une
augmentation de
l'intensité admissible de cellules de type connu ou de cellules existantes,
soit par le
développement de cellules de très grande taille. Dans le premier cas,
l'augmentation
de l'intensité admissible conduit à la diminution de la masse de bain
d'électrolyte, ce
qui exacerbe l'effet des instabilités. Dans le second cas, l'augmentation de
la taille
des cellules accroît leur inertie thermique et chimique. Par conséquent,
l'augmentation de Ia capacité des cellules accroît non seulement la rapidité
de
consommation de l'alumine mais amplifie également les phénomènes générateurs
d'instabilités et de dérive des cellules, ce qui accentue davantage les
difficultés de
pilotage des cellules d'électrolyse.
La demanderesse a donc recherché un procédë de régulation d'une cellule
d'électrolyse, notamment de l'acidité du bain d'électrolyte (c'est-à-dire de
sa teneur
en A1F3) et de la thermique globale de la cellule, qui permette de piloter, de
manière
stable et avec un rendement Faraday supérieur à 93 %, voire supérieure à 95 %,
sans
avoir recours à des mesures fréquentes de la teneur en A1F3, des cellules
d'électrolyse
dont (excès d'A1F3 est supérieur à 11 % et dont l'intensité peut atteindre ou
dépasser
500 kA.
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S
Description de l'invention
L'invention a pour objet un procédé de régulation d'une cellule d'électrolyse
destinée
à Ia production d'aluminium par électrolyse ignée, c'est-à-dire par passage de
courant
dans un bain d'électrolyte à base de cryolite fondue et contenant de l'alumine
dissoute, notamment selon le procédé Hall-Héroult.
Le procédé de régulation selon l'invention comprend l'ajout, dans le bain
d'électrolyte
d'une cellule d'électrolyse, durant des intervalles de temps p prédéterminês
appelés
« périodes de régulation », d'une quantité déterminée Q(p) de trifluorure
d'aluminium
(AIF3) déterminée par Ia relation suivante
Q(p) ~ Qint(p) - Qc 1 (p) + Qt(p),
où
Qint(p) est un terme intégral (ou « auto-adaptatif ») qui représente les
besoins réels
totaux de Ia cellule en A1F3 et qui est calculé à partir d'une détermination
Qm(p) des
apports réels en AIF3 effectués durant Ia dernière période ou Ies N derniéres
périodes,
Qcl est un terme compensateur correspondant à la quantité dite « équivalente »
d'AIF3 contenue dans l'alumine ajoutée à la cellule durant la période p,
ladite
quantité pouvant être positive ou négative,
Qt(p) est un terme correctif qui est une fonction déterminëe (qui est
typiquement
croissaxlte) de l'écart entre la température du bain mesurëe T(p) et une
température de
consigne To.
Le terme Qint(p) tient compte des pertes du bain en A1F3 qui interviennent au
cours
d'un fonctionnement normal de Ia cellule et qui proviennent pour l'essentiel
de
l'absorption par le creuset de la cuve et des dégagements dans les effluents
gazeux.
Ce terme, dont la valeur moyenne est non nulle, permet notamment de suivre le
vieillissement de la cuve, sans avoir à la modéliser, grâce à un effet de
mémoire du
comportement de la cuve dans le temps. II tient compte également du
vieillissement
particulier de chaque cuve, que la demanderesse a trouvé être en général
sensiblement différent du vieillissement moyen de la population des cuves du
même
type.
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Le terme Qm(p) tient compte des apports équivalents totaux en A1F3, c'est-à-
dire des
apports « directs » provenant des ajouts d'A1F3 et des apports « indirects »
provenant
des ajouts d'alumine.
Dans une variante préférée de l'invention, la formule de calcul de la quantité
Q(p)
comporte un terme supplémentaire Qc2(p), c'est-à-dire que Q(p) = Qint(p) -
Qcl(p)
+ Qt(p) + Qc2(p), où Qc2(p) est un terme correctif qui est une fonction
déterminée
(qui est typiquement décroissante) de l'écart entre Qm(p) et Qint(p).
Le terme Qc2 est un terme de correction a priori qui permet de tenir compte
par
anticipation de l'effet d'un ajout d'A1F3, lequel effet n'apparaît normalement
qu'après
quelques jours. En effet, la demanderesse a constaté l'importance surprenante
de la
différence entre la constante de temps de (évolution de la température, qui
est faible
(de l'ordre de quelques heures), et celle de la teneur en AlF3, qui est très
grande (de
l'ordre de quelques dizaines d'heures). Dans ses essais, elle a trouvé qu'il
était très
avantageux d'anticiper sur l'évolution de (acidité de la cuve lors d'un ajout
d'A1F3, ce
que permet de faire efficacement le terme Qc2.
Les termes Qt(p) et Qc2(p) sont des termes dont Ia valeur moyenne dans le
temps
tend normalement vers zéro (c'est-à-dire qu'ils sont nornlalement nuls en
moyenne).
La demanderesse a par ailleurs constaté dans ses essais que (effet combiné des
termes de base, à savoir Qt, Qint, Qcl et, avantageusement, Qc2, permettait
d'assurer
une régulation fiable, c'est-à-dire avec une grande stabilité, de la teneur en
A1F3 des
cellules d'électrolyse, sur une période de plusieurs mois, même sans tenir
compte de
teneurs mesurées en AIF3, lesquelles mesures grèvent les coûts de
fonctionnement
des cellules et sont, de toute manière, aisëment entachées d'erreurs
significatives.
Figures
La figure 1 représente, en coupe transversale, une cellule d'électrolyse
typique.
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La figure 2 illustre le principe des séquences de régulation de l'invention.
La figure 3 montre des évolutions des besoins totaux en AlF3 d'une cellule
d'électrolyse.
Les figures 4 et 5 montrent des fonctions typiques utilisëes pour déterminer
Ies
termes de Qt et Qc2.
La figure 6 illustre une méthode de dëtermination de la variation de
résistance
électrique spécifique de la cellule d'électrolyse.
La figure 7 illustre de manière schématique la forme des lignes de courant
passant
dans le bain d'électrolyte entre une anode et la nappe de métal liquide.
La figure 8 illustre une méthode de détermination de la superficie de la nappe
de
métal liquide.
Tel qu'illustré à la figure 1, une cellule d'électrolyse (1) pour la
production
d'aluminium par le procédé d'électrolyse comprend typiquement une cuve (20),
des
anodes (7) supportés par les moyens de fixation (8, 9) à un cadre anodique
(10) et des
moyens d'alimentation en alumine (11). La cuve (20) comprend un caisson (2) en
acier, des éléments de revêtement intérieur (3, 4) et un ensemble cathodique
(5, 6).
Les éléments de revêtement intérieur (3, 4) sont généralement des blocs en
matériaux
réfractaires, qui peuvent être des isolants thermiques. L'ensemble cathodique
(5, 6)
comprend des barres de raccordement (6) auxquelles sont fixés les conducteurs
électriques servant à l'acheminement du courant d'électrolyse.
Les éléments de revêtement (3, 4) et l'ensemble cathodique (5, 6) forment, à
l'intérieur de la cuve (20), un creuset apte à contenir le bain d'électrolyte
(13) et une
nappe de métal liquide (12) lorsque la cellule est en fonctionnement, au cours
duquel
les anodes (7) sont partiellement inunergées dans le bain d'électrolyte (13).
Le bain
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d'électrolyte contient de l'alumine dissoute et, en général, une couverture
d'alumine
(14) recouvre le bain d'électrolyte.
Le courant d'électrolyse transite dans le bain d'électrolyte (13) par
l'intermédiaire du
cadre anodique (10), des moyens de fixation (8, 9), des anodes (7) et des
éléments
cathodiques (5, 6). L'alimentation en alumine de la cellule a pour but de
compenser
la consommation sensiblement continue de la cellule qui provient
essentiellement de
la réduction de l'alumine en aluminium métal. L'alimentation en alumine, qui
se fait
par ajouts d'alumine dans le bain liquide (13) (typiquement à l'aide d'un
piqueur-
doseur (11)), est en général régulëe indépendamment.
L'aluminium métal (12) qui est produit au cours de l'électrolyse s'accumule au
fond
de la cellule et il s'établit une interface assez nette entre le métal liquide
(6) et le bain
de cryolithe fondue (13). La position de cette interface bain-métal varie au
cours du
temps : elle s'élève au fur et à mesure que le métal liquide s'accumule .au
fond de la
cellule et elle s'abaisse lorsque du métal liquide est extrait de la cellule.
En règle générale, on cherche à former un talus (15) de cryolithe solidifiée
sur la
partie des parois latérales (3) du creuset qui sont en contact avec le bain
d'électrolyte
(7) et avec la nappe de métal liquide (12).
Plusieurs cellules d'électrolyse sont généralement disposées en ligne, dans
des
bâtiments appelés halls d'électrolyse, et raccordées électriquement en série à
l'aide de
conducteurs de liaison. Les cellules sont typiquement disposées de manière à
former
deux ou plusieurs files parallèles. Le courant d'électrolyse passe ainsi en
cascade
d'une cellule à la suivante.
Description détaillée de l'invention
Selon l'invention, le procédé de régulation d'une cellule d'électrolyse pour
la
production d'aluminium (1) par réduction électrolytique de l'alumine dissoute
dans
un bain d'électrolyte (13) à base de cryolithe, ladite cellule (1) comprenant
une cuve
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(20), des anodes (7) et des éléments cathodiques (5, 6) aptes à faire circuler
un
courant dit d'électrolyse dans ledit bain, l'aluminium produit par ladite
réduction
formant une nappe dite « nappe de métal liquide » (12) sur lesdits éléments
cathodiques (5, 6), ledit procédé comprenant l'alimentation de ladite cellule
en
alumine par ajout d'alumine dans ledit bain et étant caractérisé en ce qu'il
comprend
- l'implantation d'une séquence de régulation comprenant une série
d'intervalles de
temps p de durée Lp appelés « périodes de régulation » ou simplement «
périodes »
par la suite ;
- la détermination d'une température moyenne T(p) du bain d'électrôlyte, à
partir
d'au moins une mesure de la température dudit bain effectuée durant la
dernière
période ou au moins une des Nt dernières périodes ;
- la détermination d'une quantité Qc 1 (p) dite « équivalente » d'A1F3
contenue dans
l'alumine ajoutée à la cellule durant la période p ;
- la détermination d'une valeur Qm(p) des apports équivalents totaux d'A1F3
par
période durant la dernière période ou durant les N dernières périodes ;
- la détermination d'une quantité Q(p) de trifluorure d'aluminium (A1F3) à
ajouter
durant la période p, dite « quantité déterminée Q(p) », à l'aide de la formule
Q(p) = Qint(p) - Qcl(p) + Qt(p),
oü
Qint(p) = a x Qm(p) + ( 1 - a) x Qint(p -1 ),
a est un coefficient de lissage fixant (horizon temporel du lissage du terme
intégral Qint(p),
Qt(p) est une fonction dëterminée, de préférence croissante, de l'écart entre
ladite
température T(p) et une température de consigne To,
- l'ajout dans ledit bain d'électrolyte, durant la période p, d'une quantité
effective de
trifluorure d'aluminium (A1F3) égale à ladite quantité déterminée Q(p).
Le terme Q(p) correspond à un ajout d'A1F3 pur et est typiquement exprimé en
kg
d'A1F3 pur par période (kg/përiode). L'expression « ajout d'une quantité
effective
d'A1F3 » correspond à un ajout d'A1F3 pur. Dans la pratique industrielle, les
ajouts
d'A1F3 sont généralement effectués à partir d'A1F3 dit industriel ayant une
pureté
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inférieure à 100 % (typiquement 90 %). Dans ce cas, on ajoute une quantité
d'AIF3 industriel suffisante pour obtenir la quantité effective d'A1F3
souhaitée.
Typiquement, on ajoute une quantité d'A1F3 industriel égale à la quantité
effective
d'AIF3 souhaitée divisée par Ia pureté de l'A1F3 industriel utilisé.
5
L'expression « ajouts totaux d'A1F3 » désigne la somme des ajouts effectifs
d'A1F3
pur et des ajouts d'AIF3 « équivalents » provenant de l'alumine.
L'AIF3 peut être ajouté de différentes manières. Il peut être ajouté
manuellement ou
10 mécaniquement (de préférence à l'aide d'une alimentation ponctuelle telle
qu'un
piqueur-doseur qui permet d'ajouter des doses déterminées d'A1F3,
éventuellement de
manière automatisée). L'A1F3 peut éventuellement êtré ajouté avec l'alumine ou
en
même temps que l'alumine.
Les différents termes de Q sont déterminés de préférence à chaque période p.
Lorsque la cellule est très stable, il peut être suffisant de déterminer la
quantité Q(p),
ainsi que certaines des termes qui la constituent, de manière plus espacée
dans le
temps, pax exemple une fois toutes les deux ou trois périodes.
La quantité Q(p) est normalement déterminée à chaque période. Si un ou
plusieurs
termes de Q(p) ne peuvent être calculés durant une période donné, alors on
pourra
maintenir Ia valeur de ce ou ces termes utilisée durant la période précédente,
c'est-à-
dire que la valeur du ou de ces termes sera déterminëe en Ia posant égale à la
valeur
utilisée durant la période précédente. Si un ou plusieurs termes ne peuvent
être
calculés durant plusieurs périodes, alors on pourra retenir la valeur de ce ou
ces
termes utilisée durant la période précédente pour laquelle elle aura pu être
calculée et
maintenir cette valeur durant un nombre limité Ns de périodes (Ns étant
typiquement
ëgal à 2 ou 3). Dans ce dernier cas, si ce ou ces termes ne peuvent toujours
pas être
calculés après les Ns périodes, alors on pourra retenir la valeur forfaire
prédéterminée, dite « valeur refuge ». Ces différentes situations peuvent
survenir, par
exemple, lorsque la température moyenne de la cuve ne peut pas être déterminée
ou
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lorsque la quantité équivalente d'A1F3 contenue dans l'alumine n'a pu être
déterminée.
Les intervalles (ou « périodes ») p sont de préférence de durée Lp
sensiblement
égale, c'est-à-dire que Ia durée Lp des périodes est sensiblement la même pour
toutes
les périodes, ce qui facilite la mise en oeuvre de l'invention. Ladite durée
Lp est
généralement comprise entre 1 et 100 heures.
Comme le montre la figure 2, les ajouts d'A1F3 peuvent être effectués à tout
moment
lors desdites périodes (ou séquences) de régulation, qui peuvent correspondre
aux
postes de travail qui rythment les changements des équipes de travail chargées
du
pilotage et de l'entretien des cellules. La quantité Q(p) d'A1F3 déterminée
pour une
période p peut être ajoutée en une ou plusieurs fois au cours de cette période
de
travail. De préférence, la quantité Q(p) est ajoutée de manière quasi-continue
à l'aide
de piqueurs-doseurs qui permettent d'ajouter des doses prédéterminëes d'A1F3
fout
au long de la période p.
Dans une variante préférée de l'invention, le terme Qm(p) est calculé à l'aide
de la
relation
Qm(p) _ <Q(p)> + <Qc 1 (p)>, où
<Q(p)> = Q(p -1 ) et <Qc 1 (p)> = Qc 1 (p -1 ) lorsque le terme Qm(p) est
déterminé à
partir des apports équivalents totaux d'A1F3 durant la dernière période, c'est-
à-dire
p- 1 ;
<Q(p)> _ (Q(p - N) + Q(p - N + 1) +... + Q(p - 1)) l N, et <Qcl(p)> _ (Qcl(p -
N)
+ Qc 1 (p - N + 1 ) + ... + Qc 1 (p -1 )) / N, lorsque Ie terme Qm(p) est
'déterminé à
partir des apports équivalents totaux d'A1F3 durant les N dernières périodes,
c'est-à-
direp-l,p-2,...,N.
Dans le dernier cas, le terme Qm(p) est donc égal à (Q(p - 2) + Qcl(p - 2) +
Q(p -
1)+Qcl(p- 1))/2lorsqueN=2; à(Q(p-3)+Qcl(p-3)+Q(p-2)+Qcl(p-2)
+ Q(p - 1) + Qcl(p -1)) / 3 lorsque N = 3, ...
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La valeur du paramètre N est choisie en fonction du temps de réaction de la
cellule et
est normalement comprise entre 2 et 100, et plus typiquement comprise entre 2
et 20.
Afin de faire converger rapidement le terme intégral Qint(p) vers la quantité
Q'
correspondant aux besoins réels de la cellule, on peut démarrer le procédé en
posant
simplement Qint(0) = Qtheo, où Qtheo correspond aux besoins théoriques totaux
en
A1F3 de la cellule au moment où on lance la régulation. Qtheo est une fonction
de
l'âge de la cuve qui peut être déterminée de manière statistique pour chaque
type de
cuve.
Cette variante peut être mise en oeuvre en incluant dans le procédé de
l'invention
- la détermination d'une quantité Qtheo correspondant aux besoins théoriques
totaux
en A1F3 de la cellule au moment où on lance la régulation ;
- le démarrage du procédé en posant Qint(0) = Qtheo.
Le coefficient de lissage a, qui permet de s'affranchir des fluctuations
thermiques et
chimiques à moyen et long termes, est égal à Lp / Pc, où Pc est une période
qui est
typiquement de l'ordre de 400 à 8000 heures, et plus typiquement de 600 à 4500
heures, et Lp est Ia durée d'une përiode. Le terme 1/a est donc typiquement
égal à 50
à 1000 périodes de 8 heures dans le cas ou ce mode d'organisation du travail
est
appliqué.
Le terme Qc 1 (p) est déterminé en faisant le bilan chimique du fluor et du
sodium
contenus ladite alumine à partir d'une ou plusieurs analyses chimiques. Le
sodium
contenu dans l'alumine a pour effet de neutraliser le fluor, équivalant alors
à une
quantité négative d'A1F3. Le terme Qcl(p) est positif si ladite alumine est «
fluorée »
(ce qui est Ie cas lorsqu'elle a été utilisée pour filtrer les effluents de
cellules
d'électrolyse) et négatif si l'alumine est « fraîche », c'est-à-dire si elle
provient
directement du procédé Bayer.
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Le terme de régulation Qt(p) est donné par une fonction déterminée
(t~piquement
croissante et de préférence bornée, c'est-à-dire qu'elle est limitée par une
valeur
maximum et par une valeur minimum) de (écart entre la température du bain
mesurée T(p) et une température de consigne To. La figure 4 montre une
fonction
typique utilisée pour déterminer le terme Qt.
Cette variante peut être mise en oeuvre en incluant dans le procédé de
l'invention
- la détermination d'une température moyenne T(p) du bain d'électrolyte ;
- la détermination du terme Qt(p) en utilisant une fonction déterminée (qui
est
typiquement croissante et de préférence bornée) de l'écart entre ladite
température
T(p) et une température de consigne To.
Dans une variante simplifiée de l'invention, le terme Qt(p) peut suivre une
relation
simple, telle que Qt(p) = Kt x (T(p) - To), où Kt est une constante qui est
typiquement positive et qui peut être fixée de manière empirique et dont la
valeur est
typiquement comprise entre 0,01 à 1 kg/heure/°C, et plus typiquement
entre 0,1 et
0,3 kg/heure/°C (correspondant, dans ce dernier cas, à environ 1 à 2
kg/période/°C
pour des périodes d'une durée de 8 heures) pour des cuves de 300 kA à 500 kA.
Le terme Qt(p) est de préférence borné par une valeur minimale et par une
valeur
maximale.
La température moyenne T(p) est normalement déterminée à partir des mesures de
température effectuées sur Ia période p et sur Ies périodes précédentes p - l,
etc., de
façon à obtenir une valeur fiable et significative de l'état moyen de la cuve.
Le terme Qc2(p) est donné par une fonction déterminée (qui est typiquement
décroissante et de préférence bornée) de l'écart Qm(p) - Qint(p). Ce terme
d'amortissement tient compte du retard de rëaction de la cellule aux ajouts
d'A1F3.
La figure 5 montre une fonction typique utilisée pour déterminer le terme Qc2.
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Dans une variante simplifiée de l'invention, le terme Qc2(p) peut suivre une
relation
simple, telle que Qc2(p) = Ko2 x (Qm(p) - Qint(p)), où Ko2 est une constante
qui
est typiquement négative, et qui peut être fixée de manière empirique et dont
la
valeur est typiquement comprise entre - 0,1 et - l, et qui est plus
typiquement
comprise enhe - 0,5 et - 1 pour des cuves de 300 kA à 500 kA.
Le terme Qc2(p) est de préfërence borné par une valeur minimale et par une
valeur
maximale.
Dans une variante avantageuse du procédé selon l'invention, la quantité Q(p)
comprend un terme de régulation supplémentaire, Qr(p), qui est sensible à
l'épaisseur
(et, dans une moindre mesure, à Ia forme) du talus de bain solidifié (15)
formé sur les
parois (3) de la cellule (1) par l'intermédiaire de l'épanouissement r1 des
lignes de
courant dans le bain d'électrolyte.
Ce terme peut être utilisé en particulier lorsque la cellule d'électrolyse
comprend un
cadre anodique (10) mobile auquel sont fixées les anodes (7) de la cellule et
des
moyens (non représentés) pour déplacer ledit cadre anodique (10). Comme le
montre
la figure 6, ladite résistance est typiquement mesurée à l'aide de moyens (18)
pour
mesurer l'intensité Io du courant circulant dans la cellule (où Io est égal à
la somme
des courants cathodiques Ic ou anodiques Ia) et de moyens (16, 17) pour
mesurer la
chute de tension U qui en résulte aux bornes de la cellule (et plus
précisément la
chute de tension qui en résulte entre le cadre anodique et les éléments
cathodiques de
la cellule). Ladite résistance est généralement calculée à l'aide de la
relation : R = (U
- Uo) / Io, où Uo est une constante typiquement comprise entre 1,6 et 2,0 V.
Le terme Qr(p) est donné par une fonction déterminée (qui est typiquement
décroissante et de préférence bornée) d'une quantité dite « variation de
résistance
spécifique » SRS qui est égale à 0R / OH, où ~R est la variation de la
résistance R
aux bornes de la cellule d'électrolyse mesurée lorsque le cadre anodique (10)
est
déplacé d'une distance déterminée 0H, soit vers le haut (~H positif), soit
vers le bas
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(~H négatif). En pratique, il a été trouvé plus simple de donner un ordre de
déplacement du cadre anodique (10) pendant un temps déterminé et de mesurer le
déplacement du cadre 4H qui en résulte. Le terme Qr(p) est avantageusement
fonction de la différence entre ORS et une valeur de référence ~RSo.
Selon cette variante de l'invention, le procédé comprend avantageusement
- le déplacement du cadre anodique (10) d'une distance déterminée ~H, soit
vers le
haut (~H étant alors positif), soit vers le bas (0H étant alors négatif) ;
- la mesure de la variation ~R de la résistance R résultant dudit dëplacement
;
' - le calcul d'une variation de la résistance spécifique SRS en utilisant la
formule
ORS=~R/~H;
- la détermination d'un terme Qr(p) en utilisant une fonction déterminée (qui
est
typiquement décroissante) de la variation de la résistance spécifique ORS ;
- l'ajout du terme Qr(p) dans la détermination de la quantité Q(p).
La résistance R dépend non seulement de la rësistivité p du bain d'électrolyte
(13),
de la distance H entre la ou les anodes (7) et la nappe (12) de métal liquide,
et de la
surface Sa de la ou des anodes (7), mais aussi de l'épanouissement r~ des
lignes de
courants (Jc, Js) qui s'établissent dans ledit bain, notamment entre la ou les
anodes
(7) et le talus (15) de bain solidifié (lignes Jc de la figure 7). La
demanderesse a eu
l'idée d'exploiter le fait que la variation de la résistance électrique
spécifique ORS
n'est pas sensible uniquement à la résistivité du bain d'électrolyte, mais
intègre un
facteur d'épanouissement du courant électrique qui est sensible à la présence,
à la
taille et, dans une moindre mesure, à la forme du talus de bain solidifié (15)
sur les
parois de la cuve (20).
La demanderesse a en outre constaté que, contrairement à ce qui est
normalement
admis, l'épanouissement r~ est en fait un facteur prépondérant dans
l'établissement
de la résistance électrique. La demanderesse estime que la contribution de
l'épanouissement à la variation de la résistance électrique spécifique se
situe
typiquement entre 75 et 90 %, ce qui signifie que la contribution de la
résistivité est
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trës faible, soit typiquement entre 10 et 25 % (soit typiquement 15 %). Dans
ses
essais sur des cuves de 500 kA, la demanderesse a observé une valeur moyenne
de
SRS de l'ordre de 100 nS2/mm, qui diminue d'environ - 3 nS2/mm lorsque la
température du bain augmente de 5 °C et lorsque la teneur en A1F3
diminue de 1 %,
et inversement. La contribution de la résistivité à cette variation est
estimée être de
l'ordxe de - 0,5 nS2/mm seulement (soit environ 15 % seulement de la valeur
totale),
la contribution attribuable à l'épanouissement, à savoir - 2,5 nS~/mm étant
alors
dominante.
Il est possible de tenir compte de l'épanouissement du courant dans la
résistance
mesurée (par exemple par modélisation des lignes de courant), ce qui améliore
de
maniëre sensible la fiabilité du terme correctif Qr(p) en tant qu'indicateur
de l'état
thermique de la cellule.
Dans une variante simplifiée de l'invention, le terme Qr(p) peut être donné
par une
relation simple telle que : Qr(p) = Kr x (ORS - ~RSo), où Kr est une
constante, qui
peut être fixée de maniëre empirique et dont la valeur est typiquement
comprise entre
- 0,01 et - 10 kg/heure/nS2/mm, et est plus typiquement comprise entre - 0,05
et
- 0,3 kg/heure/nS2/mm (correspondant, dans ce dernier cas, à environ - 0,5 à -
2
kg/période/nS2lmm pour des périodes d'une durée de 8 heures) pour des cuves de
300
kA à 500 kA.
Le terme Qr(p) est de préférence borné par une valeur minimale et par une
valeur
maximale.
En pratique, il est possible d'effectuer Nr mesures (c'est-à-dire deux ou
plusieurs
mesures) de DRS durant la période p. La valeur de SRS utilisée pour le calcul
de
Qr(p) sera alors la moyenne des Nr valeurs ORS mesurées, exception faite,
éventuellement, des valeurs jugées aberrantes. Il est également possible
d'utiliser une
moyenne glissante sur deux ou plusieurs périodes poux lisser les fluctuations
thermiques liées au cycle d'exploitation. Un cycle d'exploitation est
déterminé par le
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cadencement des interventions sur la cellule d'électrolyse, notamment les
changements d'anode et les prélèvements de métal liquide. La durée d'un cycle
d'exploitation est généralement comprise entre 24 et 48 heures (par exemple 4
périodes de 8 heures).
Dans une autre variante avantageuse du procédé selon l'invention, la quantité
Q(p)
comprend un terme de régulation supplémentaire, Qs(p), qui est donnë par une
fonction déterminée (qui est typiquement croissante et de préférence bornée)
de
l'écart entre la superficie S(p) de la nappe de métal liquide (12) et une
valeur de
consigne So.
Selon cette variante de l'invention, le procédé comprend avantageusement
- la détermination d'un terme Qs(p) ;
- l'ajout du terme Qs(p) dans la détermination de la quantité Q(p).
La superficie S(p), qui correspond sensiblement à l'interface métal/bain, est
approximativement ëgale â la section droite horizontale de la cuve
d'électrolyse. La
présence de bain d'électrolyte solidifié sur les parois de la cuve diminue
cette
superficie d'une quantité qui varie en fonction du temps et des conditions de
fonctionnement de la cuve.
Le terme Qs(p) est donné par une fonction déterminée (qui est typiquement
croissante et de préférence bornée) de la différence S(p) - So. Dans une
variante
simplifiée de l'invention, le terme Qs(p) peut être donné par une relation
simple telle
que : Qs(p) = Ks x (S(p) - So), où Ks est une constante, qui peut être fixée
de
manière empirique et dont la valeur est typiquement comprise entre 0,0001 et
0,1
kg/heure/dm2, et est plus typiquement comprise entre 0,001 et 0,01
kg/heure/dm2
(correspondant, dans ce dernier cas, à environ 0,01 à 0,05 kg/période/dm2 pour
des
périodes d'une durée de 8 heures) pour des cuves de 300 kA à 500 kA.
Le terme Qs(p) est de préfërence borné par une valeur minimale et par une
valeur
maximale.
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Dans le mode de réalisation préféré de cette vaxiante de l'invention, la
superficie S(p)
est calculée à partir d'une mesure du volume Vm de métal coulé et de
(abaissement
OHm du niveau métal Hm correspondant (voir la figure 8). Plus précisément, on
mesure le volume Vm de métal liquide extrait de la cuve d'électrolyse
(typiquement
par une mesure de cette masse de métal) et le changement OHm du niveau du
métal
liquide qui en résulte, puis on calcule la superficie S(p) en utilisant la
relation S(p) _
Vm/OHm. Dans la pratique, afin de maintenir constante la distance métal/anode,
les
anodes (9) sont normalement abaissées en même temps que le niveau du métal
liquide.
La demanderesse a noté que les termes correctifs Qr(p) et Qs(p) selon la
présente
demande sont des indicateurs efficaces de (état thermique global de la cellule
d'électrolyse, qui tiennent compte aussi bien du bain d'électrolyte liquide
que du talus
de bain solidifié sur les parois de la cuve. Ces termes, pris isolément ou en
combinaison, permettent notamment de réduire de manière sensible le nombre
d'analyses de la teneur en A1F3 du bain d'électrolyte liquide et complètent
ainsi la
correction apportée par le terme Qt(p). La demanderesse a pu observer que la
fréquence des analyses de la teneur en A1F3 peut être réduite typiquement à
une
analyse par cellule tous les 30 jours environ. Les termes Qr(p) et Qs(p)
permettent de
n'effectuer des analyses de la teneur en AIF3 que sur exception ou dans le but
de
caractériser une cellule ou une série de cellules de manière statistique.
Dans une autre variante avantageuse de l'invention, la quantité Q(p) comprend
un
terme correctif supplémentaire Qe(p) qui est fonction déterminée (qui est
typiquement décroissante et de préférence bornée) de l'écart entre fexcés
d'A1F3
mesuré E(p) et sa valeur visée Eo, c'est-à-dire de la différence E(p) - Eo.
Cette variante peut être mise en oeuvre en incluant dans le procédé de
l'invention
- la mesure de l'excès E(p) d'AIF3 ;
- la détermination d'un terme correctif supplémentaixe Qe(p) en utilisant une
fonction
déterminée (typiquement décroissante et de préférence bornée) de l'écart entre
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l'excès d'A1F3 mesuré E(p) et sa valeur visée Eo, c'est-à-dire de la
différence E(p) -
Eo ;
- la détermination de la quantité Q(p) en ajoutant le terme Qe(p) dans le
calcul.
Dans une variante simplifiée de l'invention, le terme Qe(p) peut être donné
par une
relation simple telle que : Qe(p) = Ke x (E(p) - Eo), où Ke est une constante,
qui
peut être fixée de manière empirique et dont la valeur est typiquement
comprise entre
- 0,05 et - 5 kg/heure/%A1F3, et est plus typiquement comprise entre - 0,5 et -
3
kg/heure/%A1F3 (correspondant, dans ce dernier cas, à environ - 20 à - 5
kg/période/%A1F3 pour des périodes d'une durée de 8 heures) pour des cuves de
300
kA à 500 kA.
Le terme Qe(p) est de préférence borné par une valeur minimale et par une
valeur
maximale.
La demanderesse a trouvé satisfaisant de n'appliquer le terme Qe(p) que de
manière
exceptionnelle, et pendant une courte durée, lorsque le fonctionnement
thermique de
la cellule sort de la plage de fonctionnement normal, c'est-à-dire lorsque les
indicateurs (tels que la température, SRS, S, etc) sortent des fourchettes
dites de
sécurité.
La demanderesse a noté dans ses essais que le terme correctif Qe permeitait un
retour
rapide des indicateurs (température, SRS, S, etc) dans la plage de
fonctionnement
normal.
Selon encore une autre variante de l'invention, il est également possible
d'ajouter des
termes correctifs permettant de tenir compte d'événements ponctuels
perturbateurs.
En particulier, la régulation peut comprendre un terme dit d'effet d'anode Qea
pour
tenir compte de l'impact d'un effet d'anode sur la thermique d'une cellule
d'électrolyse. I1n effet d'anode provoque notamment des pertes significatives
d'AlF3
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par émission et, généralement, un réchauffement du bain d'électrolyte. Le
terme Qea
est appliqué pendant un temps limité suite à l'observation d'un effet d'anode.
Le
terme Qea est calculé à l'aide soit d'un barème qui est fonction de l'énergie
de l'effet
~'~S
5 Qea est donné par une fonction déterminée (qui est typiquement croissante et
de
préférence bornée) de l'énergie EEA. Le terme Qea(p) est de préférence borné
par
une valeur minimale et par une valeur maximale.
Des ajouts de bain industriel et de cryolithe pure sont quelquefois effectués
sur des
10 cellules industrielles. Ces ajouts ont un impact sur la composition du bain
d'électrolyte dont il faut généralement tenir compte dans la régulation. Dans
ce but,
le procédé de régulation peut également comprendre un terme correctif Qb pour
tenir
compte de la modification de la teneur en A1F3 pur provoquée par ces ajouts.
15 Afin d'éviter les excès d'ajout d'A1F3, il est préférable, à titre de
précaution, de limiter
Q(p) à une valeur maximale Qmax. Il est également préférable de borner dans le
temps l'application des termes de régulation lorsque ceux-ci ne peuvent être
déterminés à chaque période.
20 La demanderesse a observé qu'il était suffisant de n'appliquer certains des
termes de
Q(p), tels que Qe(p), que de façon exceptionnelle et pour une durée limitëe,
ce qui
permet de limiter les coûts relatifs à leur détermination.
Le terme Q(p) peut être positif, nul ou négatif. Dans le dernier cas, on pose
Q(p) = 0,
c'est-à-dire qu'on n'ajoute pas d'A1F3 durant la période p. Lorsque le terme
Q(p) est
négatif, il est également possible de corriger la composition du bain
d'électrolyte (13)
par ajout de "soda", c'est-à-dire de soude calcinée ou carbonate de sodium,
appelé
"soda ash" en anglais.
Exemples de mise en aeuvre de l'invention
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2I
Les exemples suivants illustrent les calculs inhérents au procédé de
régulation de
l'invention. Ces calculs sont typiques de ceux effectués pour les cellules de
500 kA
mises à l'essai par la demanderesse. La durée des périodes est de 8 heures.
Exemple 1
Exemple illustrant l'utilisation des termes de base Qint, Qcl, Qc2 et Qt dans
le cas
d'une cuve d'âge moyen (28 mois).
La valeur de Qtheo à 28 mois est de + 31 kg/période. Les besoins moyens de la
cellule Q' déterminés par le terme intégral Qint sont de + 39 kg/période.
L'analyse de l'alumine donne une valeur de 1,36 % de fluor et de 5250 ppm
d'équivalent Na20. La consommation en alumine de la cellule durant une période
de
8 heures est de 2400 kg. Le terme Qcl est alors égal à + 22 kg/période en
apport pur
ëquivalent A1F3.
En prenant N = 12, le total des apports réels en A1F3 par période sur les N
dernières
périodes est de 44 kg/période. L'écart entre les apports réels (44 kg/période)
et les
besoins moyens (39 kg/période) est alors de + 5 kglpériode. Le terme Qc2 est
alors
égal à - 3 kg/période.
La température mesurée est de 957°C et la température de consigne de
953°C, soit un
écart de + 4°C. Le terme correctif Qt est alors égal à + 7 kg/période.
La quantité d'A1F3 à ajouter durant la période p est alors égale à : Q(p) =
Qint(p) -
Qcl(p)+Qc2(p)+Qt(p)=39-22-3+7=+2l kg.
Exemple 2
Exemple illustrant l'utilisation des termes de base Qint, Qcl, Qe2 et Qt dans
le cas
d'une cuve j eune (7 mois).
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La valeur de Qtheo à 7 mois est de + 23 kg/période. Les besoins moyens de la
cellule
Q' déterminés par le terme intégral Qint sont de + 32 kg/période. Le terme Qcl
est
égal à + 20 kg/période en apport pur équivalent A1F3. Le terme Qc2 est égal à -
6
kg/période.
La température mesurée est de 964,6°C et la température de consigne de
956°C, soit
un écart de + 8,6°C. Le terme correctif Qt est alors égal à + 15
kg/période.
La quantité d'A1F3 à ajouter durant la période p est alors égale à : Q(p) =
Qint(p) -
Qc 1 (p) + Qc2(p) + Qt(p) = 32 - 20 - 6 + 15 = + 21 kg.
Exemple 3
Exemple illustrant l'utilisation les termes de base Qint, Qcl, Qc2 et Qt,
coiTigés du
terme Qe, dans le cas d'une cellule jeune (6 mois).
La valeur de Qtheo à 7 mois est de + 23 kglpériode. Les besoins moyens de la
cellule
Q' déterminés par le terme intégral Qint sont de + 32 kg/përiode. Le terme Qcl
est
égal à + 20 kg/période en apport pur équivalent A1F3. Le terme Qc2 est égal à -
6
kg/période. Le terme correctif Qt est égal à + 15 kg/période.
Le taux d'A1F3 mesuré est de 12,8 % et la valeur de consigne est de 12,0 %. La
valeur de Qe est alors de - 14 kg/période.
La quantité d'AIF3 à ajouter durant la période p est alors ëgale à : Q(p) =
Qint(p) -
Qc I (p) + Qc2(p) + Qt(p) + Qe(p) = 32 - 20 - 6 + 15 - 14 = + 7 kg. Le terme
Qe
évite ainsi une sur-correction de 1a teneur en A1F3.
Exemple 4
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Exemple illustrant l'utilisation des termes complémentaires Qr et Qs en
combinaison
avec les termes de base Qint, Qcl, Qc2 et Qt.
La valeur de Qtheo à 28 mois est de + 31 kglpériode. Les besoins moyens de la
cellule Q' déterminés par le terme intégral Qint sont de + 39 kg/période. Le
terme
Qcl est égal à + 22 kg/période en apport pur équivalent A1F3. Le terme Qc2 est
égal
à - 3 kg/période.
La température mesurée est de 964 °C et la température de consigne de
953 °C, soit
un écart de + 1p,8°C, Le terme correctif Qt est alors égal à + 18
kg/période.
La valeur mesurée de ORS est de 101,8 nSZ/mm et la valeur de consigne ~RSo est
de
106,0 nS~/mm. Le terme Qr(p) est alors égal à + 5 kg/période.
La valeur mesurée de S est de 6985 dm~ et la valeur de consigne So est de 6700
dm2.
Le terme Qs(p) est alors égal à + 5 kg/période.
La quantité d'A1F3 à ajouter durant la période p est alors égale à : Q(p) ~
Qint(p) -
Qcl(p)+Qc2(p)+Qt(p)+Qr(p)+Qs(p)=39-22-3+18+5+5=+42 kg. Les
termes Qr et Qs apportent une correction significative à Ia quantité Q(p).
Essais
Le procédë selon l'invention a été utilisé pour réguler des cellules
d'électrolyse avec
des intensités allant jusqu'à 500 kA. La durée des périodes était de 8 heures.
Les essais ont porté sur différents types de cuves. Le tableau T regroupe les
caractéristiques de certaines des cellules d'électrolyse mises à l'essai et
les résultats
typiques obtenus. Dans le cas A, les cuves étaient régulées à I'aide du mode
de
réalisation de l'invention dans lequel Q(p) était déterminée en utilisant les
termes
Qint(p), Qc I (p), Qc2(p) et Qt(p). Dans Ie cas B, les cuves étaient régulées
à l'aide du
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mode de réalisation de l'invention dans lequel Q(p) était déterminée en
utilisant les
termes Qint(p), Qc1(p), Qc2(p), Qt(p) et Qe(p). Dans le cas C, les cuves
étaient
régulées à l'aide du mode de réalisation de l'invention dans lequel Q(p) était
déterminée en utilisant les termes Qint(p), Qcl(p), Qc2(p), Qt(p), Qr(p) et
Qs(p).
S
Les résultats montrent que le procédé de régulation de l'invention permet de
réguler
efficacement des cellules d'électrolyse dont l'excès d'A1F3 du bain est
supérieur à 11
et dont la température du bain est voisine de 960 °C. Les variantes
préférées de
l'invention permettent de réguler efficacement, et avec une stabilité
surprenante, des
cellules d'ëlectrolyse dont l'intensité et la densité anodique sont très
élevées et dont
la masse de bain liquide est faible.
Tableau I
Cas A Cas B Cas C
Intensit (kA) 300 kA 330 kA 500 kA
Densit anodique (A/cmz) 0,78 0,85 0,90
Masse de bain liquide (kg/kA)25 22 17
Excs A1F3 (1) 11,8 11,8 13,2
Ecart type total (~ %) 1,5 1,3 1,3
Dispersion de l'excs A1F3 8,8 - 14,89,2 - 14,410,6 -
2 6 % 15,8
Temprature du bain (C) 962 962 961
Ecart type total (6 %) 6 6 3,5
Dispersion de la temprature 950 - 974 950 - 974 954 - 968
2 ~ %
Rendement Faraday (%) 95,0 95,0 95,5
La demanderesse a observë lors de ses essais que le procédé de régulation de
l'invention permet de contrôler, avec une grande stabilité, la teneur en A1F3
des
cellules d'électrolyse, sur une période de plusieurs mois, sans avoir à tenir
compte de
teneurs mesurées en A1F3, lesquelles teneurs mesurées sont, de toute manière,
aisément entachées d'erreurs significatives.
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Avantages de l'invention
Le procédé selon l'invention permet de tenir compte non seulement de la
composition
5 moyenne du bain d'électrolyte d'une cellule d'électrolyse, mais également de
(impact
des talus de bain solidifié sur cette composition, lesquels talus, en fondant
ou en
croissant, agissent sur la composition du bain.
