Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02468737 2004-05-28
WO 03/048426 PCT/FR02/04163
1
PROCEDE ET DISPOSITIF DE DETECTION DES EFFETS D'ANODE
D'UNE CELLULE D'ELECTROLYSE POUR LA PRODUCTION
D'ALUMINIUM
Domaine de l'invention
L'invention concerne les cellules de production d'aluminium par électrolyse
d'alumine dissoute dans un électrolyte à base de cryolithe fondue, notamment
selon
le procédê Hall-Héroult. Elle concerne en particulier un dispositif et un
procédé de
détection des effets d'anode.
Etat de la technique
L'aluminium métal est produit industriellement par électrolyse ignée, à savoir
par
électrolyse de l'alumine en solution dans un bain à base 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 « cuves d'électrolyse »,
comprenant
un caisson en acier, qui est revêtu intérieurement de matériaux réfractaires
et/ou
isolants, et un ensemble cathodique situé au fond de la cuve. Des anodes sont
partiellement immergées dans le bain d'électrolyte. L'expression « cellule
d'électrolyse » désigne normalement l'ensemble comprenant une cuve
d'électrolyse
et une ou plusieurs anodes.
Le courant d'électrolyse, qui circule dans le bain d'électrolyte et la nappe
d'aluminium liquides par l'intermédiaire des anodes et des éléments
cathodiques,
opère les réactions de réduction de l'aluminium et permet également de
maintenir Ie
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
Ia
consommation en alumine produite par les réactions d'électrolyse.
CA 02468737 2004-05-28
WO 03/048426 PCT/FR02/04163
Un des facteurs essentiels permettant d'assurer la régularité de marche d'une
cuve de
production d'aluminium par electroiyse a-alumlIlG lllJJUüLG 1A0.11.7 uii vuiai
d'électrolyse fondu à base de cryolithe est le maintien d'une teneur
appropriée en
alumine dissoute dans cet électrolyte et par conséquent l'adaptation des
quantités
d'alumine introduites dans le bain à la consommation d'alumine de la cuve.
Un excès d'alumine crée un risque d'encrassement du fond de la cuve par des
dépôts
d'alumine non dissoute pouvant se transformer en plaques dures qui sont
susceptibles
d'isoler électriquement une partie de la cathode. Ce phénomène favorise alors
la
formation dans le métal des cuves de courants électriques horizontaux très
forts qui,
par interaction avec les champs magnétiques brassent la nappe de métal et
provoquent une instabilité de l'interface bain-métal.
A l' inverse un défaut d' alumine peut notamment provoquer l' apparition de "
l' effet
d' anode ", c' est-à-dire la polarisation d'une anode, avec montée brutale de
la tension
aux bornes de la cellule et dégagement en quantité importante de produits
fluorés et
fluoro-carbonés (CFx), dont la forte capacité d' absorption des rayons
infrarouges
favorise l'effet de serre.
Plusieurs procédés de régulation ont été développés pour contrôler
l'alimentation en
alumine.
Dans les procédés industriels, il est connu d'avoir recours à une évaluation
indirecte
des teneurs en alumine en suivant un paramètre électrique représentatif de la
concentration en alumine dudit électrolyte. Ce paramètre est génëralement la
variation de la résistance R aux bornes de la cuve alimentée sous une tension
U,
incluant une force contre-électromotrice Ue évaluée par exemple à 1,65 volt et
traversée par un courant I de sorte que R = (U - Ue) / I. Typiquement, les
procédés de
rëgulation de la teneur en alumine consistent à moduler l'alimentation en
alumine en
fonction de la valeur de R et de son évolution dans le temps. Ce principe de
base a
fait l' obj et de nombreux brevets jusqu' à tout récemment (voir par exemple
la
demande française FR 2 749 858 correspondant au brevet américain US 6 033
550).
CA 02468737 2004-05-28
WO 03/048426 PCT/FR02/04163
3
Ces procédés de régulation permettent donc de maintenir la teneur en alumine
du
bain dans une plage étroite et faible et ainsi d'obtenir des rendements
Faraday de
l'ordre de 95% avec des bains acides, en réduisant simultanément et de façon
notable
la quantité (ou fréquence) des effets d'anode sur les cuves que l'on décompte
en
nombre d'effets d'anode par cuve et par jour (EA/cuve/jour) sous l'appellation
« taux
d'effet d'anode ». Pour les cellules d'électrolyse les plus récentes (qui sont
à piquage
ponctuel), ce taux se situe entre 0,15 et 0,5 EA/cuve/jour.
Les exigences de plus en plus sévéres en matière d'émission de gaz à effet de
serre
incitent les producteurs d'aluminium à rechercher des moyens pour réduire
encore
davantage les taux d'effets d'anode.
La demanderesse a donc recherché des solutions à ces difficultés qui soient
économiques et susceptibles d'être appliquées à une échelle industrielle.
Description de l'invention
L'invention a pour objet un procédé de détection anticipée des effets d'anode
dans
une cellule de production d'aluminium par électrolyse en sel fondu, dans
lequel on
mesure un premier signal de tension électrique U1 et au moins un deuxième
signal de
tension électrique U2 à deux endroits distincts de ladite cellule, et dans
lequel on
détermine la valeur d' au moins un indicateur de risque d' apparition d'un
effet
d'anode A (ou « indicateur anticipé d'effet d'anode » A) à partir d'une
analyse
desdits signaux Ul, U2, ..., apte à signaler de manière anticipée, voire
précoce, un
risque élevé de survenue d'un effet d'anode.
Un indicateur anticipé d'effet d'anode A est typiquement dëterminé à partir
d'une
comparaison des signaux Ul, U2,... Plus précisément, l'indicateur A (ou les
indicateurs A1, A2,...) est (sont) typiquement déterminés (s) à partir d'une
fonction
F(Ul, U2, U3,...), dite de comparaison, qui est de préférence apte à
quantifier
CA 02468737 2004-05-28
WO 03/048426 PCT/FR02/04163
4
l'étalement des signaux, et plus spécifiquement les écarts E entre les signaux
Ul, U2,
U3,...
Par exemple, dans une variante simplifiée de l'invention, un indicateur A peut
être
donné par un écart algébrique entre les deux tensions électriques lorsqu'on
mesure
deux signaux de tension, ou par un écart algébrique entre des valeurs extrêmes
(par
exemple entre les signaux les plus séparés) ou entre au moins deux signaux
lorsqu'on
mesure plus de deux signaux de tension. Selon une autre variante, un
indicateur A
peut être déterminé de manière statistique, par exemple par un écart-type
entre tous
les signaux. Il peut également être déterminé par des traitements analogiques
ou
numériques plus élaborés.
Le ou les indicateurs A sont, de préférence, déterminés à partir de
l'évolution
temporelle de la fonction de comparaison F(U1, U2,...), typiquement à partir
de
l'évolution temporelle d'au moins un écart E entre les signaux Ui (par
exemple, un
écart algébrique, un écart-type,...). En d'autres termes, un indicateur
anticipé d'effet
d'anode A peut être donné par un indicateur d'évolution temporelle B de la
fonction
de comparaison.
La demanderesse a observé que, de manière inattendue, une grande partie des
effets
d'anode s'amorçaient longtemps (jusqu'à plusieurs dizaines de minutes) avant
l'arrivée effective de l'effet d'anode et que cette amorce correspondait à un
dëbut de
polarisation qui se traduisent par une modification de la répartition de la
tension
électrique dans la cellule, notamment au voisinage de l'anode susceptible
d'être
polarisée. Elle a également constaté que des mesures de tension en au moins
deux
endroits distincts d'une cellule d'électrolyse permettaient de détecter de
manière
fiable et anticipée l'amorçage d'un effet d'anode.
Les mesures de tension électrique présentent l'avantage d'être économiques et
automatisables.
CA 02468737 2004-05-28
WO 03/048426 PCT/FR02/04163
S
L'invention a également pour objet un procédé de régulation d'une cellule
d'électrolyse en sel fondu pour la production d'aluminium comprenant le
procédé de
détection anticipée d'effet d'anode selon l'invention.
L'invention a également pour objet un dispositif de détection anticipée des
effets
d'anode dans une cellule de production d'aluminium par électrolyse en sel
fondu,
apte à mettre en oeuvre le procédé de détection selon l'invention, comprenant
au
moins un premier moyen pour mesurer un premier signal de tension électrique U1
sur ladite cellule, au moins un deuxième moyen pour mesurer au moins un
deuxième
signal de tension électrique U2 sur ladite cellule, et au moins un moyen pour
déterminer un indicateur d'effet d'anode A à partir d'une analyse desdits
signaux de
tension électrique Ul, U2,...., typiquement à partir d'une comparaison de ceux-
ci et,
éventuellement, à partir d'une quantification des évolutions temporelles des
écarts
entre ceux-ci.
L'invention a également pour objet une cellule d'électrolyse et un système de
régulation d'une cellule d'électrolyse en sel fondu pour la production
d'aluminium
comprenant un dispositif de détection anticipëe d'effet d'anode selon
l'invention.
Figures
La figure 1 représente, en coupe transversale, une cellule d'électrolyse
typique
utilisant des anodes précuites en matériau carboné.
La figure 2 illustre une méthode de mesure de la tension aux bornes d'une cuve
d'électrolyse selon l'invention.
La figure 3 illustre schématiquement un dispositif de détection anticipée d'
effet
d' anode selon l' invention
La figure 4 illustre schématiquement une partie d'un dispositif de détection
anticipée
d' effet d' anode selon l' invention.
CA 02468737 2004-05-28
WO 03/048426 PCT/FR02/04163
6
Les figures 5 et 6 montrent des signaux de .tension et de courant mesurés
selon
l'invention sur une cellule d'électrolyse.
Description détaillée de l'invention
L'invention s'applique avantageusement à une cellule d'électrolyse (1) pour la
production d'aluminium par réduction électrolytique de l'alumine dissoute dans
un
bain d'électrolyte (15) à base de cryolithe, notamment par le procédé
d'électrolyse
Hall-Héroult.
Tel qu'illustré à la figure 1, une cellule d'électrolyse (1) pour la
production
d'aluminium par le procédé d'ëlectrolyse Hall-Héroult comprend typiquement une
cuve (20), au moins une anode (13), au moins une cathode (5) et des moyens
d'alimentation en alumine (18). La cuve (20) comporte des parois latérales
internes
(3) et est apte à contenir un bain d'électrolyte liquide (15). La cellule (1)
est apte à
faire circuler dans ledit bain un courant dit d' électrolyse ayant une
intensité I.
L' aluminium produit par ladite réduction forme normalement une nappe dite «
nappe
de métal liquide » (16). sur la ou les cathodes (5). Les anodes (13) sont
typiquement
supportées par les moyens de fixation (11, 12) à un cadre anodique (10), qui
peut être
mobile. La cuve (20) comprend normalement un caisson (2) en acier, des
éléments de
revêtement intérieur (3) et éléments cathodiques (5, 6), qui comprennent des
barres
de raccordement (ou barre cathodique) (6) auxquelles sont fixés les
conducteurs
électriques (7, 8) servant à l'acheminement du courant d'électrolyse.
Plusieurs cellules d'électrolyse sont gënéralement disposées en série. Un
courant dit
« d'électrolyse » (dont l'intensité totale est Io) circule dans les cellules
et se répartit
dans celles-ci. Le courant d'électrolyse transite dans le bain d'électrolyte
(15) par
l'intermédiaire de la ou des anodes (13) et de la ou des cathodes (5). Il
transite d'une
cellule d'électrolyse à la suivante par l'intermédiaire des conducteurs de
liaison (7 à
12), et plus précisément par l'intermédiaire des conducteurs de liaison
cathodiques
CA 02468737 2004-05-28
WO 03/048426 PCT/FR02/04163
(6, 7, 8) d'une cuve, dite amont, et des conducteurs de liaison anodiques (9,
10, 11,
12) de la cuve suivante, dite aval.
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 (15), est en général régulée indépendamment.
Les
moyens d'alimentation (18) incluent typiquement des piqueurs-doseurs (19)
aptes à
percer la croûte d'alumine (14) et à introduire une dose d'alumine dans
l'ouverture
(19a) formée dans la croûte d'alumine par perçage.
L'aluminium métal (16) qui est produit au cours de l'électrolyse s'accumule
normalement au fond de la cuve et il s'établit une interface assez nette entre
le métal
liquide (16) et le bain à base de cryolithe fondue (15). 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 cuve et elle s'abaisse lorsque du métal
liquide est
extrait de la cuve.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le procédé de détection
anticipée
d'un effet d'anode dans une cellule (1) de production d'aluminium par
électrolyse en
sel fondu est caractérisé en ce qu'il comprend
- la mesure d'un premier signal de tension électrique U1 entre un premier
point de
mesure cathodique (301 à 304) sur un conducteur de liaison cathodique (6, 7,
8) et un
premier point de mesure anodique (311 à 314) sur un conducteur de liaison
anodique
(9, 10, 11, 12) ;
- la mesure d'au moins un deuxième signal de tension électrique U2 entre un
deuxième point de mesure cathodique (301 à 304) sur un conducteur de liaison
cathodique (6, 7, 8) et un deuxième point de mesure anodique (311 à 314) sur
un
conducteur de liaison anodique (9, 10, 11, 12), au moins un de ces deuxièmes
points
de mesure étant distinct desdits premiers points de mesure ;
- la détermination de la valeur d'au moins une fonction de comparaison des
signaux
F(Ul, U2,...) sur une période de temps T déterminée ;
CA 02468737 2004-05-28
WO 03/048426 PCT/FR02/04163
8
- la détermination de la valeur d' au moins un indicateur de risque d'
apparition d'un
effet d'anode A à partir de la ou desdites fonctions de comparaison.
La période de temps déterminée T, qui est un paramètre variable du procédé
selon
l'invention, peut être nulle ou quasiment nulle (par exemple, elle peut être
égale à
une période d'échantillonnage Te = 1/Fe). Il a été trouvé avantageux
d'utiliser une
période T suffisamment grande pour éliminer les fluctuations aléatoires des
tensions
Ui.
Il est avantageux de prévoir la mesure de plusieurs signaux de tension
électrique
distincts Ul, U2, U3,... , tel qu'illustré à la figure 3. En d'autres termes,
le procédé de
détection selon l'invention comporte la mesure de N signaux de tension
électrique
Ui, N étant avantageusement supérieur à 2. L'utilisation de plusieurs signaux
permet
d' augmenter la fiabilité de la détection anticipée et de localiser plus
précisément la
zone de la cuve qui est susceptible de conduire à un effet d'anode. De cette
façon, un
traitement préventif de l'effet d'anode pourrait comprendre, par exemple, une
modification locale de l' alimentation en alumine (typiquement dans la zone
détectée
par les mesures).
Dans le procédé de détection selon l'invention, lesdits signaux de tension
électrique
Ui (c'est-à-dire Ul, U2, U3,... , Un) sont normalement mesurés en fonction du
temps.
Ils sont typiquement mesurés de manière analogique puis convertis en signaux
numériques pour leur traitement.
La fonction de comparaison F(U1, U2,...) peut être donnée par une fonction
équivalente F'(TU1, TU2,...) qui utilise comme arguments des signaux
prétraités
TU1, TU2,...., c'est-à-dire les signaux TU1, TU2,.... issus d'un pré-
traitement des
signaux U1, U2,... Typiquement, le pré-traitement comporte un échantillonnage,
à
une fréquence déterminée Fe, des signaux réels U1, U2,..., et éventuellement
une (ou
plusieurs) opérations) de traitement supplémentaires) d'au moins un des
signaux.
Ces opérations sont typiquement choisies parmi les opérations de filtration
fréquentielle (passe-bas, passe-bande ou autre), les sous-échantillonnages, le
calcul
CA 02468737 2004-05-28
WO 03/048426 PCT/FR02/04163
9
d'au moins une moyenne (telles qu'une moyenne RMS (Root Mean Square),
éventuellement glissante, qui peut être calculée à l'aide de la relation Urms
= ~(~
(LJi(j) - Ur)2 / m), où Ui(j) est une valeur de la tension Ui au temps j, Ur
est une
valeur de référence, éventuellement nulle, et m le nombre de termes de la
somme ; la
même relation peut être utilisée pour le calcul d'une moyenne TUrms sur les
signaux
prétraités TUi) et les opérations mathématiques connues (telles que le calcul
d'une
différence entre chaque signal Ui ou signal prétraité TUi et une valeur de
référence
Uo, qui peut être une moyenne Um des signaux Ui ou des signaux prétraités
TUi).
Ces opérations peuvent être combinées. Un filtre passe-bas anti-repliement est
avantageusement inclus dans le pré-traitement. Les signaux peuvent être
traités de
manière analogique et/ou numérique. Il est également possible que seuls
certains
signaux Ui soient prétraités.
L'opération de filtration fréquentielle peut être de différents types. Il a
été trouvé
avantageux d'utiliser un filtre de type passe-bas. La fréquence de coupure de
ce filtre
est avantageusement comprise entre 0,001 et 1 Hz.
Il a également été trouvé avantageux d'utiliser un filtre de type passe-bande.
Les
fréquences de coupure basse et haute du filtre fréquentiel de type passe-bande
sont
~0 respectivement avantageusement comprises entre 0,001 et 1 Hz et entre 1 et
10 Hz
(typiquement 0,5 et 5 Hz).
Dans un mode de réalisation de cette variante, le pré-traitement comprend deux
filtrations fréquentielles, l'une de type passe-bas (avec une fréquence de
coupure
typiquement égale à 0,5 Hz environ) qui donne un premier signal prétraité TUi,
l'autre de type passe-bande (avec une frëquence de coupure basse typiquement
égale
à 0,5 Hz environ et une fréquence de coupure haute typiquement égale à 5 Hz
environ) qui donne un deuxième signal prétraité TUi'. Dans ce mode de
réalisation,
le procédé comporte deux fonctions de comparaison F, l'une portant sur les
signaux
TUi, l'autre portant sur les signaux TUi'.
CA 02468737 2004-05-28
WO 03/048426 PCT/FR02/04163
Dans un autre mode de réalisation de cette variante, le pré-traitement
comprend trois
filtrations fréquentielles : une première de type passe-bas (avec une
fréquence de
coupure typiquement égale à 0,003 Hz environ) qui donne un premier signal
prétraité
TUi, une deuxième de type passe-bande (avec une fréquence de coupure basse
5 typiquement égale à 0,003 Hz environ et une fréquence de coupure haute
typiquement égale à 0,5 Hz environ) qui donne un deuxième signal prétraité
TUi', et
une troisième de type passe-bande (avec une fréquence de coupure basse
typiquement égale à 0,5 Hz environ et une fréquence de coupure haute
typiquement
égale à 5 Hz environ) qui donne un troisième signal prétraité TUi". Dans ce
mode de
10 réalisation, le procédé comporte trois fonctions de comparaison F, la
première
portant sur les signaux TUi, la deuxième portant sur les signaux TUi' et la
troisième
portant sur les signaux TUi".
Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, ladite au moins une
fonction
de comparaison F(U1, U2,...) (ou éventuellement F'(TUl, TU2,...)) est donnée
par un
écart E entre lesdits signaux (U1, U2, U3,....) ou entre les signaux
prétraités (TU1,
TU2,...). En particulier, la fonction de comparaison F(Ul, U2,...) peut être
donnée
par un écart E entre au moins deux signaux de tension Ul, U2,.... ou entre au
moins
deux signaux de tension prétraités TU1, TU2,.... L'écart E peut étre donné par
un
ëcart algébrique entre les signaux Ui ou signaux prétraités TUi, par exemple
par la
différence la plus grande entre tous les signaux Ui ou signaux prétraités TUi
(typiquement la différence entre les signaux les plus séparés, à un temps
donné, ou
sur une période de temps donnée). L'écart E peut également être donné par un
écart-
type entre les signaux Ui ou signaux prétraités TUi.
Au moins un indicateur anticipé d'effet d'anode A peut être égal à une
fonction de
comparaison F(U1, U2,...) ou F'(TU1, TU2,...).
La valeur d'au moins un indicateur de risque d'apparition d'un effet d'anode A
peut
également être déterminée à partir des évolutions temporelles de la ou
desdites
fonctions de comparaison F ou F'. Ces évolutions peuvent être données par un
indicateur d'évolution temporelle B d'une fonction de comparaison F(Ul,
U2,...) ou
CA 02468737 2004-05-28
WO 03/048426 PCT/FR02/04163
11
F'(TU1, TU2,...). Dans une variante simplifiée de ce mode de réalisation, la
fonction
de comparaison F(LTl, U2,...) est donnée par un écart E entre au moins deux
signaux
de tension Ul, U2,.... ou entre au moins deux signaux de tension prétraités
TUl,
TU2,...., et l'indicateur d'évolution B peut être proportionnel à la
différence entre la
valeur E(t) d'un écart E au temps t et sa valeur E(t - to) au temps t - to, où
to est un
paramètre ajustable.
L'indicateur A peut signaler un risque fort d'apparition d'un effet d'anode
lorsque sa
valeur est supérieure à une valeur seuil S donnée. Typiquement, le procédé
signale ce
risque fort lorsque la valeur d'un écart E (et plus généralement E(t)) est
supérieure à
une valeur seuil Se donnée ou lorsque l'évolution de la valeur de la fonction
de
comparaison F ou F' est supérieure à une valeur seuil St donnée.
Dans une variante avantageuse de l'invention, le procédé de détection comprend
en
outre une opération test apte à révéler la susceptibilité d'une cellule
d'électrolyse au
dëclenchement d'un effet d'anode. Cette opération test comporte typiquement
une
diminution temporaire du taux d'alimentation de la cellule en alumine
(correspondant à une sous-alimentation en alumine), cette diminution étant
typiquement comprise entre 20 et 100 % du taux d'alimentation moyen (100
correspondant à l'arrêt de l'alimentation en alumine). Par exemple, les essais
de la
demanderesse ont montré qu'une diminution temporaire du taux d'alimentation de
la
cellule en alumine, voire un arrêt temporaire de cette alimentation, pouvait
augmenter de manière significative l'étalement des tensions Ui ou tensions
prétraitées TUi lorsque la cellule était dans un ëtat de risque élevé vis-à-
vis de
l'apparition d'un effet d'anode.
Le procédé de régulation selon l'invention comprend avantageusement une
opération
de traitement préventif des effets d'anodes apte à supprimer les effets
d'anode qui
sont détectés de manière anticipée, qui peut être activée lorsqu'un effet
d'anode a été
détecté de manière anticipée. Cette opération est normalement déclenchée en
fonction de la valeur de la fonction F (ou F'), typiquement lorsqu'un écart
entre au
moins deux signaux Ui ou entre au moins deux signaux prétraités TUi excède un
CA 02468737 2004-05-28
WO 03/048426 PCT/FR02/04163
12
seuil donné Se, ou lorsque l'évolution temporelle de cet écart excède un seuil
donné
St.
Le traitement préventif comprend typiquement une modification de la position
de la
ou des anodes par rapport à la ou les cathodes, une sur-alimentation en
alumine par
rapport au taux d'alimentation normal, ou une combinaison de ces opérations.
Le procédé de régulation tient avantageusement compte des opérations
d'exploitation
qui sont susceptibles de donner des valeurs perturbées pour la fonction F (ou
F'), et
donc pour le ou les indicateurs A, telles que les changements d'anode.
Afin de permettre le traitement préventif d'un effet d'anode, la cellule (1)
comprend
avantageusement au moins un moyen de réglage tel qu'un cadre anodique mobile
(10) auquel est fixée la ou les anodes (13) ou un moyen de contrôle des moyens
d'alimentation en alumine (18, 19).
De manière avantageuse, le procédé de régulation comprend en outre
- la mesure d'au moins un signal de tension UA sur au moins une cellule située
en
amont et/ou en aval ;
- la comparaison entre le signal (ou les signaux) UA et les signaux U1, U2,...
(ou les
signaux prétraités TU1, TU2,...) de manière à retrancher des signaux U1,
U2,... ou
des signaux prétraités TUl, TU2,... les fluctuations (ou « bruit ») provenant
des
cellules voisines, et éventuellement de l'ensemble de la série de cellules
d'électrolyse.
Selon une autre variante de l'invention, le procédé de régulation comprend en
outre
- la mesure d'au moins un signal d'intensité I d'un courant d'électrolyse ;
- la comparaison entre le signal (ou les signaux) I et les signaux Ul, U2,...
(ou les
signaux prétraités TUl, TU2,...) de manière à retrancher des signaux Ul,
U2,... ou
des signaux prétraités TU1, TU2,... les fluctuations (ou « bruit ») communes à
l'ensemble des cellules d'électrolyse.
CA 02468737 2004-05-28
WO 03/048426 PCT/FR02/04163
13
L'intensité I est typiquement l'intensité totale Io circulant dans les
cellules. Il est
également possible d'utiliser l'intensité I d'autres courants circulant dans
une série
de cellules d'électrolyse, tels que le courant circulant dans une anode, dans
un
conducteur de liaison ou dans une barre cathodique.
Cette variante de l'invention permet notamment de réduire le rapport dit «
signal /
bruit ».
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif de
détection anticipé
d'un effet d'anode dans une cellule de production d'aluminium par électrolyse
en sel
fondu est caractérisé en ce qu'il comprend
- au moins un premier moyen (321 à 344) pour mesurer un premier signal de
tension
électrique U1 entre un premier point de mesure cathodique (301 à 304) sur un
conducteur de liaison cathodique (6, 7, 8) et un premier point de mesure
anodique
(311 à 314) sur un conducteur de liaison anodique (9, 10, 11, 12) ;
- au moins un deuxième moyen (321 à 344) pour mesurer un deuxième signal de
tension électrique U2 entre un deuxième point de mesure cathodique (301 à 304)
sur
un conducteur de liaison cathodique (6, 7, 8) et un deuxième point de mesure
anodique (311 à 314) sur un conducteur de liaison anodique (9, 10, 11, 12), au
moins
un de ces deuxièmes points de mesure ëtant distinct desdits premiers points de
mesure ;
- au moins un moyen (351-354, 40) pour déterminer la valeur d'au moins une
fonction de comparaison des signaux F(U1, U2,...), ou F'(TU1, TU2,...), sur
une
période de temps T déterminée ;
- au moins un moyen (50) pour déterminer la valeur d'au moins un indicateur de
risque d'apparition d'un effet d'anode A à partir du ou des fonctions F ou F'.
Le dispositif peut également comprendre un moyen pour déterminer la valeur
d'au
moins un indicateur de risque d'apparition d'un effet d'anode A à partir des
évolutions temporelles de la ou desdites fonctions de comparaison F ou F'.
CA 02468737 2004-05-28
WO 03/048426 PCT/FR02/04163
14
Les moyens de mesure des signaux de tension électrique U1, U2, ... comprennent
avantageusement des conducteurs électriques (32, 321, 322, 323, 324, ..., 33,
331,
332, 334, ...) - typiquement sous forme de fils ou de câbles - dont une
extrémité est
raccordée à un point de mesure (30, 301, 302, 303, 304, ..., 31, 311, 312,
313, 314,...)
sur la cellule et une autre extrémité est raccordée à un moyen de mesure de la
tension
(34, 341, 342, 343,...), tel qu'un voltmètre. Les points de mesure (30, 301,
..., 31,
311,...) de la tension électrique peuvent être réalisés par tout moyen connu,
tels que
par visserie, encochage, etc.
Certains moyens de mesure de la tension (30, 31, 32, 33, 34, ...) peuvent être
fixés à
demeure sur la cellule. Ils sont avantageusement installés sur les parties
fixes de la
cellule, telles que les conducteurs fixes (7, 8, 9, 10), ce qui, en
particulier, permet
d' éviter les interruptions de mesure et la réinstallation des moyens de
mesure lors des
changements d' anode.
Lesdits signaux de tension électrique U1, U2, U3,... sont avantageusement
mesurés
entre un collecteur (8) et une montée (9), de préférence dans la partie basse
(9a) de la
dite montée (tel qu'illustré à la figure 2), ce qui permet notamment de
simplifier le
câblage (32, 321, 322, ..., 33, 331, ...) et de faciliter l'accès aux points
de mesure (30,
301, ..., 31, 31 l, ...).
Les signaux S (S1, S2, ...) générés par les moyens de mesures (34, 341,
342,...), qui
sont équivalents aux signaux de tensions Ul, U2,..., sont transmis à un
analyseur ou
un comparateur (40) par des moyens de transmission (35, 351, 352, 352,
354,...) tels
que des conducteurs électriques, des ondes radio, des moyens optiques ou tout
autre
moyen.
Les moyens (351-354, 40) pour évaluer au moins une fonction de comparaison F
(ou
F') desdits signaux de tension Ui comportent avantageusement au moins un moyen
de pré-traitement (401-404) pour pré-traiter au moins un des signaux Ui ou
signaux
équivalents Si. Le moyen pour pré-traiter comprend typiquement au moins un
filtre
fréquentiel, et avantageusement un filtre passe-bas ou passe-bande. Le moyen
pour
CA 02468737 2004-05-28
WO 03/048426 PCT/FR02/04163
pré-traiter peut aussi être un moyen pour échantillonner, à une fréquence
déterminée
Fe, les signaux U1, U2,.... En pratique, il peut comprendre également un ou
plusieurs
éléments typiquement choisis parmi les convertisseurs analogue/digital (CAN),
les
amplificateurs (G), les filtres fréquentiels (passe-bas, passe-bande ou
autre), les sous-
5 échantillonneurs, les moyens pour calculer une moyenne sur un signal (de
type RMS
ou autre), les moyens pour calculer une moyenne Um d'au moins un signal Ui ou
de
plusieurs signaux Ui, et les opérateurs mathématiques connus (tels que les
moyens
pour effectuer la soustraction d'une valeur de référence Uo, et plus
précisément pour
calculer une différence entre chaque signal Ul, U2,... ou signal prétraité
TUl, TU2,...
10 et une valeur de référence Uo, Uo étant typiquement une moyenne Um).
Lorsque le
dispositif comprend un filtre passe-bas, la fréquence de coupure du filtre
passe-bas
est typiquement comprise entre 0,001 et 1 Hz. Lorsque le dispositif comprend
un
filtre passe-bande, les fréquences de coupure basse et haute du filtre passe-
bande sont
typiquement respectivement comprises entre 0,001 et 1 Hz et entre 1 et 10 Hz.
Le
15 dispositif peut aussi comprendre un moyen pour déterminer une valeur
moyenne Um
des signaux Ul, U2,... ou des signaux prétraités TUl, TU2,...
Le dispositif peut comprendre un moyen (40, 411) pour déterminer un écart E
(et
plus généralement E(t)) (tel qu'un écart algébrique, un écart-type,...) entre
au moins
deux signaux de tension U1, U2,.... ou entre au moins deux signaux de tension
prétraités TU 1, TU2,
Le dispositif peut également comprendre un moyen pour déterminer une ëvolution
temporelle d'au moins une fonction de comparaison des signaux F(U1, U2,...) ou
F'(TU1, TU2,...), tel que l'évolution temporelle d'un écart E (et plus
précisément
E(t)) entre au moins deux signaux de tension U1, U2,.... ou entre au moins
deux
signaux de tension prétraités TUl, TU2,....
Les moyens pour ëvaluer une fonction F (ou F') (40, 401, ..., 404, 411) et
pour
déterminer un indicateur d'effet d'anode A (50) peuvent avantageusement être
regroupés en un seul, typiquement à l'aide d'un circuit électronique et/ou
informatique commun.
CA 02468737 2004-05-28
WO 03/048426 PCT/FR02/04163
16
De manière avantageuse, le système de régulation d'une cellule d'électrolyse
selon
l'invention comprend en outre
- un moyen pour mesurer au moins un signal de tension UA sur au moins une
cellule
située en amont et/ou en aval ;
- un moyen pour comparer le signal (ou les signaux) UA et les signaux Ul,
U2,... (ou
signaux prétraités TU1, TU2,...) de manière à retrancher de ces signaux les
fluctuations (ou « bruit ») provenant des cellules voisines, et éventuellement
de
l'ensemble de la série de cellules d'électrolyse.
Selon une autre variante de l'invention, le système de régulation comprend en
outre
- un moyen pour mesurer au moins un signal d'intensité I d'un courant
d'électrolyse
(typiquement l'intensité totale Io circulant dans les cellules) ;
- un moyen pour comparer le signal (ou les signaux) I et les signaux Ul,
U2,... (ou
les signaux prétraités TU1, TU2,...) de manière à retrancher de ces signaux
les
fluctuations (ou « bruit ») communes à l'ensemble des cellules d'électrolyse.
Exemples
Les mesures de tension électrique et de courant ont été effectuées sur une
cuve
d'électrolyse dans laquelle circulait un courant d'une intensité totale de 500
1cA
environ. Les mesures se sont étalées sur plusieurs semaines. Six signaux de
tension
Ui ont été mesurés à 6 endroits différents de la cuve, entre des points de
mesure
anodiques et des points de mesure cathodiques distincts. Le courant circulant
dans 6
anodes distinctes a également été mesuré en fonction du temps.
Les figures 5 et 6 montrent les résultats obtenus pendant une période de 24
heures
durant laquelle un effet d' anode (noté EA) a étë observé. La figure 5
correspond aux
signaux de courant Ii (graphique A) et de tension Ui (graphique B), en
fonction du
temps t, numérisés et prétraités à l'aide d'un filtre passe-bas dont la
fréquence de
coupure était de 0,5 Hz. La figure 6 correspond aux mêmes signaux numérisés,
mais
prétraités à l'aide d'un filtre passe-bande dont les fréquences de coupure
étaient de
CA 02468737 2004-05-28
WO 03/048426 PCT/FR02/04163
17
0,5 Hz et 5 Hz. Dans les deux figures, le graphique C donne l'écart entre
chaque
signal de tension Ui filtré et la moyenne Um des 6 signaux de tension filtrés.
Les
lettres CA identifient le moment où une anode a été changée.
Plusieurs dizaines de minutes avant un effet d'anode (noté EA dans les
figures), on a
constaté une augmentation progressive de l'étalement des signaux (en
particulier des
signaux filtrés en passe-bas). Une ou quelques anodes commençaient à se
polariser
partiellement, les zones de polarisation progressant relativement lentement.
La figure 5 montre que l'étalement des signaux filtrés en passe-bas augmentait
progressivement avant les événements de polarisation. En particulier,
l'étalement a
augmenté de manière significative (passant de 9 mV à plus de 30 mV) à partir
de 90
minutes avant la forte polarisation observée après l'arrêt temporaire de
l'alimentation
en alumine (noté SA dans la figure 5). De manière similaire, l'étalement a
augmenté
de manière significative (passant de 7,5 mV à 12 mV) à partir de 30 minutes
avant
l'effet d'anode noté EA dans la figure 5. La fonction de comparaison pourrait
alors
être donnée par le plus grand écart entre deux signaux Ui - Um.
On a également observé une augmentation de l'étalement des signaux lors d'un
changement d'anode (noté CA dans la figure 5). Dans ce cas, l'augmentation a
été
immédiate (passant rapidement de 8,5 mV à 15 mV). Ces observations peuvent
être
utilisées pour corriger les indicateurs de risque d'effet d'anode de manière à
s'affranchir des perturbations connues et en particulier de celles liées aux
opérations
sur cuve ou à certaines procédures spécifiques de régulation.
30
La figure 6 permet de faire un autre diagnostic sur le comportement des
signaux
filtrés en passe-bande. On a ëgalement constaté une augmentation de
l'étalement (qui
était passë de 0,2 mV à plus de 0,4 mV dans ce cas) dans les situations de
risque
d' effet d' anode.
La combinaison de ces informations peut être utilisée pour élaborer dés
indicateurs
de risque d'effet d'anode synthétiques qui permettent de détecter de façon
anticipée
CA 02468737 2004-05-28
WO 03/048426 PCT/FR02/04163
18
les effets d'anode avec une grande fiabilité et de mettre en oeuvre des
traitements
aptes à les éviter.
Liste des repères numériques
(1) cellule d'électrolyse
(2) caisson
(3) revêtement intérieur (paroi latérale interne)
(4) revêtement intérieur (briques réfractaires)
(5) cathode
(6) barre de raccordement ou barre cathodique
(7) conducteur de liaison cathodique
(8) conducteur de liaison cathodique (collecteur)
(9) conducteur de liaison anodique (montée)
(9a) partie basse d'une montée
(10) cadre anodique
(11) moyen de support et de fixation d'une anode (tige d'anode)
(12) moyen de support d'une anode
(13) anode
(14) couverture (ou croûte) d'alumine
(15) bain d'électrolyte
(16) nappe de métal liquide
(17) couche de bain solidifié
(18) moyen d'alimentation en alumine
(19) piqueur-doseur
( 19a) ouverture dans la croûte d' alumine
(20) cuve
(30) (301) (302) ... (31) (311) (312) ... points de mesure d'une tension
électrique
(32) (321) (322) (323) ... (33) (331) (332) (333)... conducteur électrique
(34) (341) (342) (343) ... moyen de mesure de la tension électrique
(35) (351) (352) (353) ... moyen de transmission
(40, 401, ..., 404, 411) moyens pour évaluer une. fonction de comparaison F
CA 02468737 2004-05-28
WO 03/048426 PCT/FR02/04163
19
(50) moyen pour déterminer un indicateur d'effet d'anode A
