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Aluminerie et procédé de compensation d'un champ magnétique créé par la
circulation du courant d'électrolyse de cette aluminerie
La présente invention concerne une aluminerie, destinée à la production
d'aluminium par
électrolyse, et un procédé de compensation des composantes verticale et
horizontales
d'un champ magnétique généré par la circulation d'un courant d'électrolyse
dans cette
aluminerie.
Il est connu de produire l'aluminium industriellement à partir d'alumine par
électrolyse
selon le procédé de Hall-Héroult. A cet effet, on prévoit une cuve
d'électrolyse
comprenant un caisson en acier à l'intérieur duquel est agencé un revêtement
en
matériaux réfractaires, une cathode en matériau carboné, traversée par des
conducteurs
cathodiques destinés à collecter le courant d'électrolyse à la cathode pour le
conduire
jusqu'à des sorties cathodiques traversant le fond ou les côtés du caisson,
des
conducteurs d'acheminement s'étendant sensiblement horizontalement jusqu'à la
cuve
suivante depuis les sorties cathodiques, un bain électrolytique dans lequel
est dissout
l'alumine, au moins un ensemble anodique comportant au moins une anode plongée
dans
ce bain électrolytique, un cadre anodique auquel est suspendu l'ensemble
anodique, et
des conducteurs de montée du courant d'électrolyse, s'étendant de bas en haut,
reliés
aux conducteurs d'acheminement de la cuve d'électrolyse précédente pour
acheminer le
courant d'électrolyse depuis les sorties cathodiques jusqu'au cadre anodique
et à
l'ensemble anodique et l'anode de la cuve suivante. Les anodes sont plus
particulièrement de type anodes précuites avec des blocs carbonés précuits,
c'est-à-dire
cuits avant introduction dans la cuve d'électrolyse.
Les usines de production d'aluminium, ou alumineries, comprennent
traditionnellement
plusieurs centaines de cuves d'électrolyse, alignées transversalement en files
parallèles
et connectées en série.
Ces cuves d'électrolyse sont parcourues par un courant d'électrolyse de
l'ordre de
plusieurs centaines de milliers d'Ampères, ce qui crée un champ magnétique
important.
La composante verticale de ce champ magnétique, générée principalement par les
conducteurs d'acheminement conduisant le courant d'une cuve d'électrolyse à la
suivante, est connue pour provoquer des instabilités appelées instabilités
magnétohydrodynamiques (MHD).
Ces instabilités MHD sont connues pour dégrader le rendement du procédé. Plus
une
cuve est instable, plus la distance interpolaire entre l'anode et la nappe de
métal doit être
élevée. Or, plus la distance interpolaire est importante, plus la consommation
énergétique
du procédé est élevée car dissipée par effet Joule dans l'espace interpolaire.
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D'autre part, les composantes horizontales du champ magnétique, générées par
l'ensemble du parcours du courant électrique, aussi bien dans les conducteurs
situés à
l'intérieur de la cuve que ceux situés à l'extérieur, interagissent avec le
courant électrique
traversant les liquides, ce qui engendre une déformation stationnaire de la
nappe de
métal. La dénivellation de la nappe de métal occasionnée doit rester
suffisamment faible
pour que les anodes soient consommées de façon uniforme avec peu de déchet.
Pour
obtenir une faible dénivellation, il est nécessaire que les composantes
horizontales du
champ magnétique soient le plus antisymétrique possible dans les liquides
(bain
électrolytique et nappe de métal). Pour les composantes longitudinale et
transversale du
champ magnétique qui constituent les composantes horizontales, par
antisymétrique on
entend que lorsque l'on se déplace perpendiculairement à l'axe central de la
cuve,
parallèle à la composante considérée du champ, et lorsque l'on se situe à
égale distance
de part et d'autre de cet axe central, la valeur de la composante considérée
est opposée.
L'antisymétrie des composantes horizontales du champ magnétique est la
configuration
fournissant la déformée d'interface la plus symétrique et la plus plate
possible dans la
cuve.
Il est connu, notamment des documents de brevet FR1079131 et FR2469475, de
lutter
contre les instabilités MHD en compensant le champ magnétique créé par la
circulation
du courant d'électrolyse, grâce à une disposition particulière des conducteurs
conduisant
le courant d'électrolyse. Par exemple, selon le document de brevet FF12469475,
les
conducteurs d'acheminement contournent latéralement les extrémités ou têtes de
chaque
cuve d'électrolyse. On parle d'auto-compensation. Ce principe repose sur un
équilibrage
local du champ magnétique, à l'échelle d'une cuve d'électrolyse.
L'avantage principal de l'auto-compensation réside dans l'utilisation du
courant
d'électrolyse lui-même pour compenser les instabilités MHD.
Cependant, l'auto-compensation peut créer un encombrement latéral important
puisque
les conducteurs électriques contournent les têtes de cuves d'électrolyse.
Surtout, la longueur importante des conducteurs d'acheminement pour la mise en
oeuvre
de cette solution génère de la perte électrique en ligne par effet résistif
des conducteurs,
donc une augmentation des coûts de fonctionnement, et nécessite beaucoup de
matière
première, donc des coûts de fabrication élevés. Ces inconvénients sont
d'autant plus
marqués que les cuves d'électrolyse ont des dimensions importantes et
fonctionnent avec
des intensités importantes.
Aussi, la conception d'une aluminerie avec un circuit électrique auto-compensé
est figée.
Or, en cours de vie, il peut devenir nécessaire d'augmenter l'intensité du
courant
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d'électrolyse, au-delà de l'intensité prévue lors de la conception. Cela
modifie aussi de fait
la répartition du champ magnétique du circuit électrique auto-compensé, non
conçu pour
cette répartition nouvelle, qui ne permet plus de compenser de façon optimale
ce champ
magnétique. Il existe des solutions pour pallier ce manque d'évolutivité et
retrouver une
compensation magnétique proche de l'optimum, mais ces solutions sont
particulièrement
complexes et coûteuses à mettre en oeuvre.
Une autre solution pour diminuer les instabilités MHD, connue notamment du
document
de brevet FR2425482, consiste à utiliser un circuit électrique secondaire, ou
boucle
externe, longeant les files de cuves d'électrolyse, sur les côtés. Ce circuit
électrique
secondaire est parcouru par un courant dont l'intensité égale un pourcentage
prédéterminé de l'intensité du courant d'électrolyse. Ainsi, la boucle externe
génère un
champ magnétique compensant les effets du champ magnétique créé par le courant
d'électrolyse de la file voisine de cuves d'électrolyse.
Il est également connu du document de brevet EP0204647 l'utilisation d'un
circuit
secondaire longeant les files de cuves d'électrolyse sur les côtés pour
réduire l'effet du
champ magnétique généré par les conducteurs d'acheminement, l'intensité du
courant
parcourant les conducteurs électriques de ce circuit secondaire étant de
l'ordre de 5 à
80% de l'intensité du courant d'électrolyse, et ce courant circulant dans le
même sens que
le courant d'électrolyse.
La solution de compensation par boucle externe présente l'avantage de disposer
d'un
circuit secondaire indépendant du circuit principal parcouru par le courant
d'électrolyse.
L'agencement du circuit secondaire, situé sur les côtés des files de cuve à
proximité des
petits côtés des caissons, à la hauteur de l'interface bain-métal, permet une
compensation de la composante verticale sans impacter les composantes
horizontales du
champ magnétique.
La solution de compensation par boucle externe diminue de manière importante
la
longueur, la masse et les pertes électriques des conducteurs d'acheminement,
mais
nécessite une station d'alimentation électrique supplémentaire et un circuit
électrique
secondaire indépendant supplémentaire.
On notera également que la solution de compensation par boucle externe
implique un
cumul de champs magnétiques, avec le courant de la série, gréant un champ
ambiant
total très fort, si bien que cela implique des contraintes sur les opérations
et le matériel
(par exemple blindage nécessaire des véhicules), et si bien que le champ
magnétique
d'une file impacte la stabilité des cuves de la file voisine. Pour limiter
l'influence d'une file
sur la file voisine, il est nécessaire de les éloigner l'une de l'autre, ce
qui constitue une
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contrainte spatiale importante et implique par conséquent d'abriter chaque
file de cuves
d'électrolyse dans un hangar distinct.
Par ailleurs, la portion de jonction du circuit d'électrolyse et du circuit
secondaire joignant
les extrémités de deux files adjacentes de cuves d'électrolyse tend à
déstabiliser les
cuves de fin de file. Pour éviter d'avoir des cuves de fin de file instables,
il est possible de
configurer cette portion du circuit secondaire selon un parcours prédéterminé,
comme
cela est connu du brevet FR2868436, afin de corriger le champ magnétique pour
que
l'impact sur les cuves de bout de file devienne acceptable. Cependant, ce
parcours
rallonge notamment la longueur du circuit secondaire, donc le coût matière. Il
est à noter
que la solution usuelle consiste à éloigner la portion de jonction du circuit
secondaire et
du circuit d'électrolyse des cuves situées en extrémité de file, mais cela
augmente
l'encombrement en plus d'augmenter la longueur des conducteurs électriques
donc le
coût matière et énergétique.
On retiendra donc que les solutions connues de compensation par boucle externe
génèrent des coûts structurels relativement importants.
Aussi, la présente invention vise à pallier tout ou partie de ces
inconvénients en proposant
une aluminerie avec une configuration magnétique permettant d'avoir des cuves
très
stables magnétiquement, et offrant une compacité améliorée. La présente
invention vise
aussi un procédé de compensation d'un champ magnétique créé par la circulation
d'un
courant d'électrolyse dans cette aluminerie.
A cet effet, la présente invention a pour objet une aluminerie comprenant au
moins une
file de cuves d'électrolyse agencées transversalement par rapport à la
longueur de ladite
au moins une file, une des cuves d'électrolyse comprenant des ensembles
anodiques et
des conducteurs électriques de montée et de connexion aux ensembles anodiques,
caractérisée en ce que les conducteurs électriques de montée et de connexion
s'étendent
vers le haut le long de deux bords longitudinaux opposés de la cuve
d'électrolyse pour
conduire le courant d'électrolyse vers les ensembles anodiques, et en ce que
l'aluminerie
comprend
- au moins un premier circuit électrique de compensation s'étendant sous
les cuves
d'électrolyse, ledit au moins un premier circuit électrique de compensation
pouvant
être parcouru par un premier courant de compensation destiné à circuler sous
les
cuves d'électrolyse en sens inverse du sens de circulation global du courant
d'électrolyse,
- au moins un deuxième circuit électrique de compensation s'étendant sur au
moins un
côté de ladite au moins une file de cuves d'électrolyse, ledit au moins un
deuxième
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circuit électrique de compensation pouvant être parcouru par un deuxième
courant de
compensation destiné à circuler dans le même sens que le sens de circulation
global
du courant d'électrolyse.
Ainsi, l'aluminerie selon l'invention offre l'avantage de disposer de cuves
très stables
magnétiquement, car compensant à la fois les composantes horizontales et
verticale du
champ magnétique généré par la circulation du courant d'électrolyse, ce qui
permet
d'améliorer le rendement global, et cela sans impact négatif sur
l'encombrement de
l'aluminerie selon l'invention puisque le premier circuit électrique de
compensation s'étend
sous les cuves d'électrolyse.
Selon un mode de réalisation préféré, les conducteurs électriques de montée et
de
connexion comprennent des conducteurs électriques de montée et de connexion
amont,
adjacents au bord longitudinal amont de la cuve d'électrolyse, et des
conducteurs
électriques de montée et de connexion aval, adjacents au bord longitudinal
aval de la
cuve d'électrolyse, et l'aluminerie est configurée pour que la répartition du
courant
d'électrolyse soit dissymétrique entre les conducteurs électriques de montée
et de
connexion amont et aval, l'intensité du courant d'électrolyse amont destiné à
parcourir
l'ensemble des conducteurs électriques de montée et de connexion amont de la
cuve
d'électrolyse étant égale à 150-100[% de l'intensité du courant d'électrolyse,
et l'intensité
du courant d'électrolyse aval destiné à parcourir l'ensemble des conducteurs
électriques
de montée et de connexion aval de la cuve d'électrolyse étant égale à ]0-50[%
de
l'intensité du courant d'électrolyse, la somme des intensités des courants
d'électrolyse
amont et aval étant égale à l'intensité du courant d'électrolyse.
Un avantage de ces caractéristiques est de permettre de compenser efficacement
le
champ magnétique pour une cuve d'électrolyse de grandes dimensions, en
particulier de
grande largeur, cela sans surcoût en matières premières.
En effet, si la répartition du courant d'électrolyse amont aval est
symétrique, c'est-à-dire si
cette répartition est de 50% à l'amont et 50% à l'aval, et que la largeur des
cuves
d'électrolyse est augmentée, pour avoir un meilleur rendement, il se crée, du
fait de
l'augmentation du chemin parcouru par les conducteurs électriques
d'acheminement sous
la cuve d'électrolyse pour alimenter les conducteurs électriques de montée et
de
connexion aval, un déséquilibre préjudiciable au bon fonctionnement de la cuve
d'électrolyse. Pour rétablir un équilibrage, il faudrait augmenter la section
de ces
conducteurs électriques d'acheminement sous la cuve d'électrolyse. Or cette
augmentation de section implique un surcoût important en matières premières.
En
revanche, la demanderesse a observé que l'aluminerie selon la présente
invention permet
d'introduire une dissymétrie dans la répartition du courant d'électrolyse
entre l'amont et
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l'aval des cuves d'électrolyse sans augmentation préjudiciable de la section
des
conducteurs électriques d'acheminement, tout en disposant de cuves
d'électrolyse très
stables magnétiquement.
Le choix de la répartition entre intensités des courants d'électrolyse amont
et aval est
réalisé par étude économique. Ce choix dépend principalement de la distance
entre deux
cuves et de la hauteur des cuves. Cette répartition est réalisée en ajustant
les sections
des conducteurs électriques des circuits électriques amont et aval, en tenant
compte de
leur longueur.
Selon un mode de réalisation préféré, l'aluminerie comprend une station
d'alimentation
configurée pour faire circuler à travers ledit au moins un premier circuit
électrique de
compensation un premier courant de compensation d'intensité égale au double de
l'intensité du courant d'électrolyse aval, à plus ou moins 20% près, et de
préférence à
plus ou moins 10% près.
Un avantage de cette caractéristique est que pour cette valeur de l'intensité
du premier
courant de compensation, qui est directement fonction de la répartition du
courant
d'électrolyse entre l'amont et l'aval des cuves d'électrolyse, la demanderesse
a observé
que le champ magnétique horizontal généré par le premier circuit électrique de
compensation corrige précisément la dissymétrie du champ magnétique horizontal
résultant de la dissymétrie entre le courant d'électrolyse amont et aval, et
ce, afin d'avoir
une distribution antisymétrique des composantes horizontales du champ
magnétique Ce
premier courant de compensation permet en outre de corriger en partie le champ
magnétique vertical, en fonction de la répartition entre courant d'électrolyse
amont et aval
de la cuve, et ce, afin de réduire les instabilités MHD dans la cuve.
Selon un mode de réalisation préféré, l'aluminerie comprend une station
d'alimentation
configurée pour faire circuler à travers ledit au moins un deuxième circuit
électrique de
compensation un deuxième courant de compensation d'intensité comprise entre
50% et
100% de la différence d'intensité entre les courants d'électrolyse amont et
aval, et de
préférence comprise entre 80% et 100% de la différence d'intensité entre les
courants
d'électrolyse amont et aval.
Par intensité du deuxième courant de compensation, on entend la somme des
intensités
circulant dans les conducteurs formant le deuxième circuit de compensation,
notamment
lorsque le deuxième circuit de compensation est constitué de deux conducteurs
(ou
boucles) disposés de part et d'autre de la cuve d'électrolyse.
La demanderesse a observé que pour cette valeur d'intensité du deuxième
courant de
compensation, qui est aussi directement fonction de la répartition du courant
d'électrolyse
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entre l'amont et l'aval des cuves d'électrolyse, le champ magnétique vertical
généré par le
deuxième circuit électrique de compensation corrige le champ magnétique
vertical généré
par le courant d'électrolyse circulant dans le circuit électrique principal
(circuit cuve à
cuve) et déjà en partie corrigé par le courant circulant dans le premier
circuit de
compensation.
On notera que cette caractéristique est particulièrement avantageuse quand
elle est
utilisée en combinaison avec la précédente.
Selon un mode de réalisation préféré, les conducteurs électriques de montée et
de
connexion sont répartis à intervalle régulier le long du bord longitudinal de
la cuve
d'électrolyse auquel ces conducteurs électriques de montée et de connexion
sont
adjacents.
Un avantage de cette caractéristique ést d'avoir une distribution uniforme sur
toute la
longueur de la cuve de la composante horizontale longitudinale du champ
magnétique
(c'est-à-dire parallèlement à la longueur de la cuve d'électrolyse), ce qui
permet de
faciliter sa compensation via le premier circuit de compensation.
Les conducteurs électriques de montée et de connexion sont avantageusement
disposés
de façon symétrique par rapport au plan médian transversal XZ des cuves
d'électrolyse,
ce qui permet d'obtenir une distribution antisymétrique de la composante
transversale du
champ magnétique selon X.
Selon un mode de réalisation préféré, les conducteurs électriques de montée et
de
connexion amont et les conducteurs électriques de montée et de connexion aval
sont
situés à équidistance d'un plan médian longitudinal YZ de la cuve
d'électrolyse.
Selon un mode de réalisation préféré, les conducteurs électriques de montée et
de
connexion amont et les conducteurs électriques de montée et de connexion aval
sont
disposés de façon sensiblement symétrique par rapport audit plan médian
longitudinal YZ
de la cuve d'électrolyse.
Cette configuration, combinée au premier circuit de compensation, assure une
parfaite
antisymétrie de la composante longitudinale du champ magnétique selon Y.
Selon un mode de réalisation préféré, ledit au moins un premier circuit
électrique de
compensation comprend des conducteurs électriques s'étendant sous les cuves
d'électrolyse en formant ensemble une nappe constituée d'une pluralité de
conducteurs
électriques parallèles, typiquement de deux à douze, et de préférence de trois
à dix
conducteurs électriques parallèles.
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Le nombre de conducteurs parallèles nécessaires dépend en partie de la
distance entre
les liquides et ces mêmes conducteurs. Plus la distance est grande, plus le
nombre de
conducteurs doit être faible, plus la distance est courte, plus le nombre de
conducteurs
doit être élevé.
Un avantage de cette caractéristique est une compensation répartie sous toute
la
longueur de la cuve d'électrolyse, produisant donc de meilleurs résultats. On
notera que
le premier circuit électrique de compensation est configuré pour que le
premier courant de
compensation circule dans le même sens à travers tous les conducteurs
électriques de la
nappe.
L'intensité du premier courant de compensation correspond à la somme des
intensités
des courants circulant dans chacun des conducteurs électriques parallèles de
la nappe
s'étendant sous les cuves.
Selon un mode de réalisation préféré, les conducteurs électriques de ladite
nappe sont
agencés à intervalle régulier les uns des autres selon une direction
longitudinale Y des
cuves d'électrolyse.
Selon un mode de réalisation préféré, les conducteurs électriques de ladite
nappe sont
agencés de façon sensiblement symétrique par rapport à un plan médian
transversal XZ
des cuves d'électrolyse.
Selon un mode de réalisation préféré, les conducteurs électriques de ladite
nappe sont
agencés dans un même plan horizontal XY.
Un avantage de ces caractéristiques est d'améliorer encore davantage la
compensation
du champ magnétique défavorable.
Selon un mode de réalisation préféré, ledit au moins un deuxième circuit
électrique de
compensation comprend des conducteurs électriques s'étendant de chaque côté de
ladite
au moins une file de cuves d'électrolyse, et le deuxième courant de
compensation circule
dans le même sens que le sens de circulation global du courant d'électrolyse
de chaque
côté des cuves d'électrolyse.
Ainsi, les conducteurs électriques dudit au moins un deuxième circuit
électrique de
compensation forment une boucle interne et une boucle externe, et offrent
ainsi une
compensation améliorée du champ magnétique. On entend par boucle interne la
boucle
étant la plus proche de la file voisine et par boucle externe, la boucle étant
la plus
éloignée.
Selon un mode de réalisation préféré, l'intensité d'un deuxième courant de,
compensation
circulant dans une boucle interne dudit au moins un deuxième circuit de
compensation
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diffère de l'intensité d'un deuxième courant de compensation circulant dans
une boucle
externe dudit au moins un deuxième circuit de compensation.
Cette caractéristique permet de compenser le champ magnétique vertical
résiduel de la
file voisine.
L'intensité du deuxième courant de compensation correspond à la somme des
intensités
des courants circulant dans chacune des boucles.
Selon un mode de réalisation préféré, l'intensité du deuxième courant de
compensation
circulant dans la boucle interne est supérieure à l'intensité du deuxième
courant de
compensation circulant dans la boucle externe.
Cela permet de corriger le champ magnétique créé par la file voisine. Cette
file voisine
crée un champ magnétique proportionnel à un courant de la série auquel on
soustrait
deux fois le courant d'électrolyse aval, tandis qu'une série d'électrolyse
conventionnelle subira un champ magnétique directement proportionnel à la
totalité du
courant d'électrolyse. Ainsi, grâce au premier circuit de compensation, le
champ
perturbateur créé par la file voisine est beaucoup plus faible et nécéssite
une correction
bien moindre. Par conséquent, concernant le deuxième circuit de compensation,
l'écart
entre l'intensité de la boucle intérieure et celle de la boucle externe sera
bien plus faible
que dans le cas du brevet EP0204647 et l'écart entre les deux files de cuves
peut être
minimisé.
Selon un mode de réalisation préféré, les conducteurs électriques formant le
deuxième
circuit électrique de compensation sont sensiblement symétriques par rapport à
un plan
XZ transversal médian des cuves d'électrolyse.
Cela améliore la compensation du champ magnétique délétère.
Selon un mode de réalisation préféré, les conducteurs électriques du deuxième
circuit
électrique de compensation s'étendent dans un même plan horizontal XY, de
préférence
à hauteur d'une nappe d'aluminium liquide formée à l'intérieur des cuves
d'électrolyse au
cours de la réaction d'électrolyse.
Cet agencement améliore la compensation du champ magnétique vertical sans
impacter
la composante horizontale du champ déjà compensée par le premier circuit de
compensation.
De préférence, l'aluminerie comprend deux files consécutives et parallèles de
cuves
d'électrolyse, et le circuit de la boucle interne forme en extrémité de file
des moyens de
compensation des effets de fin de file provoqués par les conducteurs de
liaison entre
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les files, ce qui procure davantage de stabilité magnétique et améliore donc
le rendement
des cuves d'extrémité de file.
Selon un mode de réalisation préféré, ledit au moins un premier circuit
électrique de
compensation est indépendant du circuit électrique principal parcouru par le
courant
d'électrolyse.
Cette caractéristique a l'avantage de limiter les conséquences d'une avarie
comme un
perçage de cuve d'électrolyse par les liquides contenus dans cette cuve
d'électrolyse. En
outre, cette caractéristique est avantageuse en termes d'évolutivité
puisqu'elle permet de
faire varier l'intensité du premier courant de compensation pour ajuster la
compensation
magnétique. Un ajustement de la compensation magnétique est utile lorsque les
cuves
d'électrolyse sont modifiées, parce que la configuration magnétique de ces
cuves
d'électrolyse est modifiée, ou pour adapter le brassage de l'alumine à la
qualité de cette
alumine (ce qui permet de conserver un rendement optimal malgré la qualité
différente de
l'alumine).
Selon un mode de réalisation préféré, ledit au moins un deuxième circuit
électrique de
compensation est indépendant du circuit électrique principal parcouru par le
courant
d'électrolyse.
Comme expliqué ci-dessus, cela présente un avantage en termes d'évolutivité
puisque
cela permet de faire varier l'intensité du premier courant de compensation
pour ajuster la
compensation magnétique.
Selon un mode de réalisation préféré, la cuve d'électrolyse présente une
construction
électrique modulaire en N modules répétés dans le sens de sa longueur, chaque
module
comprenant des conducteurs électriques configurés pour générer une même
configuration
magnétique prédéterminée.
Cette caractéristique est avantageuse en termes d'évolutivité: elle permet des
modifications de la cuve d'élecrolyse, par exemple un agrandissement par
adjonction d'un
ou plusieurs modules, sans modifier le principe d'équilibrage magnétique de la
cuve
d'électrolyse.
Pour obtenir la même configuration magnétique, chaque module électrique
présente le
même agencement de conducteurs électriques, chaque conducteur électrique d'un
module électrique étant traversé par la même intensité et le même sens de
courant que le
conducteur électrique correspondant d'un module électrique adjacent. Les
conducteurs
électriques de chaque module sont notamment les conducteurs électriques de
montée et
de connexion, les ensembles anodiques, les cathodes, les conducteurs
cathodiques, les
sorties cathodiques, les conducteurs électriques d'acheminement, et des
conducteurs
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électriques de la nappe de conducteurs électriques du premier circuit
électrique de
compensation. Ces conducteurs électriques sont donc agencés les uns par
rappport aux
autres de la même façon d'un module à l'autre. En particulier, chaque module
électrique
comprend le même nombre de conducteurs électriques de la nappe de conducteurs
électriques du premier circuit électrique de compensation.
On précise que les cuves d'électrolyse de l'aluminerie comprennent tout ou
partie des
caractéristiques susmentionnées de la cuve d'électrolyse.
L'invention concerne également un procédé de compensation d'un champ
magnétique
créé par la circulation d'un courant d'électrolyse dans une pluralité de cuves
d'électrolyse
d'une aluminerie ayant les caractéristiques précitées, le procédé comprenant :
- la circulation, en sens contraire du sens de circulation global du
courant d'électrolyse,
d'un premier courant de compensation à travers ledit au moins un premier
circuit
électrique de compensation,
- la circulation, dans le même sens que le sens de circulation global du
courant
d'électrolyse, d'un deuxième courant de compensation à travers ledit au moins
un
deuxième circuit électrique de compensation.
Ainsi, ce procédé offre une compensation magnétique efficace du champ
magnétique
généré par la circulation du courant d'électrolyse dans la série de cuves
d'électrolyse de
l'aluminerie, en limitant l'encombrement.
Selon un mode de réalisation préféré, le procédé comprend une répartition
dissymétrique
du courant d'électrolyse entre l'amont et l'aval des cuves d'électrolyse,
l'ensemble des
conducteurs électriques de montée et de connexion à l'amont des cuves
d'électrolyse
étant parcouru par un courant d'électrolyse amont d'intensité comprise entre
]50-100[%
de l'intensité du courant d'électrolyse, et l'ensemble des conducteurs
électriques de
montée et de connexion à l'aval des cuves d'électrolyse étant parcouru par un
courant
d'électrolyse aval d'intensité comprise entre ]0-50[% de l'intensité du
courant
d'électrolyse, la somme des intensités des courants d'électrolyse amont et
aval étant
égale à l'intensité du courant d'électrolyse.
Ce procédé permet d'obtenir des cuves d'électrolyse stables magnétiquement, y
compris
quand les cuves d'électrolyse sont de grandes dimensions, notamment de grande
largeur.
Le rendement peut ainsi être sensiblement augmenté.
Selon un mode de réalisation préféré, l'intensité du premier courant de
compensation est
égale au double de l'intensité du courant d'électrolyse aval, à plus ou moins
20% près, et
de préférence à plus ou moins 10% près.
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Un avantage de cette caractéristique est que pour cette valeur de l'intensité
du premier
courant de compensation, qui est directement fonction de la répartition du
courant
d'électrolyse entre l'amont et l'aval des cuves d'électrolyse, la demanderesse
a observé
que le champ magnétique horizontal généré par le premier circuit électrique de
compensation corrige précisément la dissymétrie entre le courant amont et
aval, et ce,
afin d'avoir une distribution antisymétrique des composantes horizontales du
champ
magnétique. Ce premier courant de compensation permet également de corriger
tout ou
partie du champ magnétique vertical, suivant la répartition entre courant
d'électrolyse
amont et aval de la cuve, et ce, afin de réduire les instabilités MHD dans la
cuve.
L'intégralité du champ magnétique vertical est corrigée si la répartition
entre l'amont et
l'aval est de 50%.
Selon un mode de réalisation préféré, l'intensité du deuxième courant de
compensation
est comprise entre 50% et 100% de la différence d'intensité entre les courants
d'électrolyse amont et aval, et de préférence comprise entre 80% et 100% de la
différence
d'intensité entre les courants d'électrolyse amont et aval.
De la même manière, la demanderesse a observé que pour cette valeur
d'intensité du
deuxième courant de compensation, qui est aussi directement fonction de la
répartition du
courant d'électrolyse entre l'amont et l'aval des cuves d'électrolyse, le
champ magnétique
vertical généré par le deuxième circuit électrique de compensation corrige
précisément le
champ magnétique vertical restant, résultant de la somme du champ magnétique
vertical
du courant d'électrolyse (circuit cuve à cuve) et du premier circuit de
compensation.
Selon un mode de réalisation préféré, ledit au moins un deuxième circuit
électrique de
compensation comprend une boucle interne et une boucle externe, et dans lequel
l'intensité d'un deuxième courant de compensation circulant dans la boucle
interne diffère
de l'intensité d'un deuxième courant de compensation circulant dans la boucle
externe.
Selon un mode de réalisation préféré, l'intensité du deuxième courant de
compensation
circulant dans la boucle interne est supérieure à l'intensité du deuxième
courant de
compensation circulant dans la boucle externe.
Selon un mode de réalisation préféré, le procédé comprend une étape d'analyse
d'au
moins une caractéristique de l'alumine dans au moins une des cuves
d'électrolyse de
ladite aluminerie, et la détermination des valeurs d'intensité du premier
courant de
compensation et du deuxième courant de compensation à faire circuler en
fonction de
ladite au moins une caractéristique analysée.
Ainsi, le procédé permet de modifier la compensation magnétique, pour induire
volontairement, dans des cas particuliers, une modification de l'écoulement
dans les
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liquides et des vitesses de l'écoulement tout en contrôlant (dégradant
faiblement) les
instabilités MHD de l'interface bain/métal. L'écoulement des liquides (bain +
aluminium)
contribue en effet à brasser l'alumine, ce qui, selon les vitesses et la forme
de
l'écoulement ainsi que selon la qualité de l'alumine, permet d'améliorer le
rendement. Ce
mode de réalisation préféré permet donc d'améliorer le rendement en optimisant
l'écoulement pour dissoudre l'alumine tout en contrôlant le niveau de
dégradation de
la stabilité MHD de l'interface bain/métal.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront
clairement de
la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, donné à titre
d'exemple non
limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- La figure 1 est une vue schématique d'une aluminerie selon l'état de la
technique,
- La figure 2 est une vue schématique de côté de deux cuves d'électrolyse
successives
de l'état de la technique,
- La figure 3 est une vue schématique en filaire du circuit électrique
parcouru par le
courant d'électrolyse dans les deux cuves d'électrolyse de la figure 2,
- La figure 4 est une vue schématique en coupe selon un plan longitudinal
vertical
d'une cuve d'électrolyse de l'état de la technique,
- La figure 5 est une vue schématique d'une aluminerie selon un mode de
réalisation
de l'invention,
- La figure 6 est une vue schématique de côté de deux cuves d'électrolyse
successives
d'une aluminerie selon un mode de réalisation de l'invention,
- La figure 7 est une vue schématique en coupe selon un plan longitudinal
YZ d'une
cuve d'électrolyse d'une aluminerie selon un mode de réalisation de
l'invention,
- La figure 8 est une vue schématique filaire du circuit électrique
parcouru par le
courant d'électrolyse dans une cuve d'électrolyse d'une aluminerie selon un
mode de
réalisation de l'invention,
- La figure 9 est un tableau montrant l'intensité du courant d'électrolyse
parcourant
chaque segment de la figure 8,
- Les figures 10 à 12 sont des vues schématiques filaires du circuit
électrique parcouru
par le courant d'électrolyse dans une cuve d'électrolyse d'une aluminerie
selon un
mode de réalisation de l'invention, montrant pour cette cuve d'électrolyse les
zones
générant un champ magnétique significatif,
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- La figure 13 est un tableau montrant la contribution de chaque segment
des figures
à 12 dans le calcul de la composante verticale du champ magnétique généré par
la circulation du courant d'électrolyse,
- La figure 14 est un tableau montrant la contribution de chaque segment
des figures
10 à 12 dans le calcul de la composante horizontale longitudinale du champ
magnétique généré par la circulation du courant d'électrolyse.
La figure 1 montre une aluminerie 100 de l'état de la technique. L'aluminerie
100
comprend des cuves d'électrolyse disposées transversalement par rapport à la
longueur
de la file qu'elles forment. Les cuves d'électrolyse sont ici alignées selon
deux files 101,
102 parallèles. Ces cuves d'électrolyse sont parcourues par un courant
d'électrolyse 1100.
Deux circuits 104, 106 électriques de compensation s'étendent sur les côtés
des files 101,
102 pour compenser le champ magnétique généré par la circulation du courant
1100
d'électrolyse d'une cuve d'électrolyse à une autre et dans la file voisine.
Les circuits 104,
106 électriques de compensation sont parcourus respectivement par des courants
1104,
1106 circulant dans le même sens que le courant d'électrolyse 1100. Des
stations 108
d'alimentation alimentent la série de cuves d'électrolyse et les circuits 104,
106
électriques de compensation. Selon cet exemple, pour un courant d'électrolyse
d'intensité
500kA, et compte-tenu des perturbations magnétiques de fin de file >, la
distance D100
entre les cuves d'électrolyse les plus proches des stations 108 d'alimentation
et les
stations 108 d'alimentation est de l'ordre de 45m, et la distance D300 sur
laquelle
s'étendent les circuits 104, 106 électriques de compensation au-delà des fins
de file est
de l'ordre de 45m, tandis que la distance D200 entre les deux files 101, 102
est de l'ordre
de 85m pour limiter les perturbations magnétiques d'une file sur l'autre.
La figure 2 montre deux cuves 110 d'électrolyse traditionnelles consécutives
d'une même
file de cuves d'électrolyse. Comme on peut le voir sur la figure 2, la cuve
110 d'électrolyse
comprend un caisson 112 garni intérieurement par des matériaux 114
réfractaires, une
cathode 116 et des anodes 118 plongées dans un bain 120 électrolytique au fond
duquel
est formée une nappe 122 d'aluminium. La cathode 116 est reliée électriquement
à des
conducteurs cathodiques 124 qui traversent les côtés du caisson 112 au niveau
de sorties
cathodiques 126. Les sorties 126 cathodiques sont reliées à des conducteurs
128
d'acheminement qui acheminent le courant d'électrolyse jusqu'aux conducteurs
130 de
montée et de connexion d'une cuve d'électrolyse suivante. Comme on peut le
voir sur la
figure 2, ces conducteurs 130 de montée et de connexion s'étendent, de façon
oblique,
sur un seul côté, le côté amont, des cuves 110 d'électrolyse et s'étendent au-
dessus des
anodes 118, jusqu'à la partie centrale longitudinale des cuves 110
d'électrolyse.
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La cuve d'électrolyse comporte une superstructure 132 qui la traverse
longitudinalement,
au-dessus du caisson 112 et des anodes 118. La superstructure 132 comporte
notamment une poutre reposant sur des pieds (non représentés) à chacune de ses
extrémités longitudinales. La poutre supporte un cadre 134 anodique, ce cadre
134
anodique s'étendant également longitudinalement au-dessus du caisson 112 et
des
anodes 118. Le cadre 134 anodique supporte les ensembles anodiques, ces
derniers
étant connectés électriquement au cadre 134 anodique.
La figure 3 illustre schématiquement le chemin parcouru par le courant
d'électrolyse 1100
dans chacune des cuves 110 d'électrolyse et entre deux cuves 110 d'électrolyse
adjacentes comme celles représentées sur la figure 2. On remarque notamment
que la
montée du courant d'électrolyse 1100 jusqu'à l'ensemble anodique d'une cuve
110
d'électrolyse est asymétrique puisque cette montée est effectuée uniquement à
l'amont
des cuves 110 d'électrolyse dans le sens de circulation globale du courant
d'électrolyse
1100 dans la file (à gauche des cuves sur les figures 2 et 3).
La figure 4 montre l'agencement sur les côtés des cuves 110 de l'état de la
technique de
conducteurs électriques formant les circuits 104, 106 électriques de
compensation, ces
conducteurs électriques étant parcourus respectivement par les courants 1104,
46 de
compensation circulant dans le même sens que le courant 1100 d'électrolyse
parcourant ici
les conducteurs 128 d'acheminement positionnés en dessous de la cuve.
La figure 5 montre une aluminerie 1 selon un mode de réalisation de
l'invention.
L'aluminerie 1 est destinée à la production d'aluminium par électrolyse selon
le procédé
de Hall-Héroult.
L'aluminerie 1 comprend une pluralité de cuves d'électrolyse, sensiblement
rectangulaires, destinées à la production d'aluminium par électrolyse, ces
cuves
d'électrolyse pouvant être alignées selon une ou plusieurs files 2 qui peuvent
être
sensiblement parallèles. Le cas échéant, les files 2 sont reliées
électriquement en série
et alimentées en courant d'électrolyse IE. L'aluminerie 1 comprend aussi un
premier
circuit électrique de compensation 4, qui s'étend sous la ou les files de
cuves
d'électrolyse, et un deuxième circuit électrique de compensation 6, qui
s'étend sur au
moins un côté de la ou des files 2 de cuves d'électrolyse. Selon l'exemple de
la figure 5,
le deuxième circuit électrique de compensation 6 s'étend des deux côtés de
chaque file 2
de cuves d'électrolyse. Toujours selon l'exemple de la figure 5, l'aluminerie
comporte
deux files de cuves agencées parallèlement l'une par rapport à l'autre,
alimentées par une
même station 8 d'alimentation, et reliées électriquement en série de sorte que
le courant
d'électrolyse IE circulant dans la première des deux files 2 de cuves
d'électrolyse circule
ensuite dans la deuxième des deux files 2 de cuves d'électrolyse. Les cuves
d'électrolyse
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sont agencées transversalement par rapport à chaque file 2 que ces cuves
d'électrolyse
forment. On notera que par cuve 2 d'électrolyse agencée transversalement on
entend
cuve 2 d'électrolyse dont la plus grande dimension, la longueur, est
sensiblement
perpendiculaire à la direction globale dans laquelle circule le courant IE
d'électrolyse.
Dans la présente description, amont et aval sont définis par rapport au sens
de circulation
global du courant d'électrolyse 1E, c'est-à-dire le sens de circulation du
courant
d'électrolyse IE à l'échelle de la file 2 de cuves d'électrolyse.
On précise aussi que la description est réalisée par rapport à un référentiel
cartésien lié à
une cuve d'électrolyse, l'axe X étant orienté dans une direction transversale
de la cuve
d'électrolyse, l'axe Y étant orienté dans une direction longitudinale de la
cuve
d'électrolyse, et l'axe Z étant orienté dans une direction verticale de la
cuve d'électrolyse.
Les orientations, directions, plans et déplacements longitudinaux,
transversaux, verticaux
sont ainsi définis par rapport à ce référentiel.
On notera que les cuves d'électrolyse de l'aluminerie sont de préférence des
cuves
d'électrolyse de grandes dimensions, l'utilisation de cuves d'électrolyse de
grandes
dimensions étant rendue possible par la configuration particulière des cuves
d'électrolyse
de l'aluminerie selon l'invention, comme décrit plus en détails ci-après. On
définit les
dimensions d'une cuve d'électrolyse par la surface au sol que cette cuve
d'électrolyse
représente. Pour cela on considère que les dimensions de la cuve sont définies
par les
dimensions extérieures de son caisson. Par cuve d'électrolyse de grandes
dimensions, on
entend cuve d'électrolyse ayant une largeur supérieure à 4 m, de préférence
supérieure
ou égale à 5 m, et notamment supérieure ou égale à 6 m, et/ou ayant une
longueur
supérieure à 15 m, de préférence supérieure ou égale à 20 m, et notamment
supérieure
ou égale à 25 m.
La figure 6 montre plus en détails des cuves 10 d'électrolyse de l'aluminerie
1 selon un
mode de réalisation. Comme illustré sur cette figure, les cuves 10
d'électrolyse de
l'aluminerie 1 comprennent un caisson 12, des ensembles anodiques 14, une
cathode 16
traversée par des conducteurs électriques cathodiques 18 destinés à collecter
le courant
d'électrolyse IE à la cathode 16 pour le conduire jusqu'à d'autres conducteurs
électriques
appelés sorties cathodiques 20 hors du caisson 12, des conducteurs électriques
de
montée et de connexion 22 aux ensembles anodiques 14 pour conduire le courant
d'électrolyse IE vers les ensembles anodiques 14, et des conducteurs
électriques
d'acheminement 24 connectés aux sorties cathodiques 20 et destinés à conduire
le
courant d'électrolyse IE depuis les sorties cathodiques 20 jusqu'aux
conducteurs
électriques de montée et de connexion 22 de la cuve 10 d'électrolyse suivante.
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Le caisson 12 comprend un revêtement intérieur 26 en matériaux réfractaires.
Comme
illustré sur les figures 6 et 7, le caisson 12 comprend de préférence des
berceaux 28 de
renforts. Le caisson 12 peut être métallique, par exemple en acier.
Les ensembles anodiques 14 comportent un support 30 et au moins une anode 32.
La ou
les anodes 32 sont notamment en matériau carboné et plus particulièrement de
type
précuites. Le support 30 comprend quand à lui une première partie 34
électriquement
conductrice, par exemple une traverse, s'étendant essentiellement selon une
direction
transversale X des cuves 10 d'électrolyse, et une deuxième partie 36
électriquement
conductrice, formée de plusieurs éléments électriquement conducteurs pouvant
être
appelés rondins , les rondins comprenant une extrémité distale reliée
électriquement à
la première partie 34 du support 30 et une extrémité proximale reliée
électriquement à la
ou aux anodes 32 afin de conduire le courant d'électrolyse IE depuis la
première partie 34
du support 30 jusqu'à cette ou ces anodes 32. Les ensembles anodiques 14 sont
destinés
à être enlevés et remplacés périodiquement lorsque la ou les anodes 32 sont
usées.
La cathode 16 peut être formée de plusieurs blocs cathodiques en matériau
carboné. La
cathode 16 est traversée par les conducteurs cathodiques 18 destinés à
collecter le
courant d'électrolyse IE à la cathode 16 pour le conduire jusqu'aux sorties
cathodiques 20
sortant avantageusement par le fond du caisson 12, comme illustré sur la
figure 6.
Les conducteurs électriques de montée et de connexion 22 s'étendent vers le
haut le long
de deux bords longitudinaux 38 opposés de chaque cuve 10 d'électrolyse, pour
conduire
le courant d'électrolyse IE vers les ensembles anodiques 14. On précise que
les bords
longitudinaux 38 des cuves 10 d'électrolyse correspondent aux bords de plus
grande
dimension, c'est-à-dire les bords des cuves 10 d'électrolyse qui sont
sensiblement
parallèles à la direction Y longitudinale. A titre d'exemple, une cuve 10
d'électrolyse
fonctionnant avec une intensité de 400 à 1000k Ampères peut par exemple
comprendre
de préférence de 4 à 40 conducteurs de montée et de connexion 22 répartis
régulièrement sur toute la longueur de chacun de ses deux bords longitudinaux
38. Les
conducteurs électriques de montée et de connexion 22 comprennent des
conducteurs
électriques de montée et de connexion amont 22A, c'est-à-dire adjacents au
bord
longitudinal 38 amont de la cuve 10 d'électrolyse, et des conducteurs
électriques de
montée et de connexion aval 22B, c'est-à-dire adjacents au bord longitudinal
38 aval de la
cuve 10 d'électrolyse. Les conducteurs électriques de montée et de connexion
amont 22A
sont connectés électriquement à une extrémité amont de la première partie 34
du support
30, et les conducteurs électriques de montée et de connexion aval 22B sont
connectés
électriquement à une extrémité aval de cette première partie 34 du support 30.
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Les conducteurs électriques d'acheminement 24 sont connectés aux sorties
cathodiques
20 et sont destinés à conduire le courant d'électrolyse IE depuis ces sorties
cathodiques
20 jusqu'aux conducteurs électriques de montée et de connexion 22 de la cuve
10
d'électrolyse suivante de la série.
Les conducteurs cathodiques 18, les sorties cathodiques 20 et/ou les
conducteurs
d'acheminement 24 peuvent être des barres métalliques, éventuellement
composites, par
exemple en aluminium, cuivre et/ou acier.
Une nappe d'aluminium 40 liquide est formée au cours de la réaction
d'électrolyse.
On notera que les cuves 10 d'électrolyse de l'aluminerie 1 selon l'invention
sont
préférentiellement des cuves 10 d'électrolyse de type à remplacement d'anode
par
traction verticale ascendante des ensembles anodiques 14 au-dessus de la cuve
10
d'électrolyse, comme cela est réprésenté par l'intermédiaire de la cuve 10
d'électrolyse à
droite sur la figure 6. Les conducteurs de montée et de connexion 22
s'étendent de part et
d'autre du caisson 12 sans s'étendre au droit des anodes 32, c'est-à-dire sans
s'étendre
dans un volume obtenu par projection verticale de la superficie des anodes 32
projetée
dans un plan horizontal. Outre l'intérêt que cela représente pour permettre un
changement d'anode 32 par traction verticale ascendante, cela permet aussi de
diminuer
la longueur des conducteurs de montée et de connexion 22 par rapport à une
utilisation
de conducteurs de montée et de connexion 130 de type classique, visibles sur
la figure 2,
qui s'étendent typiquement au-dessus de la cuve 110 d'électrolyse jusque dans
la partie
centrale longitudinale de la cuve 110 d'électrolyse. Cela contribue à réduire
les coûts de
fabrication. On note aussi que la partie horizontale 34 du support 30 est
supportée et
connectée au niveau de chacun des deux bords longitudinaux 38 de chaque cuve
10
d'électrolyse.
Ainsi, l'ensemble anodique n'est plus supporté et connecté électriquement au-
dessus du
caisson et des anodes au moyen d'une superstructure 132, comme cela est le cas
pour
les cuves d'électrolyse de l'état de la technique illustrées sur la figure 2.
Les cuves 10
d'électrolyse de l'aluminerie 1 selon ce mode de réalisation de l'invention
sont donc
exemptes de superstructure. L'absence de superstructure permet d'élargir et/ou
allonger
les cuves 10 d'électrolyse, afin de bénéficier de cuves 10 d'électrolyse de
grandes
dimensions, comme mentionné précedemment. Un tel élargissement ou allongement
des
cuves 110 d'électrolyse de l'état de la technique n'est pas possible du fait
de la
superstructure 132, car cet élargissement et/ou allongement entraînerait un
élargissement
et/ou allongement de la superstructure 132 elle-même, donc de la portée de la
poutre
entre les pieds soutenant la poutre et du poids à soutenir par cette
superstructure 132. Il
existe des superstructures comportant une ou plusieurs arches intermédiaires
de
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soutènement de la poutre, mais de telles arches intermédiaires, s'étendant
transversalement au-dessus du caisson 112 et des anodes 118, sont encombrantes
et
complexifient les opérations sur cuves, notamment les changements d'anodes.
Le fait de pouvoir augmenter les dimensions des cuves d'électrolyse, combiné à
une
augmentation de l'intensité du courant d'électrolyse 1E, cela sans créer
d'instabilités MHD
du fait de la configuration magnétique particulière de l'aluminerie 1 selon
l'invention
décrite plus en détails ci-après, permet d'améliorer substantiellement le
rendement de
l'aluminerie 1 en comparaison avec l'état de la technique.
Les conducteurs électriques de l'aluminerie 1 (en particulier conducteurs
électriques de
montée et de connexion 22, support 30, sorties cathodiques 20, conducteurs
d'acheminement 24, conducteurs électriques des premier et deuxième circuits
électriques
de compensation 4, 6) sont en effet configurés pour obtenir une compensation
efficace
des composantes horizontales et verticale du champ magnétique généré par la
circulation
du courant d'électrolyse IE et, ce faisant, une limitation des instabilités
MHD, donc un
rendement amélioré.
Plus particulièrement, la répartition du courant d'électrolyse IE parcourant
les conducteurs
électriques de montée et de connexion 22 est dissymétrique entre les
conducteurs
électriques de montée et de connexion amont 22A et aval 22B. Le courant
d'électrolyse I E
est réparti en un courant d'électrolyse amont lEA, qui parcourt l'ensemble des
conducteurs électriques de montée et de connexion amont 22A des cuves 10
d'électrolyse, et un courant d'électrolyse aval IEB, qui parcourt l'ensemble
des
conducteurs électriques de montée et de connexion aval 22B des cuves 10
d'électrolyse.
L'intensité du courant d'électrolyse amont lEA est égale à }50-100[% de
l'intensité du
courant d'électrolyse 1E, tandis que l'intensité du courant d'électrolyse aval
IEB est égale
à ]0-50[% de l'intensité du courant d'électrolyse 1E, étant précisé que les
courants
d'électrolyse amont lEA et aval IEB sont complémentaires, c'est-à-dire que la
somme des
intensités des courants d'électrolyse amont lEA et aval IEB est égale à
l'intensité du
courant d'électrolyse IE.
Cette répartition dissymétrique avec prépondérance de l'amont par rapport à
l'aval est
particulièrement avantageuse quand les cuves 10 d'électrolyse de l'aluminerie
sont des
cuves d'électrolyse de grandes dimensions. En effet, la dissymétrie amont/aval
du courant
d'électrolyse IE permet d'éviter de recourir à une augmentation trop
importante de section
des conducteurs d'acheminement 24 sous la cuve 10 d'électrolyse, si bien que
des
économies de matières et d'espace sont réalisées, et cela sans préjudice de la
stabilité
magnétique de la cuve 10 d'électrolyse.
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Le choix de la répartition entre intensités des courants d'électrolyse amont
et aval lEA,
IEB est réalisé par étude économique. Ce choix dépend principalement de la
distance
entre deux cuves et de la hauteur des cuves. Cette répartition est réalisée en
ajustant les
sections des conducteurs électriques des circuits électriques amont et aval,
en tenant
compte de leur longueur.
Les conducteurs de montée et de connexion 22 s'étendent de façon sensiblement
verticale, et de préférence uniquement de façon verticale, si bien que le
cheminement du
courant d'électrolyse IE à travers les conducteurs de montée et de connexion
22 génère
un champ magnétique avec uniquement des composantes horizontales, mais pas de
composante verticale.
De même, la deuxième partie 36 du support 30 de l'ensemble anodique 14, et/ou
les
sorties cathodiques 20, s'étendent avantageusement selon une direction
verticale, et de
préférence uniquement de façon verticale, afin que le cheminement du courant
d'électrolyse IE à travers cette deuxième partie 36 et/ou à travers les
sorties cathodiques
20 génère un champ magnétique présentant uniquement des composantes
horizontales,
mais pas de composante verticale.
On notera que les sorties cathodiques 20 traversent avantageusement le fond du
caisson
12. Le fait de disposer de sorties cathodiques 20 par le fond, au lieu de
sorties
cathodiques sur les côtés de la cuve d'électrolyse comme dans l'état de la
technique
(figure 2), permet de réduire la longueur des conducteurs d'acheminement 24.
La
réduction de longueur des conducteurs d'acheminement 24 permet, outre une
économie
de matières premières, une diminution substantielle des courants horizontaux
dans les
liquides et, ainsi, une meilleure stabilité MHD.
Par ailleurs, toujours en vue de compenser efficacement le champ magnétique
créé par la
circulation du courant d'électrolyse 1E, la première partie 34 du support 30
de l'ensemble
anodique 14 s'étend, de préférence uniquement, de façon sensiblement
horizontale et
parallèle à la direction transversale X des cuves 10 d'électrolyse.
De même, les conducteurs d'acheminement 24 s'étendent avantageusement de façon
sensiblement rectiligne et parallèle à la direction transversale X des cuves
10
d'électrolyse, jusqu'aux conducteurs de montée et de connexion 22 de la cuve
10
d'électrolyse suivante. On limite ainsi le coût des conducteurs électriques
d'acheminement 24, en minimisant leur longueur. On limite également les champs
magnétiques générés par ces conducteurs électriques 24 d'acheminement par
rapport à
l'état de la technique, et en particulier par rapport aux cuves d'électrolyse
auto-
compensées de l'état de la technique.
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Les conducteurs électriques de montée et de connexion 22 sont de préférence
répartis à
intervalles réguliers sur sensiblement toute la longueur du bord longitudinal
38 auquel ils
sont adjacents. Autrement dit, une même distance sépare deux conducteurs
électriques
de montée et de connexion 22 consécutifs dans la direction longitudinale Y.
Cela permet
d'améliorer l'équilibre de la composante horizontale longitudinale du champ
magnétique
(c'est-à-dire parallèlement à la longueur de la cuve 10 d'électrolyse).
Les conducteurs électriques de montée et de connexion amont 22A et les
conducteurs
électriques de montée et de connexion aval 22B peuvent être agencés à
équidistance
d'un plan médian longitudinal YZ de chaque cuve 10 d'électrolyse, c'est-à-dire
un plan
sensiblement perpendiculaire à la direction transversale X et séparant chaque
cuve 10
d'électrolyse en deux parties sensiblement égales. En d'autres termes, les
conducteurs
électriques de montée et de connexion amont 22A sont à la même distance de ce
plan
médian longitudinal YZ que les conducteurs électriques de montée et de
connexion aval
22B. De plus, les conducteurs électriques de montée et de connexion amont 22A
sont
avantageusement disposés de façon sensiblement symétrique aux conducteurs
électriques de montée et de connexion aval 22B, par rapport à ce plan médian
longitudinal YZ. On améliore ainsi encore la caractéristique sensiblement
antisymétrique
avantageuse de la distribution du champ magnétique horizontale dans les
liquides.
Pour limiter le champ magnétique généré par la circulation du courant
d'électrolyse à
travers les conducteurs électriques de montée et de connexion 22, ces
conducteurs
électriques de montée et de connexion s'étendent avantageusement au-dessus des
liquides (bain électrolytique) à une hauteur h comprise entre 0 et 1,5 mètre.
La longueur
des conducteurs de montée et de connexion 22 est ainsi fortement diminuée par
rapport
aux conducteurs de montée et de connexion 130 de type classique qui s'étendent
à des
hauteurs supérieures à deux mètres pour les cuves 130 d'électrolyse de l'état
de la
technique.
Pour améliorer la compacité de l'aluminerie 1 et limiter les coûts en matières
premières,
les conducteurs de montée et de connexion amont 22A des cuves 10 d'électrolyse
peuvent être agencés en quinconce par rapport aux conducteurs de montée et de
connexion aval 22B de la cuve 10 d'électrolyse la précédant dans la file 2.
Cela permet en
effet de rapprocher au maximum les cuves 10 d'électrolyse les unes des autres,
soit pour
placer davantage de cuves 10 d'électrolyse en série sur une même distance, ce
qui
augmente le rendement, soit pour réduire la longueur d'une file 2 de cuves 10
d'électrolyse, donc gagner de l'espace et réaliser des économies de structure.
Pour une compensation efficace des composantes horizontales du champ
magnétique
généré par la circulation du courant d'électrolyse 1E, c'est-à-dire pour avoir
des
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composantes horizontales antisymétriques, la première partie 34 du support 30
de
l'ensemble anodique 14 et la deuxième partie 36 du support 30 de l'ensemble
anodique
14 sont configurées pour que l'intensité de la fraction de courant
d'électrolyse parcourant
une moitié amont de cette deuxième partie 36 soit sensiblement égale à
l'intensité de la
fraction de courant d'électrolyse parcourant une moitié aval de cette deuxième
partie 36.
Autrement dit, et comme cela est représenté sur la figure 8, l'intensité de la
fraction de
courant d'électrolyse traversant l'ensemble des rondins situés côté amont d'un
plan
médian longitudinal YZ de la cuve 10 d'électrolyse est sensiblement égale à
l'intensité de
la fraction de courant d'électrolyse traversant l'ensemble des rondins situés
côté aval de
ce plan médian longitudinal YZ. En particulier, comme cela ressort du segment
S9 de la
figure 8 lue en combinaison avec le tableau de la figure 9, une partie du
courant
d'électrolyse amont lEA parvient jusqu'aux rondins situés côté aval du plan
médian YZ de
la cuve 10 d'électrolyse. Cela est obtenu grâce à un équilibrage électrique
global des
différentes sections de conducteurs.
Le principe de compensation ou équilibrage magnétique de l'aluminerie 1 selon
l'invention
permet d'obtenir pour l'aluminerie 1 un circuit de conducteurs pouvant être
réalisé de
façon modulaire, comme cela est illustré sur la figure 7. Chaque module M peut
comporter
par exemple un conducteur électrique du premier circuit électrique de
compensation 4 et
un certain nombre de conducteurs d'acheminement 24 et de conducteurs de montée
et de
connexion 22 associés pour chaque cuve 10 d'électrolyse. Le fait est que les
conducteurs
électriques compris dans chaque module M (conducteurs de montée et de
connexion 22,
ensemble anodique 14, cathode 16, conducteurs cathodiques 18, sorties
cathodiques 20,
conducteurs d'acheminement 24, conducteurs électriques du premier circuit de
compensation 4) sont configurés pour générer une même configuration magnétique
prédéterminée. En d'autres termes, les conducteurs électriques de chaque
module M sont
agencés et parcourus par des courants tels que chaque module M génère les
mêmes
composantes verticale et horizontales de champ magnétique.
Le circuit de conducteurs, et donc chaque cuve 10 d'électrolyse, peut être
composé d'un
certain nombre N de modules M, déterminant la longueur des cuves 10
d'électrolyse et
l'intensité du courant traversant les cuves 10 d'électrolyse (l'intensité du
courant
d'électrolyse IE circulant dans la série de cuves d'électrolyse étant égale à
l'intensité de la
fraction de courant d'électrolyse traversant chaque module M multipliée par le
nombre N
de modules M).
Il est important de préciser que, compte-tenu de la configuration magnétique
de chaque
module M, le choix du nombre N de modules M par cuve 10 d'électrolyse,
compensé par
le circuit secondaire de compensation 6 sur les extrémités de cuve, ne
perturbe que peu
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l'équilibre magnétique des cuves 10 d'électrolyse. Cela permet d'obtenir une
configuration
magnétique optimale, et ce, pour des ampérages au-delà de 1000 kA voire 2000
kA lors
de la conception ou une extension de la longueur des cuves 10 d'électrolyse
par addition
de tels modules. A contrario, l'allongement de cuves d'électrolyse de type
auto-
compensée ou compensée par des circuits magnétiques de compensation disposés
sur
les côtés des cuves connues de l'art antérieur imposent de redessiner
complètement les
circuits de conducteurs. Aussi, le rapport de la quantité de matériau formant
le circuit de
conducteurs ramené à la surface de production des cuves 10 d'électrolyse ne se
dégrade
pas lorsque l'on allonge les cuves 10 d'électrolyse, il augmente
proportionnellement au
nombre N de modules M et à l'intensité traversant les cuves 10 d'électrolyse.
Ainsi, les
cuves 10 d'électrolyse peuvent être allongées simplement en fonction des
besoins et
l'intensité du courant les traversant n'est pas limitée. La construction
modulaire des
conducteurs électriques des cuves 10 d'électrolyse offre donc un avantage en
termes
d'évolutivité, puisque cette construction modulaire, combinée à un simple
ajustement de
I'mpérage du circuit secondaire de compensation, permet de modifier les cuves
10
d'électrolyse sans porter atteinte à leur équilibrage magnétique et
électrique.
Le tableau de la figure 9, lu en combinaison avec la figure 8, montre pour un
module les
valeurs d'intensité parcourant les différents éléments électriquement
conducteurs des
cuves 10 d'électrolyse, ces éléments conducteurs étant symbolisés par des
segments :
Si pour les conducteurs de montée et de connexion amont 22A; S2, S5 et S8 pour
la
première partie 34 du support 30; S3 et S9 pour la deuxième partie 36 du
support 30, la
ou les anodes 32, le bain électrolytique, la nappe d'aluminium 40, la cathode
16, les
conducteurs cathodiques 18 et les sorties cathodiques 20; S4, S6 et S10 pour
les
conducteurs d'acheminement 24; S7 pour les conducteurs de montée et de
connexion
aval 22B.
On précise que la somme des intensités i et ia indiquées dans le tableau des
figures 9, 13
et 14 est égale à l'intensité du courant d'électrolyse amont lEA divisée par
le nombre N de
modules de la cuve 10 d'électrolyse ; l'intensité ib est égale à l'intensité
du courant
d'électrolyse aval IEB divisée par le nombre N de modules de la cuve 10
d'électrolyse ; la
somme de ia et ib est égale à i ; la somme des courants d'électrolyse amont et
aval lEA,
IEB est donc égale à 2i multiplié par le nombre N de modules ; et l'intensité
du courant
d'électrolyse IE circulant à travers la série de cuves d'électrolyse est égale
à la somme de
l'intensité du courant d'électrolyse amont lEA traversant toute la partie
amont de la cuve
d'électrolyse et de l'intensité du courant d'électrolyse aval IEB traversant
toute la partie
aval de la cuve d'élecrtolyse, c'est-à-dire au produit de 2i et du nombre N de
modules de
la cuve d'électrolyse.
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Les figures 10 à 12 sont des vues schématiques filaires du circuit électrique
parcouru par
le courant d'électrolyse dans un module d'une cuve 10 d'électrolyse de
l'aluminerie 1, et
montrant pour cette cuve 10 d'électrolyse les trois zones principales P1, P2,
P3 générant
un champ magnétique perturbateur significatif : une zone P1 amont, une zone P2
intermédiaire centrale, et une zone P3 aval symétrique de la zone P1 amont par
rapport à
un plan médian longitudinal YZ des cuves 10 d'électrolyse.
Le tableau de la figure 13, lu en combinaison avec les figures 10, 11 et 12,
montre
schématiquement la composante verticale du champ magnétique généré par les
conducteurs électriques (représentés schématiquement par des segments) de la
cuve 10
d'électrolyse, respectivement dans les trois zones P1, P2, P3 des cuves 10
d'électrolyse,
par les premier et deuxième circuits de compensation 4, 6. En additionnant les
contributions de chacun de ces conducteurs électriques, et celle du premier et
du
deuxième circuit de compensation 4, 6, on constate que la composante verticale
Bz de
champ magnétique généré par la circulation du courant d'électrolyse est nulle,
c'est-à-dire
parfaitement compensée. Ainsi, les instabilités MHD sont réduites au minimum ;
cela offre
la possibilité d'améliorer substantiellement le rendement.
En outre, le tableau de la figure 14, lu aussi en combinaison avec les figures
10, 11 et 12,
montre schématiquement la composante horizontale longitudinale du champ
magnétique
généré par la circulation du courant d'électrolyse à travers les conducteurs
électriques
(symbolisés par des segments) de la cuve 10 d'électrolyse, zone par zone, et à
travers les
premier et deuxième circuits de compensation 4, 6. La composante horizontale
transversale du champ magnétique est quant à elle bien antisymétrique car les
conducteurs sont symétriques par rapport au plan XZ. En additionnant les
contributions
de chaque segment, et celles des premier et deuxième circuits de compensation
4, 6, on
constate que la composante horizontale longitudinale By du champ magnétique
est
antisymétrique (opposée dans les zones P1, P3 amont et aval, et nulle dans la
zone P2
centrale). Cette antisymétrie supprime les effets délétères liés aux
composantes
horizontales du champ magnétique.
Le premier circuit électrique de compensation 4 est décrit plus en détails ci-
après.
Le premier circuit électrique de compensation 4 s'étend sous les cuves 10
d'électrolyse.
Ce premier circuit électrique de compensation 4 est destiné à être parcouru
par un
premier courant de compensation IC1, en sens inverse du sens de circulation
global du
courant d'électrolyse 1E, comme cela est visible sur les figures 5 et 7. On
rappel que par
sens de circulation global du courant d'électrolyse IE on entend sens de
circulation du
courant d'électrolyse IE à l'échelle de l'aluminerie 1 ou de la ou des files 2
de cuves 10
d'électrolyse.
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Le premier circuit électrique de compensation 4 comprend des conducteurs
électriques
qui peuvent être des barres métalliques, par exemple en aluminium, cuivre ou
acier, ou,
de manière avantageuse, des conducteurs électriques en matériau
supraconducteur, ces
derniers permettant de réduire la consommation d'énergie et, du fait de leur
masse plus
faible que celle des conducteurs équivalents en métal, de réduire les frais de
structure
pour les supporter ou pour les protéger d'éventuelles coulées de métal au
moyen de
déflecteurs 42 métalliques (figure 7) ou en les enterrant. Avantageusement,
ces
conducteurs électriques en matériau supraconducteur peuvent être agencés pour
réaliser
plusieurs tours en série sous la ou les files de cuves, comme cela est décrit
dans la
demande de brevet W02013007893 au nom de la demanderesse.
L'aluminerie 1 comprend une station 44 d'alimentation configurée pour faire
circuler à
travers le premier circuit électrique de compensation 4 une intensité de
courant IC1 égale
au double de l'intensité du courant d'électrolyse aval IEB, à plus ou moins
20% près, et de
préférence à plus ou moins 10% près.
Cette station 44 d'alimentation peut être une station d'alimentation
électrique propre,
c'est-à-dire distincte de la station 8 d'alimentation alimentant les cuves 10
d'électrolyse en
courant d'électrolyse IE. La station 44 d'alimentation électrique du premier
circuit de
compensation 4 est donc exclusivement dédiée à l'alimentation de ce premier
circuit de
compensation 4.
Le premier circuit électrique de compensation 4 est ainsi également
indépendant du
circuit électrique principal parcouru par le courant d'électrolyse IE
comprenant notamment
la ou les files 2 de cuves 10 d'électrolyse. Si le premier circuit électrique
de compensation
4 subit une avarie, par exemple un perçage d'une des cuves 10 d'électrolyse
par les
liquides contenus dans les cuves d'électrolyse, dont la température est proche
de 1
000 C, la réaction d'électrolyse peut se poursuivre, avec un rendement moindre
toutefois
puisque la compensation magnétique est impactée. De plus, l'intensité du
premier courant
de compensation IC1 est modifiable indépendamment du courant d'électrolyse IE.
Cela
est d'une importance primordiale en termes d'évolutivité et d'adaptabilité.
D'une part
parce que cela permet, en cas d'augmentation de l'intensité du courant
d'électrolyse I E en
cours de vie de l'aluminerie 1, d'adapter la compensation magnétique à cette
évolution,
par variation de l'intensité du premier courant de compensation IC1 en
fonction des
besoins. D'autre part parce que cela permet d'adapter l'ampérage du premier
courant de
compensation IC1 aux caractéristiques et à la qualité de l'alumine disponible.
Cela permet
de contrôler la vitesse des écoulements MHD pour favoriser ou limiter le
brassage des
liquides et la dissolution de l'alumine dans le bain en fonction des
caractéristiques de
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l'alumine disponible, ce qui in fine contribue à un rendement le meilleur
possible compte-
tenu des approvisionnements en alumine.
Les conducteurs électriques du premier circuit électrique de compensation 4
s'étendent
sous les cuves d'électrolyse en formant ensemble une nappe de conducteurs
électriques
parallèles, avantageusement de deux à douze, et de préférence de trois à dix
conducteurs électriques parrallèles. En d'autres termes, en section
longitudinal d'une
cuve 10 d'électrolyse, c'est-à-dire dans un plan longitudinal YZ de la cuve 10
d'électrolyse, comme cela est représenté sur la figure 7, le premier circuit
électrique de
compensation 4 s'étend sous plusieurs endroits de la cuve 10 d'électrolyse. On
notera
que le premier courant de compensation IC1 circule en sens contraire du sens
de
circulation global du courant d'électrolyse 1E, ce à travers tous les
conducteurs électriques
formant la nappe. La nappe peut être formée par un même circuit électrique
formant
plusieurs tours ou boucles en série sous les cuves 10 d'électrolyse, chaque
boucle
correspondant à un conducteur électrique de la nappe. Alternativement, la
nappe peut
être formée par une division en un faisceau de conducteurs électriques
parallèles du
premier circuit électrique de compensation 4, ce dernier pouvant former le cas
échéant
une seule boucle sous les cuves 10 d'électrolyse.
L'intensité du premier courant de compensation IC1 est égale à la somme des
intensités
du courant de compensation parcourant chaque conducteur électrique de la
nappe. De
préférence, l'intensité du premier courant de compensation IC1 dans chaque
conducteur
électrique de la nappe est égale à l'intensité du premier courant de
compensation IC1
divisée par le nombre de conducteurs électriques de cette nappe.
Les conducteurs électriques de la nappe sont avantageusement équidistants les
uns des
autres. Une même distance sépare donc deux conducteurs électriques adjacents
de la
nappe. On améliore encore ainsi la compensation du champ magnétique
défavorable.
Les conducteurs électriques de la nappe peuvent s'étendre parallèlement les
uns aux
autres. Ils s'étendent de préférence parallèlement à la direction transversale
X des cuves
d'électrolyse. Par ailleurs, les conducteurs électriques formant la nappe
peuvent être
agencés tous dans un même plan horizontal XY. Cela permet aussi d'améliorer la
compensation du champ magnétique généré par la circulation du courant
d'électrolyse.
De plus, les conducteurs électriques de la nappe peuvent s'étendre
sensiblement
symétriquement par rapport au plan médian transversal XZ des cuves
d'électrolyse, c'est-
à-dire par rapport au plan perpendiculaire à la direction longitudinale Y, ce
plan séparant
les cuves 10 d'électrolyse en deux moitiés sensiblement égales.
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Selon l'exemple de la figure 7, le premier circuit électrique de compensation
4 forme une
nappe de trois conducteurs sensiblement équidistants et agencés dans un même
plan XY
sensiblement horizontal. Cette nappe comprend autant de conducteurs
électriques que la
cuve 10 d'électrolyse comprend de modules M.
De fait, la nappe est avantageusement configurée pour que chaque module M de
la cuve
d'électrolyse comprenne le même nombre de conducteurs électriques du premier
circuit électrique de compensation 4. Cela permet d'obtenir une compensation
du champ
magnétique par module, ce qui produit de meilleurs effets et offre un avantage
significatif
en termes de mise en oeuvre et d'évolutivité.
Le deuxième circuit électrique de compensation 6 est décrit plus en détails ci-
après.
Le deuxième circuit électrique de compensation 6 s'étend sur au moins un côté,
transversal, des cuves 10 d'électrolyse, de façon sensiblement parallèle à la
direction
transversale X des cuves 10 d'électrolyse, c'est-à-dire parallèlement à la ou
les files 2 de
cuves 10 d'électrolyse. Le deuxième circuit électrique de compensation 6 est
destiné à
être parcouru par un deuxième courant de compensation IC2, dans le même sens
que le
sens de circulation global du courant d'électrolyse IE.
De préférence, le deuxième circuit électrique de compensation 6 s'étend le
long des deux
côtés transversaux des cuves 10 d'électrolyse, comme cela est illustré sur la
figure 5.
Dans ce cas, on désigne par boucle interne 61 les conducteurs électriques du
deuxième
circuit électrique de compensation 6 qui sont situés entre les deux premières
files 2
adjacentes de cuves 10 d'électrolyse, et par boucle externe 62 les conducteurs
électriques du deuxième circuit électrique de compensation 6 qui sont situés
côté
extérieur des files 2 de cuves 10 d'électrolyse, c'est-à-dire 'qui sont de
l'autre côté des
cuves 10 d'électrolyse par rapport aux conducteurs électriques formant la
boucle interne
61. La boucle interne 61 est parcourue par un deuxième courant de compensation
IC21 et
la boucle externe 62 est parcourue par un deuxième courant de compensation
IC22. Les
deuxième courants de compensation IC21 et IC22 circulent dans le même sens. La
somme des courants IC21 et IC22 circulant respectivement dans la boucle
interne 61 et
dans la boucle externe 62 est égale au courant de compensation IC2. La boucle
interne
61 et/ou la boucle externe 62 peuvent éventuellement faire plusieurs tours en
série ; le
cas échéant l'intensité du courant IC21, respectivement IC22, est le produit
du nombre de
tours en série par l'intensité du courant circulant dans chaque tour en série.
L'aluminerie 1 comprend une station 46 d'alimentation qui est avantageusement
configurée pour faire circuler à travers le deuxième circuit électrique de
compensation 6
(boucle interne 61 et/ou boucle externe 62) une intensité totale (le cas
échéant boucle
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interne 61 plus boucle externe 62) de courant de compensation IC2 comprise
entre 50%
et 100% de la différence d'intensité entre les courants d'électrolyse amont et
aval, et de
préférence comprise entre 80% et 100% de la différence d'intensité entre les
courants
d'électrolyse amont et aval. Cette valeur d'intensité, fixée en fonction de la
répartition
dissymétrique du courant d'électrolyse IE dans chaque cuve 10 d'électrolyse,
offre, en
synergie avec le choix de la valeur de répartition dissymétrique lEA, IEB et
de l'intensité
du premier courant de compensation IC1, les meilleurs résultats de
compensation du
champ magnétique, applicable efficacement aux cuves 10 d'électrolyse de
grandes
dimensions.
De préférence, l'intensité du courant IC21 circulant dans la boucle interne 61
diffère de
l'intensité du courant IC22 circulant dans la boucle externe 62. Plus
particulièrement,
l'intensité du courant IC21 circulant dans la boucle interne 61 est
avantageusement
supérieure à l'intensité du courant IC22 circulant dans la boucle externe 62.
Le courant parcourant la boucle interne 61 pourra être augmenté afin de
compenser
l'impact de la file voisine sur le champ magnétique vertical. Cette
augmentation aura une
valeur typique voisine de (à 50% près) IE2xD61/DP2, où 1E2 = 1E¨IC1 + 1C2 = IE
+ I EA -
3 IEB et DP2 est la distance de la file voisine au centre de la cuve et D61
est la distance
de la boucle interne 61 au centre de la cuve. Pour une série d'électrolyse
classique 1E2
est supérieur ou égal à IE. On peut noter que IE + lEA - 3 IEB est très
inférieur à IE. Ceci
est un gain de ce design qui permet le rapprochement de la file voisine car la
création du
champ magnétique par la file voisine est beaucoup plus faible sans surcoût par
rapport à
ce qui est connue par l'homme du métier.
La station 46 d'alimentation alimentant le deuxième circuit de compensation 6
peut être
une station d'alimentation électrique propre, c'est-à-dire distincte de la
station 8
d'alimentation alimentant les cuves 10 d'électrolyse en courant d'électrolyse
IE et distincte
de la station 44 d'alimentation alimentant le premier circuit électrique de
compensation 4.
La station 46 d'alimentation électrique du deuxième circuit de compensation 6
est donc
exclusivement dédiée à l'alimentation de ce deuxième circuit de compensation
6. Le
deuxième circuit électrique de compensation 6 est ainsi également indépendant
du circuit
électrique principal parcouru par le courant d'électrolyse IE. L'intensité du
deuxième
courant de compensation IC2 est modifiable indépendamment du courant
d'électrolyse 1E,
offrant ainsi des avantages substantiels en termes d'évolutivité et
d'adaptabilité de
l'aluminerie 1, comme expliqué précédemment concernant le premier circuit
électrique de
compensation 4. Avantageusement, le deuxième circuit de compensation 6 peut
être
également distinct du premier circuit de compensation 4.
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Quand le deuxième circuit électrique de compensation 6 s'étend des deux côtés
des
cuves 10 d'électrolyse, les conducteurs électriques formant ce deuxième
circuit électrique
de compensation 6 peuvent avantageusement être symétriques par rapport à un
plan XZ
transversal médian des cuves 10 d'électrolyse. Cela améliore la compensation
du champ
magnétique délétère.
Par ailleurs, toujours dans l'optique de compenser efficacement ce champ
magnétique,
créé par la circulation du courant d'électrolyse 1E, les conducteurs
électriques du
deuxième circuit électrique de compensation 6 s'étendent avantageusement dans
un
même plan horizontal XY. De préférence, ce plan horizontal XY est situé à
hauteur de la
nappe d'aluminium 40 liquide formée à l'intérieur des cuves 10 d'électrolyse
au cours de
la réaction d'électrolyse.
On notera que les conducteurs électriques formant le deuxième circuit
électrique de
compensation 6 peuvent avantageusement être configurés de manière à limiter
les effets
de fin de file , comme cela est montré sur la figure 5.
Les conducteurs électriques formant le deuxième circuit électrique de
compensation 6
peuvent être des barres métalliques, par exemple en aluminium, cuivre ou
acier, ou, de
manière avantageuse, à des conducteurs électriques en matériau
supraconducteur, ces
derniers permettant de réduire la consommation d'énergie et, du fait de leur
masse plus
faible que celle des conducteurs équivalents en métal, de réduire les frais de
structure
pour les supporter. Avantageusement, ces conducteurs électriques en matériau
supraconducteur peuvent être agencés pour réaliser plusieurs tours en série
sur le ou les
côtés des files 2 de cuves 10 d'électrolyse, comme cela est décrit dans la
demande de
brevet W02013007893 au nom de la demanderesse.
L'invention concerne également un procédé de compensation du champ magnétique
créé
par la circulation d'un courant d'électrolyse IE dans les cuves 10
d'électrolyse de
l'aluminerie 1 décrite ci-dessus. Ce procédé comprend :
- le fait de faire circuler, en sens contraire du sens de circulation
global du courant
d'électrolyse 1E, le premier courant de compensation IC1 à travers le premier
circuit
électrique de compensation 4,
- le fait de faire circuler, dans le même sens de circulation que le sens
de circulation
global du courant d'électrolyse 1E, le deuxième courant de compensation IC2 à
travers le deuxième circuit électrique de compensation 6.
Le procédé comprend aussi avantageusement le fait de répartir de façon
dissymétrique le
courant d'électrolyse IE entre les conducteurs électriques de montée et de
connexion
amont 22A et les conducteurs électriques de montée et de connexion aval 22B.
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Cette étape de répartition dissymétrique du courant d'électrolyse entre
l'amont et l'aval
des cuves 10 d'électrolyse comprend la séparation du courant d'électrolyse IE
en un
courant d'électrolyse amont lEA, qui circule à travers l'ensemble des
conducteurs
électriques de montée et de connexion amont 22A de chaque cuve 10
d'électrolyse, de
sorte que l'intensité du courant d'électrolyse amont I EA soit comprise entre
]50-100[% de
l'intensité du courant d'électrolyse 1E, et en un courant d'électrolyse aval
IEB, qui circule à
travers l'ensemble des conducteurs électriques de montée et de connexion aval
22B de
chaque cuve 10 d'électrolyse, de sorte que l'intensité du courant
d'électrolyse aval IEB
soit comprise entre ]0-50[% de l'intensité du courant d'électrolyse 1E, la
somme des
intensités des courants d'électrolyse amont et aval lEA, IEB étant égale à
l'intensité du
courant d'électrolyse IE.
L'étape de mise en circulation du premier courant de compensation IC1 est
avantageusement telle que l'intensité du premier courant de compensation IC1
soit égale
au double de l'intensité du courant d'électrolyse aval IEB, à plus ou moins
20% près, et de
préférence à plus ou moins 10% près.
L'étape de mise en circulation du deuxième courant de compensation IC2 est
avantageusement telle que l'intensité totale (boucle interne 61 + externe 62)
du deuxième
courant de compensation IC2 soit comprise entre 50% et 100% de la différence
d'intensité
entre les courants d'électrolyse amont lEA et aval IEB , et de préférence
comprise entre
80% et 100% de la différence d'intensité entre les courants d'électrolyse
amont et aval.
Pour ces valeurs d'intensités du courant d'électrolyse amont lEA, du courant
d'électrolyse
aval IEB, du premier courant de compensation IC1 et du deuxième courant de
compensation IC2, la demanderesse a constaté que le champ magnétique généré
par la
circulation du courant d'électrolyse est le plus efficacement compensé.
De plus, l'intensité du courant IC21 circulant dans la boucle interne 61 peut
différer de
l'intensité du courant IC22 circulant dans la boucle externe 62. Plus
particulièrement,
l'intensité du courant IC21 circulant dans la boucle interne 61 est
avantageusement
supérieure à l'intensité du courant IC22 circulant dans la boucle externe 62.
Par ailleurs, le procédé peut comprendre avantageusement une étape d'analyse
d'au
moins une caractéristique de l'alumine dans au moins une des cuves 10
d'élecrolyse de
l'aluminerie 1 décrite précédemment, et la détermination d'une répartition de
valeurs
d'intensité des courants d'électrolyse amont et aval lEA, IEB à faire circuler
en fonction de
cette caractéristique analysée, ce qui définit aussi le cas échéant les
valeurs d'intensité
des premier et deuxième courants de compensation IC1, IC2 et le cas échéant
des
courants d'électrolyse amont et aval lEA, IEB. Les valeurs d'intensité des
premier et
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WO 2016/128824 PCT/1B2016/000120
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deuxième courants de compensation IC1, IC2, et le cas échéant des courants
d'électrolyse amont et aval lEA, IEB, peuvent être ensuite modifiées jusqu'aux
valeurs
déterminées précédemment si les valeurs d'intensité des premier et deuxième
courants
de compensation IC1, IC2 et des courants d'électrolyse amont et aval lEA, IEB
initiales
diffèrent des valeurs ainsi déterminées. Ainsi, le procédé permet de modifier
la
compensation magnétique, afin d'augmenter ou réduire le brassage des liquides
tout en
contrôlant les instabilités MHD. De manière générale plus le brassage (ou
l'écoulement)
des liquides est fort, plus la dissolution d'alumine va être efficace mais
plus l'interface
bain/métal va être instable (= instabilité MHD), ce qui peut dégrader le
rendement des
cuves. Un tel procédé est particulièrement intéressant avec la configuration
des
conducteurs électriques décrite ci-dessus car il rend les cuves 10
d'électrolyse
magnétiquement très stables et offre donc une plus grande plage pour
moduler/optimiser
le brassage en fonction de la qualité de l'alumine. Les caractéristiques de
l'alumine
analysées peuvent notamment être l'habilité de l'alumine à se dissoudre dans
le bain, la
fluidité de l'alumine, sa solubilité, sa teneur en fluor, son humidité...
La détermination d'une répartition de valeurs d'intensité des courants de
compensation
amont et aval lEA, IEB et/ou de valeurs d'intensité des premier et deuxième
courants de
compensation IC1, IC2 en fonction des caractéristiques de l'alumine analysée
peut être
notamment effectuée par utilisation d'un abaque, par exemple réalisé par
l'homme du
métier par calcul, expérimentation et consignation des correspondances
optimales
intensités des courants d'électrolyse amont et aval lEA, IEB /
caractéristiques de
l'alumine. Il s'agit ici de quantifier l'intensité du brassage des liquide
souhaité au regard du
niveau d'instabilités MHD.
Il peut arriver que l'alumine disponible pour un fonctionnement continu de
l'aluminerie soit
de qualité différente, notamment plus ou moins pâteuse, et donc ayant des
habilités
différentes à se dissoudre dans le bain d'électrolyse. Dans ce cas, les
mouvements des
liquides dans les cuves 10 d'électrolyse constituent un atout, car ils
permettent de brasser
cette alumine pour favoriser sa dissolution. Or, dans le cas de l'auto-
compensation
notamment (utilisée dans l'état de la technique), le champ magnétique à
l'origine des
mouvements des liquides est directement compensé via le courant d'électrolyse
lui-
même, avec une distribution du champ magnétique imposée et figée par le
parcours des
conducteurs d'acheminement. Il n'est donc pas possible dans les alumineries
avec auto-
compensation d'introduire volontairement et temporairement un déséquilibre
dans la
compensation du champ magnétique afin d'augmenter l'intensité du brassage de
l'alumine dans les cuves, et ce afin d'augmenter l'efficacité de la
dissolution. Ainsi,
lorsque l'alumine disponible est uniquement de l'alumine plus difficile à
dissoudre que
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d'ordinaire, le rendement d'alumineries avec auto-compensation peut être
sensiblement
affecté.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation
décrit ci-dessus,
ce mode de réalisation n'ayant été donné qu'à titre d'exemple. Des
modifications sont
possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou
par la
substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du champ de
protection de
l'invention. Ainsi, la présente invention est par exemple compatible avec
l'utilisation
d'anodes de type inerte au niveau desquelles se forme de l'oxygène au
cours de la
réaction d'électrolyse.
