Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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WO 2013/007892 1 PCT/FR2012/000281
Aluminerie comprenant des cuves à sortie cathodique par le fond du caisson et
des
moyens de stabilisation des cuves
La présente invention concerne une usine de production d'aluminium à partir
d'alumine par électrolyse, également appelée 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
composée notamment d'un caisson en acier, d'un revêtement intérieur
réfractaire, et
d'une cathode en matériau carboné, reliée à des conducteurs servant à
l'acheminement
du courant d'électrolyse. La cuve d'électrolyse contient également un bain
électrolytique
constitué notamment de cryolithe dans lequel est dissout de l'alumine. Le
procédé de
Hall-Héroult consiste à plonger partiellement un bloc carboné constituant
l'anode dans ce
bain électrolytique, l'anode étant consommée au fur et à mesure de l'état
d'avancement
de la réaction. Au fond de la cuve d'électrolyse se dépose par gravité
l'aluminium liquide,
produit par la réaction d'électrolyse, ce qui forme une nappe d'aluminium
liquide qui
recouvre intégralement la cathode.
Généralement, les usines de production d'aluminium comprennent plusieurs
centaines de cuves d'électrolyse connectées en série dans des halls. Ces cuves
d'électrolyse sont parcourues par un courant d'électrolyse de l'ordre de
plusieurs
centaines de milliers d'Ampères, ce qui crée des champs magnétiques
importants.
Suivant la distribution des différentes composantes du champ magnétique dans
la cuve,
la nappe d'aluminium peut être instable, ce qui dégrade fortement le rendement
de la
cuve. Il est connu notamment que la composante verticale du champ magnétique
est un
facteur déterminant pour la stabilité d'une cuve d'électrolyse.
Il est connu d'améliorer la stabilité des cuves d'électrolyse en minimisant la
composante verticale du champ magnétique présente dans la cuve. Pour cela, on
compense le champ magnétique vertical à l'échelle d'une cuve d'électrolyse
grâce à une
disposition particulière des conducteurs acheminant le courant d'électrolyse
d'une cuve N
à une cuve N+1. Une partie de ces conducteurs, généralement des barres en
aluminium,
contournent les extrémités de la cuve N. La figure 1 illustre schématiquement,
vue de
dessus, une cuve 100 d'électrolyse dans laquelle le champ magnétique est auto-
compensé grâce à la disposition des conducteurs 101 reliant cette cuve N 100 à
la cuve
N+1 suivante 102 placée en aval. A cet effet, on remarque que des conducteurs
101 sont
excentrés par rapport à la cuve 100 et la contournent. Une telle méthode
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d'autocompensation magnétique est notamment connue du document de brevet
FR2469475.
Cependant, la méthode d'auto-compensation d'une cuve d'électrolyse impose
beaucoup de contraintes de conception en raison de l'encombrement important dû
à la
disposition particulière des conducteurs. De plus, la longueur importante des
conducteurs
pour la mise en uvre de cette solution génère de la perte électrique en ligne
et
nécessite beaucoup de matière (conducteurs en aluminium), d'où des couts
élevés en
terme de consommation énergétique et à la fabrication.
Une autre cause d'instabilité des cuves d'électrolyse, en plus de la
composante
verticale du champ magnétique, est la présence de courants électriques
horizontaux dans
la nappe d'aluminium. La figure 2 montre une cuve 200 d'électrolyse
appartenant à l'état
de la technique, parcourue par un courant d'électrolyse 1200. La cuve 200
d'électrolyse
présente une anode 201, un caisson 202 contenant notamment un bain
électrolytique
203, une nappe d'aluminium liquide 204 et une cathode 205. Il est à noter que
les
courants horizontaux sont importants dans les milieux parcourus
particulièrement
conducteurs. C'est le cas notamment lorsque le courant d'électrolyse 1200
parcourt la
nappe d'aluminium liquide 204.
Aussi la présente invention a pour but de remédier en tout ou partie à ces
inconvénients, en proposant une aluminerie dans laquelle la stabilité des
liquides
contenus dans les cuves d'électrolyse est améliorée, et présentant des coûts
de
conception, de fabrication et d'exploitation moindres.
A cet effet, la présente invention a pour objet une aluminerie comprenant :
(i) une série de cuves d'électrolyse, destinées à la production d'aluminium
selon le
procédé de Hall-Héroult,
chaque cuve d'électrolyse comprenant au moins une anode, une cathode et un
caisson muni d'une paroi latérale et d'un fond, chaque cathode comprenant au
moins une
sortie cathodique,
(ii) un circuit électrique principal parcouru par un courant d'électrolyse,
reliant
électriquement les cuves d'électrolyse les unes aux autres,
le courant d'électrolyse parcourant en premier lieu une cuve d'électrolyse N,
placée
à l'amont, et en deuxième lieu une cuve d'électrolyse N+1, placée à l'aval,
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ledit circuit électrique principal comprenant un conducteur électrique relié à
chaque
sortie cathodique de la cuve d'électrolyse N,
le conducteur électrique étant également relié à la au moins une anode de la
cuve
d'électrolyse N+1, en vue d'acheminer le courant d'électrolyse de la cuve
d'électrolyse N
à la cuve d'électrolyse N+1,
caractérisée en ce que l'aluminerie comprend en outre
(iii) au moins un moyen pour stabiliser les cuves d'électrolyse parmi au moins
un
circuit électrique secondaire parcouru par un courant électrique, permettant
de compenser
le champ magnétique créé par le courant d'électrolyse, ou l'utilisation d'une
cathode à
surface crénelée,
et en ce que
une au moins parmi la ou les sorties cathodiques de la cathode de la cuve
d'électrolyse N traverse le fond du caisson,
chaque conducteur électrique s'étendant depuis chaque sortie cathodique de la
cuve d'électrolyse N en direction de la cuve d'électrolyse N+1 est parcouru
lors du
fonctionnement des cuves (2) d'électrolyse N, N+1 par le courant d'électrolyse
(li) dans
un sens amont-aval uniquement.
Ainsi, l'invention permet d'améliorer la stabilité des cuves d'électrolyse
dans
l'aluminerie, en agissant à la fois sur les courants horizontaux traversant
les cuves et sur
le champ magnétique généré par le courant d'électrolyse et/ou la stabilité
cinétique de la
nappe d'aluminium contenu dans les cuves. Elle permet simultanément une
réduction de
l'encombrement et de la masse des conducteurs acheminant le courant
d'électrolyse
d'une cuve à une autre, et par conséquent une réduction des coûts associés à
la
conception et la fabrication de l'aluminerie selon l'invention. Les pertes
d'énergies sont en
outre réduites.
Selon une autre caractéristique de l'aluminerie selon l'invention, les cuves
d'électrolyse sont alignées suivant un axe, et en ce que le conducteur
électrique s'étend
de manière sensiblement rectiligne et de manière sensiblement parallèle à
l'axe
d'alignement des cuves d'électrolyse.
Selon une autre caractéristique de l'aluminerie selon l'invention, chaque
cathode
comprend en outre au moins une sortie cathodique traversant la paroi latérale
avale du
caisson.
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Cette caractéristique présente l'avantage de diminuer davantage l'encombrement
et
la masse des conducteurs électriques acheminant le courant d'électrolyse d'une
cuve à
une autre. Cette sortie cathodique traverse la paroi latérale du caisson de la
cuve N au
niveau de son côté aval, afin de respecter la caractéristique selon laquelle
chaque
conducteur électrique s'étend en direction de la cuve N+1, dans un sens amont-
aval
uniquement. Du fait de la proximité du côté aval de la cuve N et de la cuve
N+1, la
longueur du conducteur électrique reliant cette sortie cathodique à l'anode de
la cuve N+1
est inférieure à celle d'un conducteur électrique reliant une sortie
cathodique par le fond
de la cuve N à l'anode de la cuve N+1. Ainsi, ce mode de réalisation présente
l'avantage
d'une diminution de l'encombrement et de la longueur des conducteurs
électriques par
rapport à un mode de réalisation de l'aluminerie selon l'invention dans lequel
les cuves
comportent des sorties cathodiques par le fond uniquement.
Préférentiellement, chaque sortie cathodique aval traversant la paroi latérale
du
caisson de la cuve d'électrolyse N comprend une barre métallique, plus
particulièrement
formée d'acier, avec un insert ou une plaque en cuivre.
Cela permet d'équilibrer la tension au niveau de la sortie cathodique
traversant le
fond du caisson par rapport à celle au niveau de la sortie cathodique
traversant la paroi
latérale du caisson.
De manière avantageuse, le caisson de la cuve d'électrolyse N comprend
plusieurs
arceaux fixés à la paroi latérale et au fond du caisson, les conducteurs
électriques reliés à
chaque sortie cathodique traversant le fond du caisson de la cuve
d'électrolyse N
s'étendant entre les arceaux.
Cette caractéristique présente l'avantage de diminuer l'encombrement des
conducteurs électriques acheminant le courant d'électrolyse d'une cuve à une
autre.
Avantageusement, les cuves d'électrolyse comprennent des moyens de court-
ci rcuitage.
Les moyens de court-circuitage permettent de court-circuiter une cuve
d'électrolyse
en vue de la retirer pour des opérations de maintenance, tout en continuant
l'exploitation
des autres cuves de la série.
Avantageusement, les moyens de court-circuitage de la cuve d'électrolyse N+1
comprennent au moins un conducteur électrique de court-circuitage placé à
demeure
entre la cuve d'électrolyse N et la cuve d'électrolyse N+1, chaque conducteur
électrique
de court-circuitage étant relié électriquement à un des conducteurs
électriques relié à une
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sortie cathodique de la cuve traversant le fond du caisson de la cuve
d'électrolyse N+1, et
chaque conducteur électrique de court-circuitage étant situé à une faible
distance d'un
des conducteurs électriques relié à une des sorties cathodiques de la cuve
d'électrolyse
N.
Selon une autre caractéristique de l'aluminerie selon l'invention, les moyens
de
court-circuitage de la cuve d'électrolyse N+1 comprennent au moins un
conducteur
électrique de court-circuitage placé à demeure entre la cuve d'électrolyse N
et la cuve
d'électrolyse N+1, chaque conducteur électrique de court-circuitage étant
relié
électriquement à un des conducteurs électriques relié à une sortie cathodique
de la cuve
traversant le fond du caisson de la cuve d'électrolyse N, et chaque conducteur
électrique
de court-circuitage étant situé à une faible distance d'un des conducteurs
électriques relié
à une des sorties cathodiques de la cuve d'électrolyse N+1.
La faible distance entre le conducteur de court-circuitage et l'autre
conducteur forme
des emplacements pour l'introduction de cales de court-circuitage. Ces cales
de court-
circuitage peuvent être introduite par le dessus ou par le dessous dans le
deuxième cas.
Préférentiellement, au moins un circuit électrique secondaire comprend des
conducteurs électriques longeant le côté droit et/ou le côté gauche des cuves
d'électrolyse d'au moins une file de cuves d'électrolyse.
De manière avantageuse, le au moins un circuit électrique secondaire comprend
des conducteurs électriques s'étendant le long d'au moins une file de cuves
d'électrolyse,
sous lesdites cuves d'électrolyse.
De manière avantageuse, les conducteurs électriques du au moins un circuit
électrique secondaire sont en matériau supraconducteur. Cela permet de
diminuer la
chute de tension à laquelle chaque circuit secondaire est soumis, ce qui
permet des
économies d'énergie et d'utiliser une sous-station d'alimentation de chaque
circuit
électrique secondaire de puissance plus faible, donc moins coûteuse. Cette
caractéristique permet également de réduire les coûts de matière, par rapport
à des
conducteurs en aluminium ou en cuivre. Elle permet enfin de diminuer la taille
des
conducteurs électriques, ce qui se traduit par un gain de place dans
l'aluminerie.
Selon une autre caractéristique de l'aluminerie selon l'invention, le
conducteur
électrique du au moins un circuit électrique secondaire longe au moins deux
fois les cuves
d'électrolyse de la ou des files.
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Cette caractéristique offre la possibilité de diminuer l'intensité du courant
parcourant
ce circuit secondaire en vue de réaliser des économies d'énergie.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée qui est
exposée
ci-dessous en regard des dessins annexés dans lesquels :
- La figure 1 est une vue schématique de dessus d'une cuve d'électrolyse de
l'état
de la technique,
- La figure 2 est une vue schématique d'une cuve d'électrolyse appartenant à
l'état
de la technique,
- La figure 3 une vue schématique de dessus d'une aluminerie selon un mode
particulier de réalisation de la présente invention,
- La figure 4 est une vue schématique d'une cuve N et d'une cuve N+1 d'une
aluminerie selon un mode particulier de réalisation de l'invention,
- Les figures 5 et 6 sont des vues en coupe selon respectivement les lignes 1-
1 et
Il-Il de la figure 4,
- La figure 7 est une vue schématique d'une cuve d'électrolyse selon le mode
de
réalisation de la figure 4,
- La figure 8 est une vue schématique de dessus de la cuve N et de la cuve N+1
d'une aluminerie selon le mode particulier de réalisation de la figure 4,
- La figure 9 est une vue en coupe selon la ligne 111-11I de la
figure 8,
- La figure 10 est une vue schématique d'une cuve N et d'une cuve N+1 d'une
aluminerie selon un autre mode particulier de réalisation de l'invention,
- Les figures 11 et 12 sont des vues en coupe selon respectivement les lignes
IV-
IV et V-V de la figure 10,
- La figure 13 est une vue schématique de dessus de la cuve N et de la cuve
N+1
d'une aluminerie selon le deuxième mode particulier de réalisation de
l'invention,
- La figure 14 est une vue en coupe selon la ligne VI-V1 de la figure
13
- Les figures 15 et 16 sont des vues schématiques de dessus d'une aluminerie 1
selon des modes particuliers de réalisation de l'invention,
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WO 2013/007892 7 PCT/FR2012/000281
- Les figures 17, 18 et 19 sont des vues schématiques de profil de cathodes
crénelées pouvant équiper une cuve d'une aluminerie selon un mode de
réalisation de
l'invention,
- La figure 20 est une vue schématique de face d'un bloc cathodique crénelé
pouvant équiper une cuve d'une aluminerie selon un mode de réalisation de
l'invention,
- La figure 21 est une vue schématique de dessus d'un bloc cathodique crénelé
pouvant équiper une cuve d'une aluminerie selon un mode de réalisation de
l'invention.
La figure 3 montre une aluminerie 1 comprenant une pluralité de cuves 2
d'électrolyse. Les cuves 2 d'électrolyse peuvent être par exemple
rectangulaires. Elles
présentent alors deux grands côtés 2a correspondant à leur longueur et deux
petits côtés
2b correspondant à leur largeur.
Les petits côtés 2b de chaque cuve 2 peuvent être divisés en un côté gauche et
un
côté droit. Côté gauche et côté droit sont définis par rapport à un
observateur placé au
niveau du circuit électrique principal 4 et regardant dans le sens global
d'acheminement
du courant d'électrolyse l.
Les grands côtés 2a de chaque cuve 2 peuvent être divisés en un côté amont et
un
côté aval. Le côté amont correspond au grand côté 2a d'une cuve 2 adjacent à
la cuve 2
précédente, c'est-à-dire celle parcourue d'abord par le courant d'électrolyse
l. Le côté
aval correspond au grand côté 2a d'une cuve 2 adjacent à la cuve 2 suivante,
c'est-à-dire
celle parcourue ensuite par le courant d'électrolyse I. D'une manière plus
générale,
amont et aval sont définis par rapport au sens global de circulation du
courant
d'électrolyse l.
Dans l'exemple de la figure 3, les cuves 2 sont alignées suivant deux axes
parallèles, de manière à former une file F et une file F'. Chaque file F, F'
peut comporter
par exemple une centaine de cuves 2. Les files F et F' sont connectées
électriquement en
série l'une à l'autre. Les cuves 2 sont reliées électriquement en série les
unes aux autres.
Une série de cuves 2, pouvant contenir plusieurs files F, F', est reliée à ses
extrémités à
une sous-station d'alimentation 3. Le courant d'électrolyse l parcourt les
cuves 2 les unes
après les autres, définissant un circuit électrique principal 4.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, les cuves 2 d'électrolyse sont
agencées
de sorte que leurs grands côtés 2a soient perpendiculaires à leur axe
d'alignement.
Comme cela est visible sur la figure 3, l'aluminerie 1 comprend deux circuits
électriques secondaires 5 et 6 distincts du circuit électrique principal 4.
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Les circuits électriques secondaires 5 et 6 sont respectivement parcourus par
des
courants électriques 12 et 13. La valeur de l'intensité des courants
électriques 12 et 13, est
comprise entre 20% et 100% de celle de l'intensité du courant d'électrolyse l
et de
préférence entre 40% et 70%, et plus particulièrement encore de l'ordre de la
moitié. Le
sens d'acheminement des courants électriques 12 et 13 est avantageusement le
même que
le sens d'acheminement du courant d'électrolyse 11. Les circuits électriques
secondaires 5
et 6 peuvent chacun être reliés à une sous-station d'alimentation respective
20 et 21,
distincte de la sous-station d'alimentation 3, comme cela est visible par
exemple sur la
figure 15 ou sur la figure 16.
Les circuits électriques secondaires 5 et 6 sont formés par des conducteurs
électriques disposés parallèlement aux axes d'alignement des cuves 2. Ils
longent les
côtés droits et gauches des cuves 2 d'électrolyse de chaque file F, F' de la
série. Les
circuits électriques secondaires 5 et 6 peuvent également passer en tout ou
partie sous
les cuves 2 d'électrolyse.
Afin de stabiliser les liquides contenus dans les cuves 2 d'électrolyse, il
est possible
d'utiliser, de manière alternative ou complémentaire à l'utilisation des
circuits électriques
secondaires 5 et 6, un ou plusieurs blocs cathodiques 8 présentant une face
supérieure
crénelée, comme cela est visible sur les figures 17 à 21. La face supérieure
de ces blocs
cathodiques 8 comprend au moins un canal 8a s'étendant longitudinalement sur
une
partie au moins de la longueur des blocs cathodiques 8. En fonctionnement, la
surface
supérieure des crénaux est recouverte par la nappe d'aluminium et les canaux
8a sont
donc occupés par la nappe 11 d'aluminium qui se forme au cours de la réaction
d'électrolyse. La hauteur de la nappe d'aluminium au dessus de la surface
supérieure des
créneaux est notamment comprise entre 3 et 20 cm. Ainsi, les créneaux et
canaux 8a
permettent de limiter les mouvements de la nappe 11 d'aluminium pendant la
réaction
d'électrolyse et contribuent ainsi à la stabilité et à un meilleur rendement
des cuves 2
d'électrolyse.
Chaque cuve 2 d'électrolyse peut contenir une pluralité de blocs cathodiques 8
placés les uns à côté des autres. Au lieu de canaux 8a sur la face supérieure
d'une ou
plusieurs de ces blocs cathodiques 8, il est possible de prévoir une face
supérieure
inclinée, de sorte que les blocs cathodiques 8 placées les uns à côté des
autres forment
des canaux 8b, comme cela est représenté schématiquement sur la figure 19.
De tels blocs cathodiques à face supérieure crénelée sont notamment connus du
document de brevet US5683559.
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La face supérieure de ces blocs cathodiques 8 pourvus de canaux 8a
longitudinaux
peut également comporter un canal central 8c transversal, s'étendant au moins
partiellement sur la largeur des blocs cathodiques 8. Le canal central 8c
croise ainsi le ou
les canaux 8a s'étendant au moins partiellement sur la longueur des blocs
cathodiques 8.
Dans l'exemple des figures 20 et 21, le bloc cathodique 8 comprend sur sa face
supérieure un canal central 8c disposé perpendiculairement aux canaux 8a
s'étendant de
manière sensiblement parallèle à la longueur du bloc cathodique 8.
Classiquement, comme cela est visible sur la figure 4, une cuve 2
d'électrolyse
comprend un caisson 7 métallique, par exemple en acier. Le caisson 7
métallique
présente une paroi latérale 7a et un fond 7b. Il est garni intérieurement par
des matériaux
réfractaires (non visibles). La cuve 2 d'électrolyse comporte également une
cathode
formée de blocs cathodiques 8 en matériau carboné et des anodes 9 en matériau
carboné
également. Les anodes 9 sont destinées à être consommées au fur et à mesure de
la
réaction d'électrolyse dans un bain électrolytique 13 comportant notamment de
la
cryolithe et de l'alumine. Les anodes 9 sont reliées à une structure porteuse
par des tiges
10. Au cours de la réaction d'électrolyse, une nappe 11 d'aluminium liquide se
forme. La
cathode comprend des sorties cathodiques 12 traversant le caisson 7. Les
sorties
cathodiques 12 sont formées par exemple par des barres métalliques fixées sur
les blocs
cathodiques 8. Les sorties cathodiques 12 sont elles-mêmes reliées à des
conducteurs
électriques 14 permettant d'acheminer le courant d'électrolyse 11 depuis les
sorties
cathodiques 12 d'une cuve N (celle de gauche sur la figure 4) vers les anodes
9 d'une
cuve N+1 (celle de droite sur la figure 4).
Le courant d'électrolyse l traverse d'abord l'anode 9 de la cuve N, puis le
bain
électrolytique 13, la nappe 11 d'aluminium liquide, la cathode, les sorties
cathodiques 12
et les conducteurs électriques 14 qui l'acheminent ensuite vers l'anode 9 de
la cuve
suivante N+1.
Comme cela est représenté à la figure 4, qui illustre un mode particulier de
réalisation de la présente invention, les sorties cathodiques 12 traversent
avantageusement le fond 7b du caisson 7. Cela permet de réduire les courants
électriques horizontaux en vue d'améliorer le rendement des cuves 2. En effet,
pour une
même masse d'acier utilisée pour la partie horizontale sous les anodes de la
sortie
cathodique, la densité de courant globale est diminuée et donc la chute de
potentiel.
Aussi, les lignes de courant tendent à s'étendre de façon sensiblement
rectiligne, et donc
verticalement dans la nappe d'aluminium comme naturellement entre les anodes
et les
conducteurs électriques. La figure 7 montre à cet effet les lignes de courant
parcourant
une cuve 2 d'électrolyse. On remarque que les courants électriques
horizontaux, en
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WO 2013/007892 10 PCT/FR2012/000281
particulier dans la nappe 11 d'aluminium liquide, sont sensiblement réduits
par rapport à
ceux de la figure 2.
Un autre point remarquable est que les conducteurs électriques 14 s'étendent
de
manière rectiligne et parallèle à l'axe d'alignement des cuves 2 d'électrolyse
depuis les
sorties cathodiques 12 de la cuve N en direction de la cuve N+1 de sorte à
être parcouru
lors du fonctionnement des cuves 2 d'électrolyse N, N+1 par le courant
d'électrolyse
uniquement dans un sens amont-aval. Le sens amont-aval correspond au sens
global de
circulation du courant d'électrolyse I. Ainsi, un observateur placé au niveau
d'une cuve 2
d'électrolyse N et se déplaçant dans le sens amont-aval ne peut que se diriger
que vers la
cuve N+1. En particulier, pour atteindre la cuve N+1, cet observateur ne peut
rebrousser
chemin, même partiellement, en direction de la cuve N-1.
De plus, les conducteurs électriques 14 reliés aux sorties cathodiques 12
traversant
le fond 7b du caisson 7 ne s'étendent pas sous la totalité de la largeur du
caisson 7 de la
cuve N; il n'y a aucune traversée complète d'une cuve 2 d'électrolyse sous son
caisson 7
ou sur les côtés du caisson par un conducteur électrique 14. En particulier,
ils ne
traversent pas le plan contenant la paroi latérale amont du caisson 7 de la
cuve N.
L'extension rectiligne uniquement vers l'aval parallèlement à l'axe
d'alignement des
cuves 2 d'électrolyse constitue le trajet électrique le plus court pouvant
relier une sortie
cathodique de la cuve N, traversant le fond 7b du caisson 7 de cette cuve N,
jusqu'à
l'anode 9 de la cuve N+1 suivante. En effet, comme cela a été précédemment
mentionné,
le courant d'électrolyse 11 parcourant la cuve N traverse les sorties
cathodiques 12 puis
les conducteurs électriques 14 reliés aux sorties cathodiques 12. Le courant
d'électrolyse
l en parcourant les conducteurs électriques 14 est acheminé en ligne droite
parallèlement
à l'axe d'alignement des cuves 2 en direction de la cuve N+1 suivante. Cela
permet
notamment de faire des économies d'énergie.
De plus, cette disposition permet de limiter l'encombrement à proximité des
cuves 2
d'électrolyse. Il devient alors possible de réduire l'entraxe séparant deux
cuves 2
adjacentes afin d'augmenter la place disponible dans l'aluminerie 1, par
exemple pour
ajouter des cuves 2 d'électrolyse supplémentaires ou diminuer la taille des
bâtiments.
En outre, le fait d'utiliser des conducteurs électriques 14 s'étendant de
manière
rectiligne d'une cuve à l'autre parallèlement à l'axe d'alignement des cuves 2
simplifie la
structure de ces conducteurs électriques 14. Leur modularité rend leur
fabrication plus
économique.
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Il est à noter que cette disposition particulière est rendue possible
notamment par
l'existence du premier circuit électrique secondaire 5 et du deuxième circuit
électrique
secondaire 6 qui compensent les effets du champ magnétique créé par le courant
d'électrolyse I, ou celle de la cathode à face supérieure crénelée qui
stabilise les
mouvements de la nappe 11 d'aluminium liquide. Il n'est en effet pas
nécessaire de
configurer les conducteurs électriques 14 de manière à obtenir une auto-
compensation
des effets de ce champ magnétique à l'échelle de chaque cuve 2 d'électrolyse.
Les figures 5 et 6 montrent une vue en coupe d'une cuve 2 d'électrolyse selon
un
mode de réalisation de l'invention, respectivement selon la ligne 1-1 et la
ligne 11-11 de la
figure 4. Il est possible de voir que le caisson 7 d'une cuve 2 est soutenu
par une pluralité
d'arceaux 15. Les arceaux 15 sont disposés autour du caisson 7. Les arceaux 15
sont
fixés contre la paroi latérale 7a et le fond 7b du caisson 7. Ils sont
disposés parallèlement
les uns par rapport aux autres. Un espace, délimité entre deux arceaux 15
consécutifs,
est avantageusement occupé par les conducteurs électriques 14. On remarquera
que les
conducteurs électriques 14 peuvent raccorder les sorties cathodiques 12 par
paires.
La figure 8 montre schématiquement le dessus d'une cuve N (à gauche sur la
figure
8), placée en amont, et d'une cuve N+1 (à droite sur la figure 8), placée en
aval, selon le
mode de réalisation de la figure 4. La figure 9 montre une vue en coupe selon
la ligne III-
III de la figure 8. Les circuits électriques secondaires 5 et 6, disposés
parallèlement aux
petits côtés 2b des cuves 2 d'électrolyse, sont visibles. On remarquera
également sous le
caisson 7, les conducteurs électriques 14 qui s'étendent en ligne droite en
direction de la
cuve N+1. On remarquera également les arceaux 15 fixés sur la paroi latérale
7b du
caisson 7 de la cuve N et entre lesquels s'étendent les conducteurs
électriques 14. Les
sorties cathodiques 12 peuvent être alignées selon un axe parallèle aux grands
côtés 2a
de la cuve 2 d'électrolyse, comme cela est visible en pointillés sur la figure
8.
La figure 10 illustre de façon schématique un autre mode particulier de
réalisation
d'une aluminerie 1 selon la présente invention. Les figures 11 et 12 montrent
une vue en
coupe respectivement selon les lignes 1V-IV et V-V de la figure 10. Dans ce
mode de
réalisation, les cuves 2 d'électrolyse présentent des premières sorties
cathodiques 12
traversant le fond 7b du caisson 7, tandis que des deuxièmes sorties
cathodiques 12,
situées à l'aval des premières sorties cathodiques 12, traversent la paroi
latérale 7a aval
du caisson 7. Les cuves 2 d'électrolyse de l'aluminerie 1 selon ce deuxième
mode de
réalisation présentent ainsi des sorties cathodiques 12 mixtes >, car
traversant le fond
7b et la paroi latérale 7a.
CA 02841297 2014-01-08
WO 2013/007892 12 PCT/FR2012/000281
Cette disposition permet de faire davantage d'économies de matière, en raison
de la
diminution de la longueur, donc de la masse, des conducteurs électriques 14.
Avantageusement, les deuxièmes sorties cathodiques 12 traversant la paroi
latérale
7a peuvent comporter un élément en un matériau meilleur conducteur électrique
que
l'acier, notamment en cuivre, sous la forme par exemple d'une plaque 16 ou
d'un insert.
La plaque 16 en cuivre disposée sur une barre en acier permet, par sa
conductivité
électrique élevée, de rééquilibrer les tensions au niveau des premières
sorties
cathodiques 12, traversant le fond 7b, et les deuxièmes sorties cathodiques
12, traversant
la paroi latérale 7a, et de limiter ainsi les courants électriques horizontaux
dans la nappe
d'aluminium.
La figure 13 montre de façon schématique le dessus d'une cuve N, placée en
amont
(celle de gauche sur la figure 13), et d'une cuve N+1, placée en aval (celle
de droite sur la
figure 13), d'une aluminerie 1 selon le mode de réalisation présenté à la
figure 10. La
figure 14 est une vue en coupe selon la ligne VI-VI de la figure 13. Comme
dans le mode
de réalisation présenté à la figure 4, les conducteurs électriques 14
s'étendent entre les
arceaux 15. De plus, ils s'étendent de manière rectiligne et sont parcourus
lors du
fonctionnement des cuves 2 d'électrolyse N, N+1 par le courant d'électrolyse
uniquement
en direction de la cuve N+1 située en aval de la cuve N, depuis les sorties
cathodiques 12
traversant le fond 7b du caisson de la cuve N, afin de permettre
l'acheminement du
courant d'électrolyse l des sorties cathodiques 12 de la cuve N vers l'anode 9
de la cuve
N+1.
Comme dans le mode de réalisation présenté à la figure 4, les circuits
électriques
secondaires 5 et 6 sont parallèles à l'axe d'alignement des cuves 2.
L'aluminerie 1 peut aussi comprendre avantageusement des moyens de court-
circuitage de chaque cuve 2. Ces moyens de court-circuitage peuvent comprendre
des
conducteurs électriques 17 de court-circuitage, visibles sur les figures 4, 8,
10 et 13. Les
conducteurs électriques 17 de court-circuitage sont disposés entre deux cuves
2
d'électrolyse successives. Sur les figures 4, 8, 10 et 13, les conducteurs
électriques 17
sont placés au contact des conducteurs électriques 14 reliés aux sorties
cathodiques 12
traversant le fond 7b du caisson 7 de la cuve N+1, et à distance des
conducteurs
électriques 14 reliés aux sorties cathodiques 12 de la cuve N, de telle
manière qu'un court
espace sépare les conducteurs électriques 17 de court-circuitage des
conducteurs
électriques 14 reliés aux sorties cathodiques 12 de la cuve N, comme cela est
notamment
visible sur la figure 10.
CA 02841297 2014-01-08
WO 2013/007892 13 PCT/FR2012/000281
Les conducteurs électriques 17 de court-circuitage sont destinés à court-
circuiter
une cuve N+1, par exemple pour enlever cette dernière pour des opérations de
maintenance. La distance entre les conducteurs électriques 17 de court-
circuitage et les
conducteurs électriques 14 reliés aux sorties cathodiques 12 de la cuve N est
alors
comblée par une cale en un élément conducteur (non représenté) de manière à
conduire
le courant d'électrolyse h de la cuve N à la cuve N+2 via cette cale, les
conducteurs
électriques 17 de court-circuitage et les conducteurs électriques 14
normalement
disposés sous la cuve N+1 (c'est-à-dire les conducteurs électriques 14 reliés
aux sorties
cathodiques 12 traversant le fond 7b du caisson 7 de la cuve N+1 lorsque celle-
ci est en
place).
Il est également possible de prévoir des conducteurs électriques 17 de court-
circuitage placés au contact des conducteurs électriques 14 reliés aux sorties
cathodiques
12 de la cuve N et à distance des conducteurs électriques 14 reliés aux
sorties
cathodiques 12 de la cuve N+1 traversant le fond 7a du caisson 7.
Les conducteurs électriques 17 de court-circuitage peuvent être en aluminium.
Etant
donné qu'ils ne sont parcourus qu'occasionnellement lors de court-circuitage
par le
courant d'électrolyse h (pour des opérations de maintenance d'une cuve 2, soit
à
intervalles de plusieurs années), ils peuvent être dimensionnés pour
travailler à la plus
haute densité de courant admissible, ce qui permet de limiter leur masse.
Enfin, il est à noter que, de manière avantageuse, les conducteurs électriques
formant les circuits électriques secondaires 5 et/ou 6 peuvent être en
matériau
supraconducteur.
Ces matériaux supraconducteurs peuvent par exemple comporter du BiSrCaCuO,
du YaBaCuO, des matériaux connus des demandes de brevet W02008011184,
US20090247412 ou encore d'autres matériaux connus pour leurs propriétés
supraconductrices.
Les matériaux supraconducteurs sont utilisés pour transporter du courant avec
peu
ou pas de perte par génération de chaleur par effet Joule, car leur
résistivité est nulle
lorsqu'ils sont maintenus en-dessous de leur température critique.
A titre d'exemple, un câble supraconducteur comprend une âme centrale en
cuivre
ou en aluminium, des rubans ou des fibres en matériau supraconducteur, et une
enveloppe cryogénique. L'enveloppe cryogénique peut être formée par une gaine
contenant un fluide de refroidissement, par exemple de l'azote liquide. Le
fluide de
refroidissement permet de maintenir la température des matériaux
supraconducteurs à
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WO 2013/007892 14 PCT/FR2012/000281
une température inférieure à leur température critique, par exemple inférieure
à 100 K
(Kelvin), ou comprise entre 4 K et 80 K.
L'utilisation de conducteurs électriques en matériau supraconducteur pour
former
les circuits électriques secondaires 5 et 6 est particulièrement intéressante
du fait de leur
longueur, de l'ordre de deux kilomètres. L'utilisation de conducteurs
électriques en
matériau supraconducteur nécessite une tension moindre par rapport à celle
nécessitée
par des conducteurs électriques en aluminium ou en cuivre. Ainsi, il est
possible de
diminuer la tension de 30 V à 1 V. Cela représente une réduction de la
consommation
d'énergie de l'ordre de 75 % à 99 % par rapport à des conducteurs électriques
en
aluminium. De plus, le coût des sous-stations d'alimentation 20 et 21,
respectivement du
circuit électrique secondaire 5 et du circuit électrique secondaire 6, est
réduit en
conséquence.
Les conducteurs électriques des circuits électriques secondaires 5 et 6
peuvent
longer avantageusement au moins deux fois une file F de cuves 2 d'électrolyse.
Le faible encombrement des conducteurs électriques en matériau supraconducteur
par rapport à des conducteurs électriques en aluminium ou en cuivre (section
jusqu'à 150
fois plus faible que la section d'un conducteur en cuivre pour une intensité
égale, et
davantage encore par rapport à un conducteur en aluminium) facilite en effet
la réalisation
de plusieurs tours en série dans les boucles formées par les circuits
électriques
secondaires 5 et 6.
De plus, il est possible de contenir le conducteur électrique d'un circuit à
l'intérieur
d'une unique gaine de refroidissement quelque soit le nombre de tours réalisés
par ce
même conducteur. A un endroit donné, la gaine peut donc contenir plusieurs
passages du
même conducteur électrique en matériau supraconducteur.
Le fait que la boucle formée par les circuits électriques secondaires 5 et 6
comprennent plusieurs tours en série permet de diviser (autant de fois que le
nombre de
tours réalisés) l'intensité du courant électrique 12, 13 traversant
respectivement le circuit
électrique secondaire 5 et le circuit électrique secondaire 6. La réduction de
la valeur de
cette intensité permet de diminuer les pertes d'énergie par effet Joule au
niveau des
jonctions entre les conducteurs électriques en matériau supraconducteur et les
pôles des
sous-stations d'alimentation. La diminution de l'intensité globale avec des
conducteurs
électriques en matériau supraconducteur permet de diminuer la taille des sous-
stations
d'alimentation 20 et 21. Par exemple, la sous-station d'alimentation 20 ou 21
du circuit
électrique secondaire 5 ou du circuit électrique secondaire 6 comprenant un
conducteur
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électrique en matériau supraconducteur peut délivrer un courant d'intensité de
l'ordre de 5
kA à 40 kA. Cela permet ainsi d'utiliser des équipements couramment vendus
dans le
commerce et donc peu onéreux.
Il est à noter que les conducteurs électriques en matériau supraconducteur
peuvent
être disposés sous les cuves 2 d'électrolyse.
Ainsi, l'aluminerie 1 selon l'invention présente un ensemble de
caractéristiques dont
la combinaison concourt par un effet de synergie à la réduction des coûts de
conception,
fabrication et d'exploitation de cette aluminerie 1, et l'augmentation de son
rendement.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation
décrits ci-
dessus, ces modes de réalisation n'ayant été donnés qu'à titre d'exemples. Des
modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution
des divers
éléments ou par la substitution d'équivalents techniques, sans pour autant
sortir du
domaine de protection de l'invention.
