CH619006A5

CH619006A5 -

Info

Publication number: CH619006A5
Application number: CH1483076A
Authority: CH
Inventors: Paul Morel; Jean-Pierre Dugois
Original assignee: Pechiney Aluminium
Priority date: 1975-11-28
Filing date: 1976-11-25
Publication date: 1980-08-29
Also published as: AU511291B2; GB1551160A; IS2357A7; NZ182677A; CA1067036A; IT1099552B; YU39372B; JPS5268010A; OA05489A; ES453578A1; NO764033L; NO147956C; DE2653643B2; FR2333060B1; RO70909A; DE2653643C3; DE2653643A1; IN148703B; PL112615B1; SE7613201L

Description

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la compensation de la résultante des champs magnétiques engendrés, dans une file de cuve d'électrolyse ignée faisant partie d'une série de cuves placees en travers, par le courant électrique circulant dans les autres files de cuves, voisines de la file considérée. L'invention s'applique, plus particulièrement aux cuves pour la production de l'aluminium.

Conformément à la technique actuelle, la production industrielle de l'aluminium s'opère par électrolyse ignée, dans des cuves branchées électriquement en série, d'une solution d'alumine dans de la cryolithe portée à une température de l'ordre de 950 à 1000°C par l'effet Joule du courant traversant la cuve.

Chaque cuve comprend une cathode rectangulaire formant creuset, dont le fond est constitué par des blocs de carbone scellés sur des barres d'acier dites barres cathodiques, qui servent à évacuer le courant de la cathode vers les anodes de la cuve suivante.

Les anodes, également en carbone, sont scellées sur des tiges crapaudées sur des barres en aluminium, dites barres anodiques, fixées sur une superstructure qui surplombe le creuset de la cuve. Ces barres anodiques sont reliées, par des conducteurs en aluminium dits «montées», aux barres cathodiques de la cuve précédente.

Entre les anodes et la cathode se trouve le bain d'électrolyse, c'est-à-dire la solution d'alumine dans la cryolithe. L'aluminium produit se dépose sur la cathode, un volant d'aluminium étant constamment maintenue au fond du creuset cathodique.

Le creuset étant rectangulaire, les barres anodiques supportant les anodes sont, en général, parallèles à ses grands côtés, alors que les barres cathodiques sont parallèles à ses petits côtés, dits têtes de cuve.

Les cuves sont rangées selon des fils, en long ou en travers, suivant que leur grand côté ou leur petit côté est parallèle à l'axe de la file. Les cuves sont branchées électriquement en série, les extrémités de la série étant reliées aux sorties positive et négative d'une sous-station électrique de redressement et de régulation. Chaque série de cuves comprend un certain nombre de files branchées en série, le nombre des files étant de préférence pair afin d'éviter des longueurs inutiles de conducteurs.

Le courant électrique qui parcourt les différents conducteurs: électrolyte, métal liquide, anodes, cathode, conducteurs de liaison, crée des champs magnétiques importants. Ces champs induisent, dans le bain d'électrolyse et dans le métal fondu contenu dans le creuset, des forces dites de Laplace qui, par les mouvements qu'elles engendrent, sont nuisibles à la bonne marche de la cuve. Le dessin de la cuve et de ses conducteurs de liaison est étudié pour que les champs magnétiques créés par les différentes parties de la cuve et les conduc-

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teurs de liaison se compensent: on aboutit ainsi à une cuve ayant pour plan de symétrie le plan vertical parallèle à la file de cuves et passant par le centre du creuset.

Cependant, les cuves sont également soumises à des champs magnétiques perturbateurs provenant de la ou des files voisines.

Dans ce qui suit, les mots «amont» et «aval» s'entendent par rapport au sens général du courant électrique dans la file de cuves considérée. On entend par «file voisine» la file la plus proche de la file considérée et par «champ de la file voisine» la résultante des champs de toutes les files autres que la file considérée.

L'invention a pour but de fournir un procédé pour compenser la résultante des champs magnétiques engendrés par le courant électrique circulant dans les autres files de cuves; voisines de la file considérée, afin d'éliminer les effets perturbateurs correspondants.

A cet effet, dans le procédé selon l'invention, on modifie la répartition du courant dans les conducteurs d'alimentation de l'anode d'une cuve aval à partir de la cathode de la cuve amont voisine, de façon à superposer à la cuve une boucle électrique produisant un champ magnétique supplémentaire sensiblement égal et de sens contraire, à cette résultante de champs magnétiques.

Le dispositif selon l'invention pour la mise en œuvre de ce procédé pour la compensation, dans une file de cuves comprenant au moins une cuve amont et une cuve aval, du champ magnétique d'une file voisine, chaque cuve comportant au moins deux barres anodiques, sur lesquelles sont crapaudées des tiges scellées aux anodes, et un creuset cathodique dont le fond est constitué par des blocs de carbone scellés sur des barres cathodiques, les barres anodiques de la cuve aval étant alimentées en courant électrique à partir des barres cathodiques de la cuve amont par au moins deux montées, l'une intérieure c'est-à-dire située du côté de la file voisine, l'autre extérieure, chaque montée comprenant deux conducteurs dont l'un est relié aux extrémités amont des barres cathodiques, l'autre étant relié aux extrémités aval des barres cathodiques, caractérisé en ce que l'un des conducteurs de la montée intérieure, côté amont ou côté aval, est relié à plus de la moitié des extrémités correspondantes des barres cathodiques prises du côté intérieur, le conducteur correspondant de la montée extérieure étant relié aux extrémités côté extérieur non reliées à la montée intérieure, l'autre conducteur intérieur, côté aval ou côté amont, étant relié à la moitié côté intérieur des extrémités correspondantes et le conducteur extérieur correspondant à la moitié côté extérieur.

L'invention est expliquée à partir d'exemples illustrés dans le dessin annexé, dans lequel:

La fig. 1 est un croquis donnant la direction du champ créé par la file voisine et par les montées;

La fig. 2 représente, en plan, deux cuves d'une série, le champ de la file voisine étant compensé en connectant, sur le conducteur intérieur amont, la première barre cathodique du côté extérieur amont;

La fig. 3 représente, de même, deux cuves d'une série, le champ de la file voisine étant compensé en connectant, sur le conducteur intérieur aval, la première barre cathodique du côté extérieur aval;

La fig. 4 représente, également en plan, deux cuves d'une série, le champ de la file voisine étant compensé sans création d'un champ horizontal parasite;

Les fig. 5 et 6 représentent un dispositif de compensation qui constitue une variante du précédent: la fig. 5 est un schéma de principe, la fig. 6 est un exemple de réalisation plus détaillé;

La fig. 7 est un graphique donnant le champ magnétique aux quatre angles du creuset en fonction du courant circulant dans la boucle électrique.

Sur ces figures, les mêmes éléments sont représentés par les mêmes repères.

Le procédé pour la compensation des champs magnétiques des files voisines de cuves placées en travers permet, par une légère modification de la répartition du courant dans les conducteurs, de superposer à la cuve d'électrolyse une boucle électrique produisant un champ supplémentaire sensiblement égal à celui créé par la file voisine, et de sens contraire.

Dans une série de cuves, le dessin des conducteurs de liaison peut être de deux types.

Selon un premier type, les barres anodiques d'une cuve aval sont alimentées par leurs extrémités (montées en tête).

Selon un deuxième type, les barres anodiques d'une cuve aval sont alimentées au quart et aux trois quarts de leurs longueur (montée centrale).

Dans les deux types, tout ou partie du courant sortant de la cathode du côté amont contourne la tête de cuve pour alimenter une montée aboutissant à la cuve aval suivante. Au total, le courant qui parcourt les conducteurs longeant les têtes de cuve représente habituellement entre le quart et la moitié de l'intensité totale de la série.

On considère, selon la fig. 1, une cuve 1 d'une première file, représentée par son creuset cathodique que l'on voit coupé par un plan vertical perpendiculaire à l'axe des files. Les anodes (non représentées) de cette cuve 1 sont alimentées par deux montées 2 et 3. Dans la file considérée, le courant s'éloigne de l'observateur, le champ magnétique produit par la montée 2 est représenté par la flèche 4 et celui produit par la montée 3 par la flèche 5.

A droite de cette cuve est placée une cuve 6 de la file immédiatement voisine, représentée également par son creuset cathodique. Les anodes (non représentées) de cette cuve sont alimantées par des montées 7 et 8. Dans cette file, le courant se dirige vers l'observateur perpendiculairement à la figure. Cette cuve produit, dans la cuve 1, un champ magnétique vertical représenté par les flèches 9.

Si on appelle «intérieure» la montée 2 qui longe la cuve 1 du côté de la cuve voisine 6, et «extérieure» la montée 3 qui est du côté opposé, on voit que la montée extérieure 3 crée, dans la cuve 1, un champ magnétique vertical 5 du même sens que celui 9 créé par la cuve 6 de la file voisine. Elle crée également un champ magnétique horizontale beaucoup plus faible, dont il est question plus loin.

Selon le procédé, on dimunue l'intensité du courant circulant dans la montée extérieure 3 au profit de la montée intérieure 2, ce qui réduit le champ négatif produit par le conducteur extérieur sur le petit côté extérieur et augmente le champ positif 4 créé par la montée intérieure 2 sur le petit côté intérieur. On superpose ainsi à la cuve une boucle électrique qui produit un champ magnétique supplémentaire, superposé au champ positif sur la plus grande partie de la cuve.

Un premier exemple de dispositif est décrit selon les fig. 2 et

3.

Ces figures représentent deux cuves voisines placées en travers, appartenant à une même file. La cuve amont 10 comprend un creuset cathodique 11 et une superstructure 12. Le fond du creuset 11 est composé de blocs de carbone scellés sur douze barres cathodiques 13 à 24. La cuve aval 25 comprend un creuset cathodique 26 et une superstructure 27 comportant deux barres anodiques 28 et 29 auxquelles sont crapaudées les tiges d'anode (non représentées).

Ces cuves sont du type à montées en tête. Selon la technique connue, on relie les extrémités amont de six des douze barres cathodiques côté gauche, soit 13 à 18, à l'extrémité correspondante des barres anodiques 28 et 29 de la cuve aval 25 par un s

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conducteur 30, et les extrémités aval des mêmes barres cathodiques 13 à 18 à la même extrémité des barres anodiques 28 et

29 par un conducteur 31, l'ensemble de ces deux conducteurs

30 et 31 constituant la montée gauche, c'est-à-dire la montée intérieure puisque la file voisine est supposée placée du même côté gauche. De façon analogue, l'extrémité de droite des barres anodiques 28 et 29 est reliée aux extrémités amont des six autres barres cathodiques 19 à 24 par un conducteur 32, et à l'extrémité aval de ces mêmes barres cathodiques par un conducteur 33, l'ensemble de ces conducteurs 32 et 33 constituant la montée droite, c'est-à-dire la montée extérieure.

En vue de la compensation du champ magnétique de la file voisine, située à gauche, on déconnecte l'extrémité amont (fig. 2), ou l'extrémité aval (fig. 3) de la barre cathodique 19 située immédiatement à droite de l'axe 34, de son conducteur 32 ou 33 pour la connecter au conducteur correspondant 30 ou 31 de la montée gauche. On augmente ainsi l'intensité du courant passant dans la montée intérieure 30-31 aux dépens de celle du courant qui passe dans la montée extérieure, d'où la création d'une boucle électrique 40.

Il convient de remarquer que le branchement côté aval selon la fig. 3 est moins efficace que le branchement côté amont selon la fig. 2, car le conducteur aval 31-33 ne longe que la moitié de la largeur de la cuve aval 25, alors que le conducteur amont 30-32 longe tout le côté de la cuve amont 10 et la moitié de celui de la cuve aval 25: le rapport des efficacités des deux dispositifs est donc de 1 à 3 en faveur de l'extrémité côté amont.

On peut, bien entendu, connecter au conducteur intérieur les extrémités de plus d'une barre cathodique, par exemple celles des deux barres 19 et 20 les plus voisines de l'axe 34 de la série.

Les deux dispositifs décrits présentent l'inconvénient de créer un léger champ magnétique horizontal transversal, d'environ 5 gauss dans le cas de cuves de 90 000 ampères conformes au modèle décrit. Un troisième dispositif permet, dans le cas des cuves à montées en tête, de compenser le champ de la file voisine sans créer de champ horizontal. Pour cela on connecte un certain nombre d'extrémités amont de barres cathodiques extérieures voisines de l'axe 34, par exemple (fig. 4) les extrémités amont des barres 19 et 20, au conducteur intérieur amont 30 et le même nombre d'extrémités aval de barres cathodiques intérieures voisines de l'axe 34, par exemple les extrémités aval des barres 17 et 18, au conducteur extérieur aval 33. De cette façon, seuls les conducteurs situés dans le plan horizontal de la cathode voient leur intensité de courant modifiée, et l'on ne crée donc pas de champ magnétique horizontal dans la cathode.

On remarque cependant, sur la fig. 1, que les champs magnétiques verticaux dans les deux angles amont de la cuve sont de signe contraire, alors que le champ créé par la file voisine est de signe constant. Il s'ensuit que la compensation du champ de la file voisine a un effet favorable dans le coin extérieur amont, mais un effet défavorable dans le coin intérieur amont.

On y remédie dans un quatrième dispositif schématisé par la fig. 5 et dont la fig. 6 représente un exemple de réalisation. Ce dispositif constitue une amélioration du dispositif précédent en ce qu'il permet une compensation plus forte sur le côté extérieur que sur le côté intérieur. Au lieu d'alimenter les barres anodiques de façon symétrique, comme dans les précédents dispositifs, la barre anodique amont étant reliée aux barres cathodiques amont de la cuve amont et la barre anodique aval étant reliée aux barres cathodiques aval ou inversement, on procède de la façon suivante:

- la barre anodique amont 27 est reliée, du côté intérieur, aux barres cathodiques amont de la cuve amont par une montée 35

et, du côté extérieur, aux barres cathodiques aval de la cuve amont, par une montée 36;

- la barre anodique aval 28 est reliée, du côté intérieur, aux barres cathodiques aval de la cuve amont par une montée 37, tandis que, du côté extérieur, elle est reliée aux barres cathodiques amont de la cuve amont par une montée 38.

Un conducteur supplémentaire 39 relie les deux barres anodiques en leur milieu.

Les barres cathodiques sont groupées comme il est décrit ci-dessus, à propos du troisième exemple.

L'intensité I du courant détourné est indiquée sur la fig. 5, et l'on voit que, du côté intérieur, le courant qui longe la cuve vaut I à l'extérieur des barres anodiques et est nul entre elles, alors que, du côté extérieur, l'intensité est I à l'extérieur des barres anodiques et 21 entre elles. La compensation est donc, au total, plus forte du côté extérieur.

Le champ horizontal n'est plus nul, mais il est longitudinal et donc beaucoup moins nocif à la bonne marche de la cuve que dans les premier et deuxième dispositifs, qui présentent un champ horizontal transversal au centre.

Les conducteurs sont dessinés de façon à être électriquement équilibrés, c'est-à-dire de façon que les chutes de tension soient identiques dans tous les circuits branchés en parallèle: ainsi les conducteurs 30 et 32, dont la longueur est supérieure à celle des conducteurs 31 et 33, présentent une section plus élevée.

La détermination de l'intensité du cornant à détourner du conducteur extérieur sur le conducteur intérieur, de façon à créer une boucle électrique produisant un champ vertical positif additionnel ayant sensiblement la même intensité que le champ vertical négatif créé par la file voisine, est aisée. En effet, le champ est proportionnel à l'intensité du courant: en superposant les intensités on superpose donc les champs correspondants. On peut donc schématiser les circuits décrits et illustrés par les figures 2, 3,4 et 5 comme étant la superposition d'une cuve classique sans compensation, et d'une boucle électrique 40 représentée en tirets. Des flèches, portées sur ces tirets, indiquent le sens du courant dans la boucle, les autres flèches indiquant le sens du courant dans les différentes montées. Par superposition de l'intensité du courant passant dans la boucle et des intensités des courants passant dans la boucle et des intensités des courants passant dans les différentes conducteurs dans le cas de la cuve non compensée, on obtient l'intensité du courant résultant passant dans chacun de ces derniers après compensation.

Le calcul de l'intensité à détourner consiste donc à calculer on à mesurer le champ créé par la boucle précédemment définie, en fonction de l'intensité I du courant détourné qui la parcourt, puis à superposer ce champ à celui de la cuve sans compensation, et enfin à faire varier I jusqu'à ce que le champ vertical maximal de la cuve soit le plus faible possible en valeur absolue.

Pratiquement, on calcule ou on mesure, et on porte sur un graphique la valeur du champ vertical aux quatre coins de la cuve en fonction de I, et on lit directement (voir la fig. 7), la valeur Io de I correspondant à la valeur absolue du minimum du champ vertical maximal. On réalise ensuite le branchement électrique en connectant sur chaque circuit un certain nombre de barres cathodiques, de façon que l'intensité I soit la plus proche possible de Io.

Sur la fig. 7, les abscisses représentent l'intensité déviée, en kiloampères, et, sur l'horizontale inférieure, le nombre de barres correspondantes; les ordonnées représentent, en gauss, la valeur absolue du champ magnétique dans les angles, c'est-à-dire les coins de la cuve. Les droites supérieures de pente positive représentent le champ dans l'angle intérieur amont, les droites supérieures de pente négative le champ dans l'angle s

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extérieur amont. Les droites inférieures de pente positive représentent le champ dans l'angle extérieur aval, les droites inférieures de pente négative le champ dans l'angle intérieur aval. Les droites en trait plein sont relatives au dispositif selon la fig. 4, les droites en tirets concernent le dispositif selon les fig. 5 et 6. On voit que la valeur optimale de I est d'environ: Io = 6 kA: la compensation optimale doit donc porter sur deux barres.

Le tableau suivant donne, en gauss, les champs magnétiques d'une cuve de 90 000 ampères, sans compensation du champ produit par la file voisine, c'est-à-dire selon la fig. 2, mais l'extrémité amont de la barre cathodique 19 reliée au conducteur extérieur 32 et non au conducteur intérieur 30, ou avec compensation selon chacun des quatres dispositifs décrits, c'est-à-dire respectivement selon les figures 2,3,4 et 5-6. L'entr'axe entre les files de cuves est de 15,5 mètres.

Le graphique de la fig. 7 correspond aux disposition illustrées par les figures 4 (trait plain) et 5-6 (tirets) et aux donnés ci-dessus.

Tableau (champ magnétique en gauss)

Champ Eniplace-magné- ment de tique mesure

Sans compensation

1er dispositif fig. 2

2e dispositif fig-3

3e dis- 4e dispositif positif fig. 4 fig. 5-6

Vertical

Au centre 10 Coin amont intérieur - 90 Coin amont extérieur 111 Coin aval intérieur 29 Coin aval extérieur — 9 -

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99 103

26 31 12-6

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Hori- Au centre zontal

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longitudinal

Les exemples décrits concernent des cuves à montées en quart et aux trois quarts de la longueur de la cuve au lieu tête, mais le procédé et le dispositif s'appliquent aussi bien aux d'être situées le long de ses petits côtés.

cuves à montées centrales: les montées sont alors situées au

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Claims

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1. Procédé pour la compensation de la résultante des champs magnétiques engendrés, dans une file de cuves d'élec-trolyse ignée faisant partie d'une série de cuves placées en travers, par le courant électrique circulant dans les autres files de cuves, voisines de la file considérée, caractérisé en ce que l'on modifie la répartition du courant dans la cuve une boucle électrique produisant un champ magnétique supplémentaire sensiblement égal, et de sens contraire, à cette résultante de champs magnétiques.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on accroît l'intensité du courant dans le conducteur (30 ou 31) reliant l'une des extrémités amont ou aval des barres cathodiques intérieures (13 à 18), c'est-à-dire situées du côté de la file voisine, de la cuve amont (10), aux barres anodiques (28,29) de la cuve aval (25).

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REVENDICATIONS

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on accroît l'intensité du courant, d'une part dans le conducteur (30) reliant l'extrémité amont des barres cathodiques intérieures de la cuve amont (10) aux barres anodiques (28, 29) de la cuve aval (25), d'autre part dans le conducteur (33) reliant l'extrémité aval des barres cathodiques extérieures, c'est-à-dire situées à l'opposé de la fille voisine, de la cuve amont (10), aux barres anodiques (28, 29) de la cuve aval.

4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel on détermine l'intensité du courant à détourner du conducteur extérieur vers le conducteur intérieur de façon à créer un champ vertical positif additionnel ayant sensiblement la même intensité que le champ vertical négatif créé par la file voisine, caractérisé en ce que l'on détermine le champ créé par cette boucle en fonction de l'intensité I du courant qui la parcourt, puis on superpose ce champ à celui de la cuve non compensée, enfin l'on fait varier I jusqu'à ce que le champ vertical maximal de la cuve soit le plus faible possible en valeur absolue.

5. Dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1 pour la compensation, dans une file de cuves comprenant au moins une cuve amont (10) et une cuve aval (25), du champ magnétique d'une file voisine, chaque cuve comportant au moins deux barres anodiques (28, 29) sur lesquelles sont crapaudées des tiges scellées aux anodes, et un creuset cathodique (11) dont le fond est constitué par des blocs de carbone scellés sur des barres cathodiques (13 à 24), les barres anodiques (28-29) de la cuve aval (25) étant alimentées en courant électrique à partir des barres cathodiques de la cuve amont (10) par au moins deux montées, l'une intérieure, c'est-à-dire située du côté de la file voisine, l'autre extérieure, chaque montée comprenant deux enducteurs dont l'un (30,32) est relié aux extrémités amont des barres cathodiques, l'autre (31, 33) étant relié aux extrémités aval des barres cathodiques, caractérisé en ce que l'un des conducteurs de la montée intérieure, côté amont (30) ou côté aval (31), est relié à plus de la moitié des extrémités correspondantes des barres cathodiques prises du côté intérieur, le conducteur correspondant de la montée extérieur étant relié aux extrémité côté extérieur non reliées à la montée intérieure, l'autre conducteur intérieur,

côté aval (31) ou côté amont (30), étant relié à la moitié côté intérieur des extrémités correspondantes et le conducteur extérieur correspondant à la moitié côté extérieur.

6. Dispositif selon la revendication 5 pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 3, pour la compensation, dans une file de cuves comprenant au moins une cuve amont (10) et une cuve aval (25), du champ magnétique d'une file voisine sans création d'un champ horizontal parasite, caractérisé en ce que le conducteur amont (30) de la montée intérieure est relié à plus de la moitié des extrémités amont des barres cathodiques prises du côté intérieur, le conducteur amont (32) de la montée extérieure étant relié aux extrémités côté extérieur non reliées au conducteur (30), le conducteur aval côté extérieur (33, fig 4) étant relié au même nombre supérieur à la moitié d'extrémités aval des barres cathodiques prises du côté extérieur, le conducteur intérieur aval (31) étant relié aux extrémités aval côté intérieur non reliées au conducteur extérieur aval (33).

7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la barre anodique amont (27) de la cuve aval (25) est reliée, du côté intérieur, aux extrémités amont des barres cathodiques (13 à 20) et, du côté extérieur, aux extrémités aval des barres cathodiques (17 à 24) de la cuve amont (10), tandis que la barre anodique aval (28) de la cuve aval (25) est reliée, du côté intérieur, aux extrémités amont des barres cathodiques (21 à 24) de la cuve amont (19), les milieux de ces barres anodiques (27) étant en outre reliés par un conducteur (39).