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(11) | EP 0 201 438 B1 |
| (12) | FASCICULE DE BREVET EUROPEEN |
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Procédé de régulation précise d'une faible teneur en alumine dans une cuve d'électrolyse ignée pour la production d'aluminium Verfahren zur genauen Regulierung einer geringen Tonerdegehalts in einer schmelzflüssigen Elektrolysezelle zur Aluminiumherstellung Process for accurately regulating the low alumina content of an igneous electrolysis cell for aluminium production |
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| Il est rappelé que: Dans un délai de neuf mois à compter de la date de publication de la mention de la délivrance de brevet européen, toute personne peut faire opposition au brevet européen délivré, auprès de l'Office européen des brevets. L'opposition doit être formée par écrit et motivée. Elle n'est réputée formée qu'après paiement de la taxe d'opposition. (Art. 99(1) Convention sur le brevet européen). |
Objet de l'invention
[0001] La présente invention concerne un procédé de régulation précise d'une faible teneur en alumine dans une cuve d'électrolyse ignée pour la production d'aluminium selon le procédé Hall-Héroult, cette régulation ayant également pour but de maintenir le rendement Faraday à un niveau élevé, au moins égal à 94 %.
Expose de l'art anterieur
[0002] Au cours des dernières années, on a progressivement automatisé le fonctionnement des cuves de production d'aluminium, tant pour en améliorer le bilan énergétique et la réguiarité de marche, que pour limiter les interventions humaines et améliorer le rendement de captage des effluents fluorés.
[0003] Un des facteurs essentiels, pour assurer la régularité de marche d'une cuve de production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans la cryolithe fondue, est la cadence d'introduction de l'alumine dans le bain. Un défaut d'alumine provoque l'apparition de "l'effet anodique", ou "emballage" qui se traduit par une augmentation brutale de la tension aux bornes de la cuve, qui peut passer de 4 à 30 ou 40 volts, et qui se répercute sur l'ensemble de la série.
[0004] Un excès d'alumine crée un risque de salissure du fond de la cuve par des dépôts d'alumine pouvant se transformer en plaques dures isolant électriquement une partie de la cathode. Ceci induit dans la nappe d'aluminium liquide de forts courants horizontaux locaux qui, par interaction avec les champs magnétiques, rassent la nappe d'aluminium liquide et provoquent une instabilité de l'interface pain-métal, et divers autres inconvénients bien connus de l'homme de l'art.
[0005] Ce défaut est particulièrement gênant lorsqu'on cherche à abaisser la température de fonctionnement de la cuve ce qui est très favorable pour sa durée de vie et pour le rendement Faraday en adoptant des bains dits très "acides" (à teneur élevée en AIF3) et/ou comportant des additifs divers, tels que des chlorures, des sels de lithium ou de magnésium. Mais, ces bains ont une capacité et une vitesse de dissolution de l'alumine sensiblement réduites, et leur utilisation implique que l'on régule de façon très précise la teneur en alumine, à des concentrations relativement basses et entre deux limites extrêmes proches.
[0006] Bien qu'il soit possible de mesurer directement la teneur en alumine des bains par analyse d'échantillons d'électrolyse, on a choisi, depuis de nombreuses années, de procéder à une évaluation indirecte des teneurs en alumine en suivant, un paramètre électrique reflétant la concentration en alumine dudit électrolyte.
[0007] Ce paramètre est généralement la variation de la résistance interne, ou, plus exactement, de la pseudo-résistance interne qui est égale à:
[0009] Eo étant une image de la force contre-électromotrice de la cuve dont on admet généralement que la valeur est de 1,65 volts, U la tension aux bornes de la cuve et J l'intensité qui la traverse.
[0010] Par étalonnage, on peut tracer une courbe de variation Ri en fonction de la teneur en alumine, et par mesure de Ri à une fréqucnce déterminée selon des méthodes actuellement bien connues, on peut estimer à tout moment la concentration, symbolisée par [A12031.
[0011] On a cherché, depuis de nombreuses années, à introduire l'alumine dans le bain avec une certaine régularité de façon à maintenir sa concentration relativement stable autour d'une valeur prédéterminée.
[0012] Les procédés d'alimentation automatique en alumine, asservis plus ou moins rigoureusement à sa concentration dans le bain, ont été décrits notamment dans les brevets suivants: brevet français FR-1 457 746 de REYNOLDS, sans lequel la variation de résistance interne de la cuve est utilisée comme paramètre reflétant la concentration en alumine, dont, ont l'introduction dans le bain est effectuée par un distributeur combiné avec un moyen de perçage dans la croûte d'électrolyse figé; brevet français FR 1 506 463 de V.A.W. qui est basé sur la mesure du temps qui s'écoule entre l'arrêt de l'alimentation en alumine et l'apparition de l'effet anodique; brevet américain US-3 400 062 d'ALCOA, qui met en oevre une "anode pilote" pour obtenir une détection précoce de la tendance à l'emballement et régier la cadence d'introduction de l'alumine, qui est distribuée à partir d'une trémie munie d'un dispositif de perçage de la croûte d'électrolyte figé.
[0013] Plus récemment, des procédés de régulation basés sur le contrôle de la teneur en alumine ont été décrits en particulier dans la demande de brevet japonais JA-5 228 417/77 de Showa Denko, et dans le brevet des Etats-Unis US-4126 525 de Mitsubishi.
[0014] Dans le premier de ces brevets, la concentration en alumine est fixée dans l'intervalle de 2 à 8 %. On mesure la variation A V, en fonction du temps t, de la tension aux bornes de chaque cuve, on la compare avec une valeur prédéterminée et on modifie la cadence d'alimentation en alumine pour ramener le À V/t à la valeur de consigne. L'inconvénient de ce procédé est que sa sensibilité varie avec la teneur en alumine, qui est précisément minimale dans l'intervalle uitilisé, de 3 à 5 % d'A1203 (tableau p. 8).
[0015] Dans le second de ces brevets, on fixe également la teneur en alumine dans la gamme de 2 à 8 % et, de préférence, 4 à 6 %. On alimente la cuve pendant un temps t, prédéterminé avec une quantité d'alumine supérieure à sa consommation théorique, jusqu'à l'obtention d'une concentration en alumine prédéterminée (par exemple jusqu'à 7 %), puis on commute l'alimentation sur une cadence égale à la consommation théorique pendant un temps t2 prédéterminé, puis on cesse l'alimentation jusqu'à apparition des premiers symptômes d'effet d'anode ("emballage"), et on reprend le cycle d'alimentation en cadence suipérioure à la consommation théorique. Dans ce procédé, la concentration en alumine varie, au cours du cycle, de 4,9 à 8 % (exemple 1) ou de 4,0 à 7 % (exemple 2).
[0016] Enfin, dans notre brevet français FR-2 487 386 (Aluminium Péchiney), auquel correspondent les brevets EP-44 794 et US-4 431 491, nous avons décrit un procédé de régulation précise de la teneur en alumine, entre 1 et 3,5 % en poids, procédé selon lequel on module la cadence d'introduction de l'aluine en fonction des variations de la résistance interne de la cuve pendant des intervalles de temps prédéterminés, en alternant des cycles de durée égale d'introduction d'alumine à cadence plus lente et à cadence plus rapide que la cadence correspondant à la consommation de la cuve.
[0017] Ce procédé, connu sous le nom de "calcul de pente", est basé sur des mesures successives de la résistance interne R;, à intervalles de temps égaux, sur l'évaluation de la pente dRi/dt de variation de Ri en fonction du temps, et la comparaison de Ri d'une part et de dRi/dt d'autre part, à des valeurs de consignes, et sur la modification de la cadence d'introduction de l'alumine, de façon à ramener dRi/dt et Ri aux valeurs de consignes.
[0018] La recherche du mode opératoire optimal, c'est-à-dire la recherche des paramètres de marche des cuves d'électrolyse donnant le meilleur prix de revient, ou la marge bénéficiaire la plus importante pour un investissemont donné, a toujours été un souci permanent pour l'homme de l'art.
[0019] En particulier, la recherche de l'influence des divers paramètres de marche sur le rendement en courant - appelé également rendement Faraday - a fait l'objet de nombreuses publications dont les plus significatives sont citées dans l'ouvrage de K. Grjotheim et co-auteurs, intitulé "Aluminium Electrolysis", dont la deuxième édition, la plus récente, a été publiée en 1982 par Aluminium Verlag (Dûsseldorf, R.F.A.).
[0020] Dans cet ouvrage, page 339, figure 9.11, on constate que tous les auteurs cités s'accordent pour confirmer qu'une élévation de température du bain est néfaste pour le rendement en courant. D'autre part, le diagramme de phase du système cryolithe-alumine, représenté page 29, figure 2.3, du même ouvrage, montre que la température de liquidus du bain est d'autant plus élevée que la teneur en alumine de ce bain est plus faible.
[0021] Il serait donc logique que le rendement Faraday soit d'autant plus élevé que la teneur cn alumine du bain est plus grande. C'est, en effet, ce qu'ont cru observer de nombreux auteurs, sur des cuves industrielles, comme le montre la figure 9.20, page 356 de l'ouvrage précité.
Exposé du probleme
[0022] A l'heure actuelle, les conditions économiques et techniques de la production d'aluminium par le procédé Hal-Héroult exigent que l'exploitant recherche constamment à optimiser les différents facteurs qui déterminent le prix de revient du métal; parmi ces facteurs, le rendement Faraday est l'un des plus importants, et aussi un des plus fragiles, car de faibles perturbations peuvent le dégrader sensiblement. Il est donc souhaitable de rechercher tous les facteurs qui agissent sur le rendement Faraday, de façon à le maintenir à une valeur élevée et stable, au prix actuel de l'aluminium au LME (1200 $ la tonne à fin avril 1985) 0,1 point de Faraday sur une production de 500.000 tonnes/an correspond à un gain de près de 380.000 $/an.
Objet de l'invention
[0023] L'objet de l'invention est un perfectionnement du procédé de régulation précise d'une faible teneur en alumine dans la cuve d'électrolyse, permettant d'améliorer sensiblemement le rendement Faraday. En observant la mise en oeuvre du procédé de régulation par calcul de pente, objet de notre brevet précité, sur nos cuves d'électrolyse modernes fonctionnant sous 175 000 ou 280 000 Ampères, avec une composition de bain dite "acide", c'est-à-dire un bain comportant plus de 8 % en poids de fluorure d'aluminium AIF3 en excès par rapport à la cryolithe neutre de formule Na3AIF,, nous avons constaté, contrairement à l'opinion générale des spécialistes que nous indiquions précédemment, que, malgré l'augmentation de température du bain d'électrolyse, le rendement en courant croissait rapidement lorsque la teneur en alumine du bain baissait.
[0024] Nous avons découvert que ce phénomène avait une amplitude jusqu'alors insoupçonnée puisque, en ramenant la teneur en alumine de 2,5 % en poids dans le bain, à 1,5 % en poids, cette baisse de 1 point de la teneur en alumine permettait de remonter le rendement en courant de 94 % à 95,7 %, soit une augmentation de 1,7 % du rendement d'électrolyse. Or, en raison de l'augmentation de la température de fonctionnement du bain d'électrolyse qui était passée dans le même temps de 946°C à 951°C, on aurait dû logiquement observer une baisse de 1 % de ce rendement.
[0025] Cependant, cette augmentation de rendement s'accompagne d'une augmentation de la tension d'électrolyse, d'autant plus rapide que la teneur en alumine est plus basse.
[0026] La consommation énergétique à la tonne d'aluminium produite peut se mettre en fonction du rendement Faraday, F, et de la tension aux bornes d'une cuve, U, sous la forme:
[0027] D'autre part, à intensité d'électrolyse fixée J, la production d'une cuve est proportionnelle. à son rendement F, c'est-à-dire que l'incidence des frais "fixes" (amortissement, frais financiers, et une grande partie des frais de main-d'oeuvre et d'entretien) est d'autant plus faible que le rendement Faraday est meilleur.
[0028] Compte tenu de la découverte que nous avons faite de la très forte incidence de la teneur en alumine du bain sur le rendement Faraday, on conçoit qu'il ya tout intérêt à ajuster la teneur en alumine du bain à une valeur faible, mais suffisante cependant, pour éviter que le coût énergétique dû à l'augmentation de la tension aux bornes de la cuve ne vienne surpasser les gains espérés par amélioration du rendement Faraday.
[0029] D'une façon générale, et pour des conditions économiques normales, cette teneur optimale en alumine se situe très près de la teneur minimale en-dessous de laquelle apparaît "l'effet d'anode", appelé également "emballage" ou "polarisation", qui se traduit par une montée très brutale de la tension aux bornes de la cuve et de la température du bain d'électrolyse, et par le dégagement en quantités importantes de produits fluorés provenant de la décomposition du bain d'électrolyse.
[0030] Pour éviter un tel phénomène, désastreux à la fois pour les performances énergétiques et pour l'environnement, tout en s'approchant au mieux de la teneur en alumine donnant les meilleures performances économiques, on conçoit qu'il est extrêmement important de disposer d'un procédé permettant de contrôler et de réguler très finement la teneur en alumine du bain d'électrolyse dans le domaine des basses teneurs, par exemple entre 1 % et 3 % et de préférence entre 1 % et 2,5 %.
[0031] Le but de l'invention est donc de fournir un tel procédé de régulation de la teneur en alumine du bain dans le domaine des basses teneurs, par l'utilisation d'un paramètre synthétique P calculable simplement à partir de mesures classiques faites sur une cuve d'électrolyse, à savoir: la tension aux bornes de chaque cuve, l'intensité parcourant la file de cuves et la cadence d'alimentation en alumine (en kg/heure p. ex.).
[0032] De façon plus précise, l'objet de l'invention est un procédé de régulation précise d'une faible teneur en alumine, comprise entre 1 et 3 %, dans une cuve pour la production d'aluminium par électrolyse selon le procédé Hall-Héroult permettant d'obtenir un rendement Faraday au moins égal à 94 % en mettant en oeuvre une alternance de périodes d'alimentation de la cuve d'électrolyse en alumine à une cadence nominale CN, à une cadence réduite C- et à une cadence C+ supérieure à la cadence nominale, ce procédé consistant tout d'abord à déterminer un paramètre de régulation P = -1/D.(dRi/dt) exprimé en microohms par seconde et par % en poids par heure, Ri étant la résistance interne de la cuve et t le temps, D étant la dérive de la teneur du bain d'électrolyse en alumine exprimée en % en poids par heure, selon la relation
[0034] CN étant la cadence nominale d'alimentation en alumine et C- la cadence de sous-alimentation, comptées en kg d'alumine par unité de temps, Q(AI203) étant la quantité d'alumine consommée par la cuve dans la même unité de temps et
[0035] Q(b.l.) étant la quantité de bain d'électrolyse liquide contenue dans la cuve, le procédé consistant ensuite à effectuer, de façon répétitive les opérations suivantes:
a) on alimente la cuve à la cadence nominale CN (telle que la quantité d'alumine introduite dans le bain soit sensiblement égale à la quantité consommée par l'électrolyse);
b) on déclenche périodiquement une suralimentation en alumine à une cadence C+ supérieure à la cadence nominale CN, de façon à enrichir le bain en alumine, et pendant une durée t+ prédéterminée. Pendant cette période dRi/dt est négative;
c) on passe en sous-alimentation, c'est-à-dire à une cadence C- inférieure à CN. La pente dRi/dt s'annule puis devient positive. On mesure, de façon fréquente, le paramètre de régulation P, dont la valeur tend à augmenter;
d) on compare les valeurs successives de P à une valeur de consigne Po prédéterminée. Dès que P = Po on repasse en cadence d'alimentation nominale CN et on recommence un nouveau cycle en (a).
Définition des paramètres et des étapes du procédé
[0036] Le paramètre P est évalué à partir de la pseudo-résistance interne de la cuve, R;, définie elle-même par:
[0038] Eo est une valeur forfaitée, en volts, de la force contre-électromotrice dynamique de la cuve, généralement comprise entre 1,5 et 2,0 volts, et le plus souvent de l'ordre de 1,65 à 1,75 volts
[0039] J est l'intensité d'électrolyse exprimée en kiloampères (= 103 ampères) Ri s'exprime alors en microohms;
[0041] Plus précisément, si D est la dérive de teneur en alumine du bain d'électrolyse, exprimée en pour-cent poids par heure, P s'exprime par la formule:
(P étant exprimé en microohms par seconde et par % poids par heure).
[0042] La régulation de la cuve selon l'invention consiste à rester aussi longtemps que possible dans une zone de teneur en alumine, pas nécessairement connue de façon précise, mais telle que P soit aussi proche que possible d'une valeur Po que l'on s'est fixée au préalable.
a) pour cela, on prévoit d'alimenter régulièrement la cuve à une cadence, dite cadence nominale CN, telle que la quantité d'alumine introduite dans le bain soit sensiblement égale à la quantité d'alumine consommée par électrolyse. Pendant ces périodes à cadence nominale, on peut ajuter sans difficulté la distance interpolaire en se basant sur la valeur de la pseudo-résistance qui est alors mesurée pour une teneur en alumine du bain sensiblement constante;
b) puis, partant de cette situation stable, on déclenche, à des moments choisis, une suralimentation c'est-à-dire une alimentation en alumine à une cadence C+ supérieure à la cadence nominale CN. Dans ces conditions s'enrichit progressivement en alumine, à un rythme d'autant plus rapide que la cadence de suralimentation est plus grande.
[0043] La durée t+ de cette suralimentation est fixée de façon à provoquer un enrichissement en alumine du bain d'électrolyse. Notons qu'il n'est pas nécessaire de mesurer ou calculer la valcur exacte de cet enrichissement On peut, pendant cette période de suralimentation, suivre l'évolution de la pseudo-résistance de la cuve ( = dR;/dt).Il existe cependant un risque que toute l'alumine introduite ne se dissolve pas instantanément dans le bain, ce risque étant d'autant plus grand que la cadence de suralimentation est plus rapide.
[0044] Les valeurs de P que l'on mesure sont alors entachées d'un risque d'erreur non nul, et, d'une façon générale, on ne les utilisera que pour détecter de graves anomalies d'alimentation.
[0045] c) Après cette suralimentation de durée t+ fixée, on passe alors en sous-alimentation, c'est-à-dire que l'on alimente la cuve à une cadence C- plus lente que la cadence nominale correspondant à ja consommation d'alumine par électrolyse. On constate généralement, au début de la sous-alimentation, que la pente (dR;/dt), normalement négative pendant la suralimentation, met un certain temps pour s'annuler puis pour prendre des valeurs positives de plus en plus grandes.
[0046] Cette période initiale, qui ne dure généralement que quelques minutes, correspond à la fin de dissolution de l'alumine en excès introduite lors de la période de suralimentation et non immédiatement assimilée par le bain.
[0047] On peut facilement neutraliser cette période initiale où la teneur en alumine du bain n'évolue pas conformément à la cadence d'introduction de cette alumine: en effet, par des mesures fréquentes, nous avons constaté que la durée de cette période initiale était de l'ordre de 2 à 3 fois la durée séparant le lancement de la période de sous-cadencement et le moment où la pente de dR;/dt calculée passait par la valeur 0.
[0048] Une autre méthode consiste à intercaler après la suralimentation une période de quelques minutes en cadence nominale avant de passer en sous alimentation.
[0049] Après cette période initiale, la teneur en alumine du bain décroît d'autant plus vite que la cadence d'alimentation est plus lente, et, parallèlement, la pente dR;/dt mesurée augmente.
[0050] La dérive de teneur en alumine, D, comptée en % poids par heure, est alors proportionnelle à:
[0051] où C- est la cadence de sous-alimentation comptée en kg d'A1203 introduite par seconde et CN est la cadence nominale d'alimentation (comptée dans les mêmes unités). Tout autre système cohérent d'unités peut bien sûr être utilisé, par exemple l'inverse du temps séparant l'introduction de 2 doses d'alumine consécutives.
[0053] . Q (b.l.) est le poids de bain liquide, capable de dissoudre de l'alumine, contenu dans le creuset de la cuve (à titre indicatif, si le poids de bain liquide est mesuré en kg, de l'ordre de 30 J où J est l'intensité d'électrolyse comptée en kA): notons que la constante de temps pour la fusion ou la solidification de bain au niveau du talus étant très grande (généralement de l'ordre de plusieurs heures), cette quantité ne varie que très lentement dans le temps.
[0054] A titre d'exemple, pour une cuve 280 kA contenant 8000 kg de bain liquide et consommant 170 kg d'alumine par heure, et une cadence C- = 0,7 CN, il vient D = -0,64 % par heure.
[0055] On peut alors mesurer de façon fiable et fréquente le paramètre synthétique P - - 1/D. (dR;/dt).
d) Au fur et à mesure que la sous-alimentation se prolonge, la valeur de P, initialement inférieure à la valeur visée Po, augmente et finit par atteindre cette valeur visée. Cet évènement se produit au bout d'un temps t de sous-cadencement que l'on ne peut prévoir de façon certaine et généralement différent du temps t+ de surcadencement.
e) On repasse alors en cadence nominale CN, c'est-à-dire à une cadence d'alimentation égale au rythme de consommation de l'alumine par électrolyse, pendant un temps tN au bout duquel le cycle de mesure et ajustement redémarre en (a).
[0056] La teneur en alumine visée étant proche de la teneur limite déclenchant l'apparition d'une polarisation de la cuve, il est essentiel qu'après un fonctionnement à cadence nominale, le recalage se fasse en faisant précéder la phase de recherche du point de fonctionnement (caractérisé par Po), pendant un sous-cadencement, par une période de surcadencement qui permet de s'éloigner de cette teneur limite avant de déclencher la recherche.
[0057] Bien entendu, le procédé de régulation selon l'invention peut n'être utilisé que pendant une partie du temps de fonctionnement de la cuve, et de préférence lorsque la cuve est stable.
[0058] Certaines opérations perturbent en effet le fonctionnement normal, et c'est particulièrement le cas des opérations de changement d'anodes et de coulée du métal produit.
[0059] Il est bien évident pour l'homme de l'art que l'on pourra adopter des algorithmes de régulation particuliers pendant et après le déroulement de ces opérations perturbatrices, jusqu'à ce que la cuve ait retrouvé une stabilité de marche suffisante.
[0060] Il est évident également pour l'homme de l'art que l'on pourra intercaler, entre l'étape de suralimentation (3) et l'étape de sous-alimentation contrôlée (4) une étape supplémentaire d'alimentation en cadence nominale - ou de légère sur ou sous-alimentation - sans que ceci ne perturbe sensiblement le procédé selon l'invention, c'est-à-dire n'empêche de rechercher le point de fonctionnement tel que P = -1/D (dR;/dt) soit proche de Po. En ce qui concerne l'estimation de la valeur de Po correspondant à un fonctionnement de la cuve le plus proche de l'optimum économique, il nous est apparu que Po pouvait être décrit par une équation très simplifiée:
où: Po est exprimé en microohms par seconde et par pour-cent poids par heure,
KI est un coefficient "économique" synthétisant les conditions économiques du moment (en particulier coût de l'énergie comparé aux autres postes du prix de revient, hors alumine),
K2 est un coefficient "technique" synthétisant les caractéristiques technologiques et physicochimiques de la cuve (K2 est sensiblement indépendant de K1,
[0062] De préférence, ce paramètre Po sera maintenu entre les valeurs limites de 2/100 J et 10/100 J.
[0064] Le coefficient économique KI synthétise les conditions économiques du moment. Il est sensiblement égal au rapport de la somme des coûts fixes de transformation (hors alumine), comprenant en particulier le coût de l'énergie et des produits carbonés consommables, de la main d'oeuvre et des amortissements, frais financiers compris, au coût de l'énergie.
[0065] A titre d'exemple illustratif et non limitatif, une bonne approximation de ce coefficient KI peut être obtenue en décomposant comme suit les coûts de production d'une tonne d'aluminium.
A = coût de l'alumine et matières premières diverses (hors carbone)
C = coût des matières premières carbonées
E = coût de l'énergie (électroyse et captation)
PR = autres coûts de production (essentiellement main d'oeuvre et frais d'entretien)
AFF = amortissements et frais financiers
[0066] On écrit alors que KI est approximativement égal à:
(une estimation de K1 à ± 20 % est largement suffisante pour s'approcher suffisamment de l'optimum économique).
[0067] A titre d'exemple, pour un coût de production de l'aluminium se décomposant en:
A = 4000 F/tonne
C = 1000 F/tonne
E = 2000 F/tonne
PR = 2000 F/tonne
AFF = 1200 F/tonne
Il vient: K1 = 1000 + 2000 + 2000 + 1200/2000 = 6200/2000 = 3,10
[0068] Le coefficient "technique" K2 synthétise les caractéristiques technologiques et physicochimiques de la cuve et peut être évalué comme suit:
[0069] on trouve expérimentalement en première approximation (généralement suffisante pour déterminer une conduite de cuves suffisamment optimisée):
où: U est la tension aux bornes de la cuve, comptée en volts, généralement comprise entre 3,8 et 5,5 volts pour des cuves correctement conduites par l'homme de l'art,
[0070] F est le rendement Faraday de la cuve, généralement compris entre 0,88 et 0,96 pour ces mêmes cuves correctement conduites dF/d(AI203) est la dérive algébrique du rendement Faraday par rapport à la teneur en alumine du bain, comptée en % de Faraday par % d'alumine, dans la zone des teneurs en alumine comprises entre 1 % et 4 %, et de préférence dans la zone des teneurs en A1203 comprise entre 1,5 % et 3 %.
[0071] Ce facteur dF/d(Al2O3) dépend de nombreux facteurs tels que la composition du bain (acidité = excès d'AIF3), sa surchauffe (c'est-à-dire l'écart entre la température effective du bain et sa température de solidification commençante).
[0072] l'équilibre magnétique (et en particulier l'agitation et la déformation de l'interface bain/métal).
[0073] D'une façon générale, ce facteur dF/d(Al2O3) doit être déterminé expérimentalement pour chaque type de cuve et pour les divers types de bains utilisés (bains peu acides, à moins de 8 % d'excès d'AIF3, ou bains très acides, à plus de 8 % d'excès d'AIF3 ou avec des sous-additifs tels que LiF et MgF2). Une fois déterminé, il ne dépend plus, en première approximation, des conditions économiques.
[0074] A titre d'exemple non limitatif, pour une cuve d'intensité nominale 280 KA, fonctionnant avec un bain à 13 % d'excès d'AIF3 et moins de 1 % de LiF, avec une température de bain d'environ 950°C et une teneur en alumine comprise entre 1,7 % et 2,5 % on a trouvé:
(c'est-à-dire que le rendement Faraday augmente de 1,5 % quand la teneur en alumine baisse de 1 %). Pour cette même cuve, dans les mêmes conditions de fonctionnement, on a mesuré
F = 0,95 (soit 95 %)
V - 4,10 volts
Exemple de mise en oeuvre
[0076] L'invention a été appliquée sur une série de cuves d'électrolyse fonctionnant à une intensité de 280 KA, sous une tension de 4,10 volts par cuve et donnant un rendement Faraday de 95,0 % pour une teneur moyenne en alumine du bain d'électrolyse égale à 2,3 %, régulée auparavant selon le procédé de notre brevet FR-2 487 386 déjà cité (procédé dit "à calcul de pente").
[0077] La production journalière de la série par cuve, était de 2.145 kg/jour, pour une consommation énergétique de 12.860 kWh/tonne.
[0078] On a déterminé le paramètre Po en prenant pour:
K1 la valeur de: 3,10
K2 la valeur de: + 1,8/100
(J nominal étant égal à 280 KA)
CN étant la cadence nominale d'alimentation en alumine et C- la cadence de sous-alimentation, comptées en kg d'alumine par unité de temps, Q(At203) étant la quantité d'alumine consommée par la cuve dans la même unité de temps et Q(b.l.) étant la quantité de bain d'électrolyse liquide contenue dans la cuve, le procédé consistant ensuite à effectuer de façon répétitive les opérations suivantes:
a) on alimente la cuve à la cadence nominale CN (telle que la quantité d'alumine introduite dans le bain soit sensiblement égale à la quantité consommée par l'électrolyse);
b) on déclenche périodiquement une suralimentation en alumine à une cadence C+, supérieure à la cadence nominale CN, de façon à enrichir le bain en alumine, et pendant une durée t+ prédéterminée. Pendant cette période, dRi/dt est négative;
c) on passe en sous-alimentation, c'est-à-dire à une cadence C- inférieure à CN. La pente dRi/dt s'annule puis devient positive. On mesure, de façon fréquente, le paramètre de régulation P, dont la valeur tend à augmenter;
d) on compare les valeurs successives de P à une valeur de consigne Po prédéterminée. Dès que P = Po on repasse en cadence d'alimentation nominale CN et on recommence un nouveau cycle en (a).
CN der Nenntakt der Speisung mit Tonerde und C- der Unterspeisungstakt ist, die als kg Tonerde je Zeiteinheit gerechnet werden, Q(Al2O3) die durch die Zelle in der gleichen Zeiteinheit verbrauchte Tonerdemenge ist und Q. (b.l.) die in der Zelle enthaltene flüssige Elektrolysebadmenge ist und das Verfahren anschließend darin besteht, wiederholt die folgenden Schritte durchzuführen:
a) man speist die Zelle im Nenntakt CN (derart, daß die in das Bad eingeführte Tonerdemenge genau gleich der durch die Elektrolyse verbrauchten Menge ist);
b) man setzt periodisch eine Überspeisung mit Tonerde in einem Takt C+ über dem Nenntakt CN derart, daß das Bad an Tonerde angereichert wird, und während einer vorbestimmten Dauer t+ in Gang. Während dieser Periode ist dRi/dt negativ;
c) man geht zur Unterspeisung, d. h. zu einem Takt C- unter CN über. Die Neigung dRi/dt verschwindet und wird dann positiv. Man mißt häufig den Regulierungsparameter P, dessen Wert zum Wachsen neigt;
d) man vergleicht die aufeinanderfolgenden Werte von P mit einem vorbestimmten Einstellwert Po. Sobald P = Po, geht man wieder zum Nennspeisungstakt CN über und beginnt wieder einen neuen Zyklus bei a).
dadurch gekennzeichnet,
daß man nach dem Überspeisungsschritt b) während einiger Minuten zum Nenntakt CN übergeht, bevor man zur Unterspeisung übergeht.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Einstellwert Po des Regulierungsparameters P auf Basis der Stärke J in kA des Elektrolysestroms und zweier Koeffizienten K1, der mit den Produktionskosten verknüpft ist, und K2, der mit den physikochemischen Eigenschaften der Zelle verknüpft ist, entsprechend der Beziehung Po = K1 K2/J bestimmt wird.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Koeffizient K1 genau gleich dem Verhältnis der Summe der festen Umwandlungskosten (Energie, verbrauchbare Kohlenstoffprodukte, Arbeitskosten, Amortisationen) zu den Kosten der elektrischen Energie ist.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Einstellwert Po des Regulierungsparameters P, ausgedrückt in Mikroohm je Sekunde und durch Gew.-% je Stunde, zwischen 2/100 J und 10/100 . J festgelegt wird, wobei die Stärke J des Elektrolysestroms in kA ausgedrückt wird.
CN being the nominal alumina feed rate and C- being the under-feed rate, reckoned in kg of alumina per unit of time, Q(AI203) being the amount of alumina consumed by the cell in the same unit of time and Q(b.l.) being the amount of liquid electrolysis bath contained in the cell, the process then comprising repetitively effecting the following operations:
a) the cell is fed at the nominal rate CN (such that the amount of alumina introduced into the bath is substantially equal to the amount consumed by electrolysis);
b) an over-feed of alumina at a rate C+ which is higher than the nominal rate CN is periodically triggered off so as to enrich the bath with alumina, for a predetermined time t+. During that period dRi/dt is negative;
c) the feed rate goes to an under-feed rate, that is to say a rate C- which is less than CN. The curve dRi/dt passes through zero and then becomes positive. The regulation parameter P, the value of which tends to rise, is measured frequently; and
d) the successive values of P are compared to a predetermined reference value Po. As soon as P = Po, the feed rate goes back to the nominal feed rate CN and a fresh cycle is begun again at (a).