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
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 oeuvre de cette solution génère de la perte électrique en ligne et nécessite beaucoup de matière (conducteurs en aluminium), d'où des coûts 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
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 :
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.
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-circuitage.
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 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.
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
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 I1.
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 I1. 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 I1. D'une manière plus générale, amont et aval sont définis par rapport au sens global de circulation du courant d'électrolyse I1.
Dans l'exemple de la
Dans le mode de réalisation de la
Comme cela est visible sur la
Les circuits électriques secondaires 5 et 6 sont respectivement parcourus par des courants électriques I2 et I3. La valeur de l'intensité des courants électriques I2 et I3, est comprise entre 20% et 100% de celle de l'intensité du courant d'électrolyse I1 et de préférence entre 40% et 70%, et plus particulièrement encore de l'ordre de la moitié. Le sens d'acheminement des courants électriques I2 et I3 est avantageusement le même que le sens d'acheminement du courant d'électrolyse I1. 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
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
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
De tels blocs cathodiques à face supérieure crénelée sont notamment connus du document de brevet
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
Classiquement, comme cela est visible sur la
Le courant d'électrolyse I1 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
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 I1. 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 I1 parcourant la cuve N traverse les sorties cathodiques 12 puis les conducteurs électriques 14 reliés aux sorties cathodiques 12. Le courant d'électrolyse I1 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.
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 I1, 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
La
La
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
Comme dans le mode de réalisation présenté à la
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
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 I1 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 I1 (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
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 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 I2, I3 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 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 conféré par l'objet des revendications.
Cette liste de références citées par le demandeur vise uniquement à aider le lecteur et ne fait pas partie du document de brevet européen. Même si le plus grand soin a été accordé à sa conception, des erreurs ou des omissions ne peuvent être exclues et l'OEB décline toute responsabilité à cet égard.