CA2439324C - Procede de regulation d'une cellule d'electrolyse - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de régulation d'une cellule d'électrolyse pour la production d'aluminium par réduction d'alumine dissoute dans un bain de cryolithe fondue et comprend l'ajout, dans le bain d'électrolyte, durant des intervalles de temps p prédéterminés appelés "périodes", d'une quantité déterminée Q(p) de trifluorure d'aluminium (AlF3) déterminée par la relation suivante: Q(p)=Qint(p)-Qcl(p)+Qt(p), où Qint(p) est un terme intégral (ou "auto-adaptatif") qui représente les besoins réels totaux de la cellule en AlF3 et qui est calculé à partir d'une moyenne Qm(p) des apports réels en AlF3 effectués durant les N dernières périodes, Qcl est un terme correctif correspondant à la quantité dite "équivalente" d'AlF3 contenue dans l'alumine ajoutée à la cellule durant la période p, et Qt(p) est un terme correctif qui est une fonction typiquement croissante de l'écart entre la température du bain mesurée T(p) et une température de consigne To. Le procédé selon l'invention permet de réguler efficacement l'acidité d'une cellule d'électrolyse à des intensités pouvant atteindre 500 kA avec un bain d'électrolyte ayant une teneur en AlF3 supérieure à 11 %.
Description
PROCÉDÉ DE RÉGULATION D'UNE CELLULE D'ÉLECTROLYSE
Domaine de l'invention L'invention concerne un procédé de régulation d'une cellule de production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans un électrolyte à base de cryolithe fondue, notamment selon le procédé Hall-Héroult. Elle concerne tout particulièrement la régulation de la quantité de trifluorure d'aluminium (A1F3) du bain de cryolithe.
État de la technique L'aluminium métal est produit industriellement par électrolyse ignée, à savoir par électrolyse de (alumine en solution dans un bain de cryolithe fondue, appelé
bain d'électrolyte, notamment selon le procédé bien connu de Hall-Héroult. Le bain d'électrolyte est contenu dans des cuves, dites t< cuves d'électrolyse », comprenant un caisson en acier, qui est revêtu intérieurement de matériaux réfractaires etlou isolants, et un ensemble cathodique situé au fond de la cuve. Des anodes en matériau carboné sont partiellement immergées dans le bain d'électrolyte. L'ensemble formé
par une cuve d'électrolyse, sa ou ses anodes et ie bain d'électrolyte est appelé une cellule d'électrolyse.
Le courant d'électrolyse, qui circule dans le bain d'électrolyte et la nappe d'aluminium liquides par (intermédiaire des anodes et des éléments cathodiques, opère les réactions de réduction de l'aluminium et permet également de maintenir le bain d'électrolyte à une température de l'ordre de 950 °C par effet Joule. La cellule d'électrolyse est régulièrement alimentée en alumine de manière à compenser la consommation en alumine produite par les réactions d'électrolyse.
La productivité et le rendement Faraday d'une cellule d'électrolyse sont influencés par plusieurs facteurs, tels que (intensité et la répartition du courant d'électrolyse, la température de Ia cuve, Ia teneur en alumine dissoute et l'aciditë du bain
Domaine de l'invention L'invention concerne un procédé de régulation d'une cellule de production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans un électrolyte à base de cryolithe fondue, notamment selon le procédé Hall-Héroult. Elle concerne tout particulièrement la régulation de la quantité de trifluorure d'aluminium (A1F3) du bain de cryolithe.
État de la technique L'aluminium métal est produit industriellement par électrolyse ignée, à savoir par électrolyse de (alumine en solution dans un bain de cryolithe fondue, appelé
bain d'électrolyte, notamment selon le procédé bien connu de Hall-Héroult. Le bain d'électrolyte est contenu dans des cuves, dites t< cuves d'électrolyse », comprenant un caisson en acier, qui est revêtu intérieurement de matériaux réfractaires etlou isolants, et un ensemble cathodique situé au fond de la cuve. Des anodes en matériau carboné sont partiellement immergées dans le bain d'électrolyte. L'ensemble formé
par une cuve d'électrolyse, sa ou ses anodes et ie bain d'électrolyte est appelé une cellule d'électrolyse.
Le courant d'électrolyse, qui circule dans le bain d'électrolyte et la nappe d'aluminium liquides par (intermédiaire des anodes et des éléments cathodiques, opère les réactions de réduction de l'aluminium et permet également de maintenir le bain d'électrolyte à une température de l'ordre de 950 °C par effet Joule. La cellule d'électrolyse est régulièrement alimentée en alumine de manière à compenser la consommation en alumine produite par les réactions d'électrolyse.
La productivité et le rendement Faraday d'une cellule d'électrolyse sont influencés par plusieurs facteurs, tels que (intensité et la répartition du courant d'électrolyse, la température de Ia cuve, Ia teneur en alumine dissoute et l'aciditë du bain
2 d'électrolyte, etc, qui interagissent les uns avec les autres. Par exemple, la température de fusion d'un bain de cryolithe décroît avec (excès de trifluorure d'aluminium (A1F3) par rapport à la composition nominale (3 NaF . A1F3). Dans les usines modernes, les paramètres de fonctionnement sont ajustés de manière à
viser des rendements Faraday supérieurs à 90 %.
Le rendement Faraday effectif d'une cellule est toutefois fortement influencé
par les variations des paramëtres de celle-ci. Par exemple, une augmentation de la température de l'électrolyte d'une dizaine de degrés Celsius peut faire baisser le rendement Faraday d'environ 2 % et une diminution de la température de l'électrolyte d'une dizaine de degrés Celsius peut réduire la solubilité déjà
faible de l'alumine dans l'électrolyte et favoriser " l'effet d'anode ", c'est-à-dire la polarisation d'anode, avec montée brutale de la tension aux bornes de la cellule et dëgagement en quantité importante de produits fluorés et fluoro-carbonés, et/ou de dépôts isolants sur la surface de la cathode.
La conduite d'une cellule d'électrolyse nécessite donc de contrôler précisément ses paramètres de fonctionnement, tels que sa température, la teneur en alumine, (acidité, etc, de manière à les maintenir à des valeurs de consigne déterminées.
Plusieurs procêdés de régulation ont été développés afin d'atteindre cet objectif. Ces procédés portent généralement soif sur la régulation de la teneur en alumine du bain d'électrolyte, soit sur la régulation de sa température, soit sur la régulation de son acidité, c'est-à-dire l'excès d'A1F3.
Le brevet américain US 4,668,350 décrit un procédë de contrôle des ajouts d'AlF3 dans lequel on ajoute de fAlF3 selon un taux déterminé, on mesure régulièrement la température du bain et on ajuste le taux d'addition de l'A1F3 en fonction de l'écart entre la température mesurée de la cuve et la température visée (le taux d'addition est augmenté lorsque la température mesurée est supérieure à la tempërature de consigne et diminué dans le cas inverse). Le taux d'addition d'A1F3 peut également être corrigé
en fonction de la dérive de la température mesurée (le taux est augmenté
lorsque la température mesurée est supérieure à la valeur précédente et diminué dans le cas
viser des rendements Faraday supérieurs à 90 %.
Le rendement Faraday effectif d'une cellule est toutefois fortement influencé
par les variations des paramëtres de celle-ci. Par exemple, une augmentation de la température de l'électrolyte d'une dizaine de degrés Celsius peut faire baisser le rendement Faraday d'environ 2 % et une diminution de la température de l'électrolyte d'une dizaine de degrés Celsius peut réduire la solubilité déjà
faible de l'alumine dans l'électrolyte et favoriser " l'effet d'anode ", c'est-à-dire la polarisation d'anode, avec montée brutale de la tension aux bornes de la cellule et dëgagement en quantité importante de produits fluorés et fluoro-carbonés, et/ou de dépôts isolants sur la surface de la cathode.
La conduite d'une cellule d'électrolyse nécessite donc de contrôler précisément ses paramètres de fonctionnement, tels que sa température, la teneur en alumine, (acidité, etc, de manière à les maintenir à des valeurs de consigne déterminées.
Plusieurs procêdés de régulation ont été développés afin d'atteindre cet objectif. Ces procédés portent généralement soif sur la régulation de la teneur en alumine du bain d'électrolyte, soit sur la régulation de sa température, soit sur la régulation de son acidité, c'est-à-dire l'excès d'A1F3.
Le brevet américain US 4,668,350 décrit un procédë de contrôle des ajouts d'AlF3 dans lequel on ajoute de fAlF3 selon un taux déterminé, on mesure régulièrement la température du bain et on ajuste le taux d'addition de l'A1F3 en fonction de l'écart entre la température mesurée de la cuve et la température visée (le taux d'addition est augmenté lorsque la température mesurée est supérieure à la tempërature de consigne et diminué dans le cas inverse). Le taux d'addition d'A1F3 peut également être corrigé
en fonction de la dérive de la température mesurée (le taux est augmenté
lorsque la température mesurée est supérieure à la valeur précédente et diminué dans le cas
3 inverse). Ce procédé, qui repose sur la corrélation entre la température et la teneur d'A1F3 du bain, ne tient pas compte de l'impact des périodes transitoires. En outre, ce procédé gëre mal les dérives thermiques car il ne tient pas compte de la quantité
réelle d'A1F3 contenue dans la cuve.
Le brevet américain US 5 094 728 décrit un procédé de régulation dans lequel on calcule le délai optimal entre les ajouts d'A1F3 et leur effet sur l'électrolyte à l'aide d'un modèle comprenant plusieurs paramètres, et on calcule les quantités d'A1F3 à
ajouter au cours des n jours suivants à partir, d'une part, de l'écart entre la concentration d'A1F3 du bain visée et la valeur mesurée et, d'autre part, de la consommation théorique quotidienne. Les paramètres sont calculés à partir des mesures effectuées sur la cuve durant un intervalle de temps long, de l'ordre de 10 à
60 jours. Ce procédé nécessite le développement et l'implantation d'un modèle complexe qui n'est d'ailleurs pas décrit dans ce document.
La demande internationale WO 99/41432 décrit un procédé de régulation dans lequel on mesure la température de liquidas du bain d'électrolyte et on compare la température de liquidas mesurée à une première et à une seconde valeurs de consigne ; si la température de liquidas est supérieure à la première valeur de consigne, on aj oute de l'A1F3 ; si elle est inférieure à la seconde valeur de consigne, on ajoute du NaF ou du Na2C03. Ce procédé de régulation nécessite une mesure fiable, rapide et économique de la température de liquidas. La température de liquidas est généralement déterminée à partir d'une équation complexe qui tient compte de la composition exacte du bain d'électrolyte, et notamment de son contenu en NaF, A1F3, CaF2, LiF et A1203.
Problème posé
Les producteurs d'aluminium, dans leur recherche continue en vue d'augmenter simultanément la production et la productivité des usines d'électrolyse, visent à
repousser ces limites.
réelle d'A1F3 contenue dans la cuve.
Le brevet américain US 5 094 728 décrit un procédé de régulation dans lequel on calcule le délai optimal entre les ajouts d'A1F3 et leur effet sur l'électrolyte à l'aide d'un modèle comprenant plusieurs paramètres, et on calcule les quantités d'A1F3 à
ajouter au cours des n jours suivants à partir, d'une part, de l'écart entre la concentration d'A1F3 du bain visée et la valeur mesurée et, d'autre part, de la consommation théorique quotidienne. Les paramètres sont calculés à partir des mesures effectuées sur la cuve durant un intervalle de temps long, de l'ordre de 10 à
60 jours. Ce procédé nécessite le développement et l'implantation d'un modèle complexe qui n'est d'ailleurs pas décrit dans ce document.
La demande internationale WO 99/41432 décrit un procédé de régulation dans lequel on mesure la température de liquidas du bain d'électrolyte et on compare la température de liquidas mesurée à une première et à une seconde valeurs de consigne ; si la température de liquidas est supérieure à la première valeur de consigne, on aj oute de l'A1F3 ; si elle est inférieure à la seconde valeur de consigne, on ajoute du NaF ou du Na2C03. Ce procédé de régulation nécessite une mesure fiable, rapide et économique de la température de liquidas. La température de liquidas est généralement déterminée à partir d'une équation complexe qui tient compte de la composition exacte du bain d'électrolyte, et notamment de son contenu en NaF, A1F3, CaF2, LiF et A1203.
Problème posé
Les producteurs d'aluminium, dans leur recherche continue en vue d'augmenter simultanément la production et la productivité des usines d'électrolyse, visent à
repousser ces limites.
4 En particulier, dans le but d'augmenter la productivité des usines, on cherche à
atteindre des rendements Faraday supérieurs à 95 % en fonctionnant avec des excès d'A1F3 supérieur à 11 %, et pouvant atteindre 13 à 14 %, ce qui permet de diminuer la température de fonctionnement des cellules (la température du liquidus chute en effet de 5°C / %A1F3 environ) et, par conséquent, de réduire la consommation énergétique de celles-ci. Or, dans cette zone de composition chimique, la solubilité de l'alumine est fortement rëduite, ce qui accroît considérablement les risques d'effets d'anode et de dépôts isolants sur la cathode.
D'autre part, dans le but d'augmenter la production des usines, on cherche à
accroître la capacité unitaire des cellules et, corrélativement, à augmenter l'intensité
du courant d'électrolyse. La tendance actuelle est au développement de cellules d'électrolyse ayant une intensité qui atteint ou dépasse 500 kA. L'augmentation de la capacité des cellules d'électrolyse peut être obtenue, en général, soit par une augmentation de l'intensité admissible de cellules de type connu ou de cellules existantes, soit par le développement de cellules de très grande taille. Dans le premier cas, l'augmentation de l'intensité admissible conduit à la diminution de la masse de bain d'électrolyte, ce qui exacerbe l'effet des instabilités. Dans le second cas, l'augmentation de la taille des cellules accroît leur inertie thermique et chimique. Par conséquent, l'augmentation de Ia capacité des cellules accroît non seulement la rapidité
de consommation de l'alumine mais amplifie également les phénomènes générateurs d'instabilités et de dérive des cellules, ce qui accentue davantage les difficultés de pilotage des cellules d'électrolyse.
La demanderesse a donc recherché un procédë de régulation d'une cellule d'électrolyse, notamment de l'acidité du bain d'électrolyte (c'est-à-dire de sa teneur en A1F3) et de la thermique globale de la cellule, qui permette de piloter, de manière stable et avec un rendement Faraday supérieur à 93 %, voire supérieure à 95 %, sans avoir recours à des mesures fréquentes de la teneur en A1F3, des cellules d'électrolyse dont (excès d'A1F3 est supérieur à 11 % et dont l'intensité peut atteindre ou dépasser 500 kA.
S
Description de l'invention L'invention a pour objet un procédé de régulation d'une cellule d'électrolyse destinée à Ia production d'aluminium par électrolyse ignée, c'est-à-dire par passage de courant dans un bain d'électrolyte à base de cryolite fondue et contenant de l'alumine dissoute, notamment selon le procédé Hall-Héroult.
Le procédé de régulation selon l'invention comprend l'ajout, dans le bain d'électrolyte d'une cellule d'électrolyse, durant des intervalles de temps p prédéterminês appelés « périodes de régulation », d'une quantité déterminée Q(p) de trifluorure d'aluminium (AIF3) déterminée par Ia relation suivante Q(p) ~ Qint(p) - Qc 1 (p) + Qt(p), où
Qint(p) est un terme intégral (ou « auto-adaptatif ») qui représente les besoins réels totaux de Ia cellule en A1F3 et qui est calculé à partir d'une détermination Qm(p) des apports réels en AIF3 effectués durant Ia dernière période ou Ies N derniéres périodes, Qcl est un terme compensateur correspondant à la quantité dite « équivalente »
d'AIF3 contenue dans l'alumine ajoutée à la cellule durant la période p, ladite quantité pouvant être positive ou négative, Qt(p) est un terme correctif qui est une fonction déterminëe (qui est typiquement croissaxlte) de l'écart entre la température du bain mesurëe T(p) et une température de consigne To.
Le terme Qint(p) tient compte des pertes du bain en A1F3 qui interviennent au cours d'un fonctionnement normal de Ia cellule et qui proviennent pour l'essentiel de l'absorption par le creuset de la cuve et des dégagements dans les effluents gazeux.
Ce terme, dont la valeur moyenne est non nulle, permet notamment de suivre le vieillissement de la cuve, sans avoir à la modéliser, grâce à un effet de mémoire du comportement de la cuve dans le temps. II tient compte également du vieillissement particulier de chaque cuve, que la demanderesse a trouvé être en général sensiblement différent du vieillissement moyen de la population des cuves du même type.
Le terme Qm(p) tient compte des apports équivalents totaux en A1F3, c'est-à-dire des apports « directs » provenant des ajouts d'A1F3 et des apports « indirects »
provenant des ajouts d'alumine.
Dans une variante préférée de l'invention, la formule de calcul de la quantité
Q(p) comporte un terme supplémentaire Qc2(p), c'est-à-dire que Q(p) = Qint(p) -Qcl(p) + Qt(p) + Qc2(p), où Qc2(p) est un terme correctif qui est une fonction déterminée (qui est typiquement décroissante) de l'écart entre Qm(p) et Qint(p).
Le terme Qc2 est un terme de correction a priori qui permet de tenir compte par anticipation de l'effet d'un ajout d'A1F3, lequel effet n'apparaît normalement qu'après quelques jours. En effet, la demanderesse a constaté l'importance surprenante de la différence entre la constante de temps de (évolution de la température, qui est faible (de l'ordre de quelques heures), et celle de la teneur en AlF3, qui est très grande (de l'ordre de quelques dizaines d'heures). Dans ses essais, elle a trouvé qu'il était très avantageux d'anticiper sur l'évolution de (acidité de la cuve lors d'un ajout d'A1F3, ce que permet de faire efficacement le terme Qc2.
Les termes Qt(p) et Qc2(p) sont des termes dont Ia valeur moyenne dans le temps tend normalement vers zéro (c'est-à-dire qu'ils sont nornlalement nuls en moyenne).
La demanderesse a par ailleurs constaté dans ses essais que (effet combiné des termes de base, à savoir Qt, Qint, Qcl et, avantageusement, Qc2, permettait d'assurer une régulation fiable, c'est-à-dire avec une grande stabilité, de la teneur en A1F3 des cellules d'électrolyse, sur une période de plusieurs mois, même sans tenir compte de teneurs mesurées en AIF3, lesquelles mesures grèvent les coûts de fonctionnement des cellules et sont, de toute manière, aisëment entachées d'erreurs significatives.
Figures La figure 1 représente, en coupe transversale, une cellule d'électrolyse typique.
La figure 2 illustre le principe des séquences de régulation de l'invention.
La figure 3 montre des évolutions des besoins totaux en AlF3 d'une cellule d'électrolyse.
Les figures 4 et 5 montrent des fonctions typiques utilisëes pour déterminer Ies termes de Qt et Qc2.
La figure 6 illustre une méthode de dëtermination de la variation de résistance électrique spécifique de la cellule d'électrolyse.
La figure 7 illustre de manière schématique la forme des lignes de courant passant dans le bain d'électrolyte entre une anode et la nappe de métal liquide.
La figure 8 illustre une méthode de détermination de la superficie de la nappe de métal liquide.
Tel qu'illustré à la figure 1, une cellule d'électrolyse (1) pour la production d'aluminium par le procédé d'électrolyse comprend typiquement une cuve (20), des anodes (7) supportés par les moyens de fixation (8, 9) à un cadre anodique (10) et des moyens d'alimentation en alumine (11). La cuve (20) comprend un caisson (2) en acier, des éléments de revêtement intérieur (3, 4) et un ensemble cathodique (5, 6).
Les éléments de revêtement intérieur (3, 4) sont généralement des blocs en matériaux réfractaires, qui peuvent être des isolants thermiques. L'ensemble cathodique (5, 6) comprend des barres de raccordement (6) auxquelles sont fixés les conducteurs électriques servant à l'acheminement du courant d'électrolyse.
Les éléments de revêtement (3, 4) et l'ensemble cathodique (5, 6) forment, à
l'intérieur de la cuve (20), un creuset apte à contenir le bain d'électrolyte (13) et une nappe de métal liquide (12) lorsque la cellule est en fonctionnement, au cours duquel les anodes (7) sont partiellement inunergées dans le bain d'électrolyte (13).
Le bain d'électrolyte contient de l'alumine dissoute et, en général, une couverture d'alumine (14) recouvre le bain d'électrolyte.
Le courant d'électrolyse transite dans le bain d'électrolyte (13) par l'intermédiaire du cadre anodique (10), des moyens de fixation (8, 9), des anodes (7) et des éléments cathodiques (5, 6). L'alimentation en alumine de la cellule a pour but de compenser la consommation sensiblement continue de la cellule qui provient essentiellement de la réduction de l'alumine en aluminium métal. L'alimentation en alumine, qui se fait par ajouts d'alumine dans le bain liquide (13) (typiquement à l'aide d'un piqueur-doseur (11)), est en général régulëe indépendamment.
L'aluminium métal (12) qui est produit au cours de l'électrolyse s'accumule au fond de la cellule et il s'établit une interface assez nette entre le métal liquide (6) et le bain de cryolithe fondue (13). La position de cette interface bain-métal varie au cours du temps : elle s'élève au fur et à mesure que le métal liquide s'accumule .au fond de la cellule et elle s'abaisse lorsque du métal liquide est extrait de la cellule.
En règle générale, on cherche à former un talus (15) de cryolithe solidifiée sur la partie des parois latérales (3) du creuset qui sont en contact avec le bain d'électrolyte (7) et avec la nappe de métal liquide (12).
Plusieurs cellules d'électrolyse sont généralement disposées en ligne, dans des bâtiments appelés halls d'électrolyse, et raccordées électriquement en série à
l'aide de conducteurs de liaison. Les cellules sont typiquement disposées de manière à
former deux ou plusieurs files parallèles. Le courant d'électrolyse passe ainsi en cascade d'une cellule à la suivante.
Description détaillée de l'invention Selon l'invention, le procédé de régulation d'une cellule d'électrolyse pour la production d'aluminium (1) par réduction électrolytique de l'alumine dissoute dans un bain d'électrolyte (13) à base de cryolithe, ladite cellule (1) comprenant une cuve (20), des anodes (7) et des éléments cathodiques (5, 6) aptes à faire circuler un courant dit d'électrolyse dans ledit bain, l'aluminium produit par ladite réduction formant une nappe dite « nappe de métal liquide » (12) sur lesdits éléments cathodiques (5, 6), ledit procédé comprenant l'alimentation de ladite cellule en alumine par ajout d'alumine dans ledit bain et étant caractérisé en ce qu'il comprend - l'implantation d'une séquence de régulation comprenant une série d'intervalles de temps p de durée Lp appelés « périodes de régulation » ou simplement «
périodes »
par la suite ;
- la détermination d'une température moyenne T(p) du bain d'électrôlyte, à
partir d'au moins une mesure de la température dudit bain effectuée durant la dernière période ou au moins une des Nt dernières périodes ;
- la détermination d'une quantité Qc 1 (p) dite « équivalente » d'A1F3 contenue dans l'alumine ajoutée à la cellule durant la période p ;
- la détermination d'une valeur Qm(p) des apports équivalents totaux d'A1F3 par période durant la dernière période ou durant les N dernières périodes ;
- la détermination d'une quantité Q(p) de trifluorure d'aluminium (A1F3) à
ajouter durant la période p, dite « quantité déterminée Q(p) », à l'aide de la formule Q(p) = Qint(p) - Qcl(p) + Qt(p), oü
Qint(p) = a x Qm(p) + ( 1 - a) x Qint(p -1 ), a est un coefficient de lissage fixant (horizon temporel du lissage du terme intégral Qint(p), Qt(p) est une fonction dëterminée, de préférence croissante, de l'écart entre ladite température T(p) et une température de consigne To, - l'ajout dans ledit bain d'électrolyte, durant la période p, d'une quantité
effective de trifluorure d'aluminium (A1F3) égale à ladite quantité déterminée Q(p).
Le terme Q(p) correspond à un ajout d'A1F3 pur et est typiquement exprimé en kg d'A1F3 pur par période (kg/përiode). L'expression « ajout d'une quantité
effective d'A1F3 » correspond à un ajout d'A1F3 pur. Dans la pratique industrielle, les ajouts d'A1F3 sont généralement effectués à partir d'A1F3 dit industriel ayant une pureté
inférieure à 100 % (typiquement 90 %). Dans ce cas, on ajoute une quantité
d'AIF3 industriel suffisante pour obtenir la quantité effective d'A1F3 souhaitée.
Typiquement, on ajoute une quantité d'A1F3 industriel égale à la quantité
effective d'AIF3 souhaitée divisée par Ia pureté de l'A1F3 industriel utilisé.
atteindre des rendements Faraday supérieurs à 95 % en fonctionnant avec des excès d'A1F3 supérieur à 11 %, et pouvant atteindre 13 à 14 %, ce qui permet de diminuer la température de fonctionnement des cellules (la température du liquidus chute en effet de 5°C / %A1F3 environ) et, par conséquent, de réduire la consommation énergétique de celles-ci. Or, dans cette zone de composition chimique, la solubilité de l'alumine est fortement rëduite, ce qui accroît considérablement les risques d'effets d'anode et de dépôts isolants sur la cathode.
D'autre part, dans le but d'augmenter la production des usines, on cherche à
accroître la capacité unitaire des cellules et, corrélativement, à augmenter l'intensité
du courant d'électrolyse. La tendance actuelle est au développement de cellules d'électrolyse ayant une intensité qui atteint ou dépasse 500 kA. L'augmentation de la capacité des cellules d'électrolyse peut être obtenue, en général, soit par une augmentation de l'intensité admissible de cellules de type connu ou de cellules existantes, soit par le développement de cellules de très grande taille. Dans le premier cas, l'augmentation de l'intensité admissible conduit à la diminution de la masse de bain d'électrolyte, ce qui exacerbe l'effet des instabilités. Dans le second cas, l'augmentation de la taille des cellules accroît leur inertie thermique et chimique. Par conséquent, l'augmentation de Ia capacité des cellules accroît non seulement la rapidité
de consommation de l'alumine mais amplifie également les phénomènes générateurs d'instabilités et de dérive des cellules, ce qui accentue davantage les difficultés de pilotage des cellules d'électrolyse.
La demanderesse a donc recherché un procédë de régulation d'une cellule d'électrolyse, notamment de l'acidité du bain d'électrolyte (c'est-à-dire de sa teneur en A1F3) et de la thermique globale de la cellule, qui permette de piloter, de manière stable et avec un rendement Faraday supérieur à 93 %, voire supérieure à 95 %, sans avoir recours à des mesures fréquentes de la teneur en A1F3, des cellules d'électrolyse dont (excès d'A1F3 est supérieur à 11 % et dont l'intensité peut atteindre ou dépasser 500 kA.
S
Description de l'invention L'invention a pour objet un procédé de régulation d'une cellule d'électrolyse destinée à Ia production d'aluminium par électrolyse ignée, c'est-à-dire par passage de courant dans un bain d'électrolyte à base de cryolite fondue et contenant de l'alumine dissoute, notamment selon le procédé Hall-Héroult.
Le procédé de régulation selon l'invention comprend l'ajout, dans le bain d'électrolyte d'une cellule d'électrolyse, durant des intervalles de temps p prédéterminês appelés « périodes de régulation », d'une quantité déterminée Q(p) de trifluorure d'aluminium (AIF3) déterminée par Ia relation suivante Q(p) ~ Qint(p) - Qc 1 (p) + Qt(p), où
Qint(p) est un terme intégral (ou « auto-adaptatif ») qui représente les besoins réels totaux de Ia cellule en A1F3 et qui est calculé à partir d'une détermination Qm(p) des apports réels en AIF3 effectués durant Ia dernière période ou Ies N derniéres périodes, Qcl est un terme compensateur correspondant à la quantité dite « équivalente »
d'AIF3 contenue dans l'alumine ajoutée à la cellule durant la période p, ladite quantité pouvant être positive ou négative, Qt(p) est un terme correctif qui est une fonction déterminëe (qui est typiquement croissaxlte) de l'écart entre la température du bain mesurëe T(p) et une température de consigne To.
Le terme Qint(p) tient compte des pertes du bain en A1F3 qui interviennent au cours d'un fonctionnement normal de Ia cellule et qui proviennent pour l'essentiel de l'absorption par le creuset de la cuve et des dégagements dans les effluents gazeux.
Ce terme, dont la valeur moyenne est non nulle, permet notamment de suivre le vieillissement de la cuve, sans avoir à la modéliser, grâce à un effet de mémoire du comportement de la cuve dans le temps. II tient compte également du vieillissement particulier de chaque cuve, que la demanderesse a trouvé être en général sensiblement différent du vieillissement moyen de la population des cuves du même type.
Le terme Qm(p) tient compte des apports équivalents totaux en A1F3, c'est-à-dire des apports « directs » provenant des ajouts d'A1F3 et des apports « indirects »
provenant des ajouts d'alumine.
Dans une variante préférée de l'invention, la formule de calcul de la quantité
Q(p) comporte un terme supplémentaire Qc2(p), c'est-à-dire que Q(p) = Qint(p) -Qcl(p) + Qt(p) + Qc2(p), où Qc2(p) est un terme correctif qui est une fonction déterminée (qui est typiquement décroissante) de l'écart entre Qm(p) et Qint(p).
Le terme Qc2 est un terme de correction a priori qui permet de tenir compte par anticipation de l'effet d'un ajout d'A1F3, lequel effet n'apparaît normalement qu'après quelques jours. En effet, la demanderesse a constaté l'importance surprenante de la différence entre la constante de temps de (évolution de la température, qui est faible (de l'ordre de quelques heures), et celle de la teneur en AlF3, qui est très grande (de l'ordre de quelques dizaines d'heures). Dans ses essais, elle a trouvé qu'il était très avantageux d'anticiper sur l'évolution de (acidité de la cuve lors d'un ajout d'A1F3, ce que permet de faire efficacement le terme Qc2.
Les termes Qt(p) et Qc2(p) sont des termes dont Ia valeur moyenne dans le temps tend normalement vers zéro (c'est-à-dire qu'ils sont nornlalement nuls en moyenne).
La demanderesse a par ailleurs constaté dans ses essais que (effet combiné des termes de base, à savoir Qt, Qint, Qcl et, avantageusement, Qc2, permettait d'assurer une régulation fiable, c'est-à-dire avec une grande stabilité, de la teneur en A1F3 des cellules d'électrolyse, sur une période de plusieurs mois, même sans tenir compte de teneurs mesurées en AIF3, lesquelles mesures grèvent les coûts de fonctionnement des cellules et sont, de toute manière, aisëment entachées d'erreurs significatives.
Figures La figure 1 représente, en coupe transversale, une cellule d'électrolyse typique.
La figure 2 illustre le principe des séquences de régulation de l'invention.
La figure 3 montre des évolutions des besoins totaux en AlF3 d'une cellule d'électrolyse.
Les figures 4 et 5 montrent des fonctions typiques utilisëes pour déterminer Ies termes de Qt et Qc2.
La figure 6 illustre une méthode de dëtermination de la variation de résistance électrique spécifique de la cellule d'électrolyse.
La figure 7 illustre de manière schématique la forme des lignes de courant passant dans le bain d'électrolyte entre une anode et la nappe de métal liquide.
La figure 8 illustre une méthode de détermination de la superficie de la nappe de métal liquide.
Tel qu'illustré à la figure 1, une cellule d'électrolyse (1) pour la production d'aluminium par le procédé d'électrolyse comprend typiquement une cuve (20), des anodes (7) supportés par les moyens de fixation (8, 9) à un cadre anodique (10) et des moyens d'alimentation en alumine (11). La cuve (20) comprend un caisson (2) en acier, des éléments de revêtement intérieur (3, 4) et un ensemble cathodique (5, 6).
Les éléments de revêtement intérieur (3, 4) sont généralement des blocs en matériaux réfractaires, qui peuvent être des isolants thermiques. L'ensemble cathodique (5, 6) comprend des barres de raccordement (6) auxquelles sont fixés les conducteurs électriques servant à l'acheminement du courant d'électrolyse.
Les éléments de revêtement (3, 4) et l'ensemble cathodique (5, 6) forment, à
l'intérieur de la cuve (20), un creuset apte à contenir le bain d'électrolyte (13) et une nappe de métal liquide (12) lorsque la cellule est en fonctionnement, au cours duquel les anodes (7) sont partiellement inunergées dans le bain d'électrolyte (13).
Le bain d'électrolyte contient de l'alumine dissoute et, en général, une couverture d'alumine (14) recouvre le bain d'électrolyte.
Le courant d'électrolyse transite dans le bain d'électrolyte (13) par l'intermédiaire du cadre anodique (10), des moyens de fixation (8, 9), des anodes (7) et des éléments cathodiques (5, 6). L'alimentation en alumine de la cellule a pour but de compenser la consommation sensiblement continue de la cellule qui provient essentiellement de la réduction de l'alumine en aluminium métal. L'alimentation en alumine, qui se fait par ajouts d'alumine dans le bain liquide (13) (typiquement à l'aide d'un piqueur-doseur (11)), est en général régulëe indépendamment.
L'aluminium métal (12) qui est produit au cours de l'électrolyse s'accumule au fond de la cellule et il s'établit une interface assez nette entre le métal liquide (6) et le bain de cryolithe fondue (13). La position de cette interface bain-métal varie au cours du temps : elle s'élève au fur et à mesure que le métal liquide s'accumule .au fond de la cellule et elle s'abaisse lorsque du métal liquide est extrait de la cellule.
En règle générale, on cherche à former un talus (15) de cryolithe solidifiée sur la partie des parois latérales (3) du creuset qui sont en contact avec le bain d'électrolyte (7) et avec la nappe de métal liquide (12).
Plusieurs cellules d'électrolyse sont généralement disposées en ligne, dans des bâtiments appelés halls d'électrolyse, et raccordées électriquement en série à
l'aide de conducteurs de liaison. Les cellules sont typiquement disposées de manière à
former deux ou plusieurs files parallèles. Le courant d'électrolyse passe ainsi en cascade d'une cellule à la suivante.
Description détaillée de l'invention Selon l'invention, le procédé de régulation d'une cellule d'électrolyse pour la production d'aluminium (1) par réduction électrolytique de l'alumine dissoute dans un bain d'électrolyte (13) à base de cryolithe, ladite cellule (1) comprenant une cuve (20), des anodes (7) et des éléments cathodiques (5, 6) aptes à faire circuler un courant dit d'électrolyse dans ledit bain, l'aluminium produit par ladite réduction formant une nappe dite « nappe de métal liquide » (12) sur lesdits éléments cathodiques (5, 6), ledit procédé comprenant l'alimentation de ladite cellule en alumine par ajout d'alumine dans ledit bain et étant caractérisé en ce qu'il comprend - l'implantation d'une séquence de régulation comprenant une série d'intervalles de temps p de durée Lp appelés « périodes de régulation » ou simplement «
périodes »
par la suite ;
- la détermination d'une température moyenne T(p) du bain d'électrôlyte, à
partir d'au moins une mesure de la température dudit bain effectuée durant la dernière période ou au moins une des Nt dernières périodes ;
- la détermination d'une quantité Qc 1 (p) dite « équivalente » d'A1F3 contenue dans l'alumine ajoutée à la cellule durant la période p ;
- la détermination d'une valeur Qm(p) des apports équivalents totaux d'A1F3 par période durant la dernière période ou durant les N dernières périodes ;
- la détermination d'une quantité Q(p) de trifluorure d'aluminium (A1F3) à
ajouter durant la période p, dite « quantité déterminée Q(p) », à l'aide de la formule Q(p) = Qint(p) - Qcl(p) + Qt(p), oü
Qint(p) = a x Qm(p) + ( 1 - a) x Qint(p -1 ), a est un coefficient de lissage fixant (horizon temporel du lissage du terme intégral Qint(p), Qt(p) est une fonction dëterminée, de préférence croissante, de l'écart entre ladite température T(p) et une température de consigne To, - l'ajout dans ledit bain d'électrolyte, durant la période p, d'une quantité
effective de trifluorure d'aluminium (A1F3) égale à ladite quantité déterminée Q(p).
Le terme Q(p) correspond à un ajout d'A1F3 pur et est typiquement exprimé en kg d'A1F3 pur par période (kg/përiode). L'expression « ajout d'une quantité
effective d'A1F3 » correspond à un ajout d'A1F3 pur. Dans la pratique industrielle, les ajouts d'A1F3 sont généralement effectués à partir d'A1F3 dit industriel ayant une pureté
inférieure à 100 % (typiquement 90 %). Dans ce cas, on ajoute une quantité
d'AIF3 industriel suffisante pour obtenir la quantité effective d'A1F3 souhaitée.
Typiquement, on ajoute une quantité d'A1F3 industriel égale à la quantité
effective d'AIF3 souhaitée divisée par Ia pureté de l'A1F3 industriel utilisé.
5 L'expression « ajouts totaux d'A1F3 » désigne la somme des ajouts effectifs d'A1F3 pur et des ajouts d'AIF3 « équivalents » provenant de l'alumine.
L'AIF3 peut être ajouté de différentes manières. Il peut être ajouté
manuellement ou 10 mécaniquement (de préférence à l'aide d'une alimentation ponctuelle telle qu'un piqueur-doseur qui permet d'ajouter des doses déterminées d'A1F3, éventuellement de manière automatisée). L'A1F3 peut éventuellement êtré ajouté avec l'alumine ou en même temps que l'alumine.
Les différents termes de Q sont déterminés de préférence à chaque période p.
Lorsque la cellule est très stable, il peut être suffisant de déterminer la quantité Q(p), ainsi que certaines des termes qui la constituent, de manière plus espacée dans le temps, pax exemple une fois toutes les deux ou trois périodes.
La quantité Q(p) est normalement déterminée à chaque période. Si un ou plusieurs termes de Q(p) ne peuvent être calculés durant une période donné, alors on pourra maintenir Ia valeur de ce ou ces termes utilisée durant la période précédente, c'est-à-dire que la valeur du ou de ces termes sera déterminëe en Ia posant égale à la valeur utilisée durant la période précédente. Si un ou plusieurs termes ne peuvent être calculés durant plusieurs périodes, alors on pourra retenir la valeur de ce ou ces termes utilisée durant la période précédente pour laquelle elle aura pu être calculée et maintenir cette valeur durant un nombre limité Ns de périodes (Ns étant typiquement ëgal à 2 ou 3). Dans ce dernier cas, si ce ou ces termes ne peuvent toujours pas être calculés après les Ns périodes, alors on pourra retenir la valeur forfaire prédéterminée, dite « valeur refuge ». Ces différentes situations peuvent survenir, par exemple, lorsque la température moyenne de la cuve ne peut pas être déterminée ou
L'AIF3 peut être ajouté de différentes manières. Il peut être ajouté
manuellement ou 10 mécaniquement (de préférence à l'aide d'une alimentation ponctuelle telle qu'un piqueur-doseur qui permet d'ajouter des doses déterminées d'A1F3, éventuellement de manière automatisée). L'A1F3 peut éventuellement êtré ajouté avec l'alumine ou en même temps que l'alumine.
Les différents termes de Q sont déterminés de préférence à chaque période p.
Lorsque la cellule est très stable, il peut être suffisant de déterminer la quantité Q(p), ainsi que certaines des termes qui la constituent, de manière plus espacée dans le temps, pax exemple une fois toutes les deux ou trois périodes.
La quantité Q(p) est normalement déterminée à chaque période. Si un ou plusieurs termes de Q(p) ne peuvent être calculés durant une période donné, alors on pourra maintenir Ia valeur de ce ou ces termes utilisée durant la période précédente, c'est-à-dire que la valeur du ou de ces termes sera déterminëe en Ia posant égale à la valeur utilisée durant la période précédente. Si un ou plusieurs termes ne peuvent être calculés durant plusieurs périodes, alors on pourra retenir la valeur de ce ou ces termes utilisée durant la période précédente pour laquelle elle aura pu être calculée et maintenir cette valeur durant un nombre limité Ns de périodes (Ns étant typiquement ëgal à 2 ou 3). Dans ce dernier cas, si ce ou ces termes ne peuvent toujours pas être calculés après les Ns périodes, alors on pourra retenir la valeur forfaire prédéterminée, dite « valeur refuge ». Ces différentes situations peuvent survenir, par exemple, lorsque la température moyenne de la cuve ne peut pas être déterminée ou
6 PCT/FR02/00705 lorsque la quantité équivalente d'A1F3 contenue dans l'alumine n'a pu être déterminée.
Les intervalles (ou « périodes ») p sont de préférence de durée Lp sensiblement égale, c'est-à-dire que Ia durée Lp des périodes est sensiblement la même pour toutes les périodes, ce qui facilite la mise en oeuvre de l'invention. Ladite durée Lp est généralement comprise entre 1 et 100 heures.
Comme le montre la figure 2, les ajouts d'A1F3 peuvent être effectués à tout moment lors desdites périodes (ou séquences) de régulation, qui peuvent correspondre aux postes de travail qui rythment les changements des équipes de travail chargées du pilotage et de l'entretien des cellules. La quantité Q(p) d'A1F3 déterminée pour une période p peut être ajoutée en une ou plusieurs fois au cours de cette période de travail. De préférence, la quantité Q(p) est ajoutée de manière quasi-continue à l'aide de piqueurs-doseurs qui permettent d'ajouter des doses prédéterminëes d'A1F3 fout au long de la période p.
Dans une variante préférée de l'invention, le terme Qm(p) est calculé à l'aide de la relation Qm(p) _ <Q(p)> + <Qc 1 (p)>, où
<Q(p)> = Q(p -1 ) et <Qc 1 (p)> = Qc 1 (p -1 ) lorsque le terme Qm(p) est déterminé à
partir des apports équivalents totaux d'A1F3 durant la dernière période, c'est-à-dire p- 1 ;
<Q(p)> _ (Q(p - N) + Q(p - N + 1) +... + Q(p - 1)) l N, et <Qcl(p)> _ (Qcl(p -N) + Qc 1 (p - N + 1 ) + ... + Qc 1 (p -1 )) / N, lorsque Ie terme Qm(p) est 'déterminé à
partir des apports équivalents totaux d'A1F3 durant les N dernières périodes, c'est-à-direp-l,p-2,...,N.
Dans le dernier cas, le terme Qm(p) est donc égal à (Q(p - 2) + Qcl(p - 2) +
Q(p -1)+Qcl(p- 1))/2lorsqueN=2; à(Q(p-3)+Qcl(p-3)+Q(p-2)+Qcl(p-2) + Q(p - 1) + Qcl(p -1)) / 3 lorsque N = 3, ...
La valeur du paramètre N est choisie en fonction du temps de réaction de la cellule et est normalement comprise entre 2 et 100, et plus typiquement comprise entre 2 et 20.
Afin de faire converger rapidement le terme intégral Qint(p) vers la quantité
Q' correspondant aux besoins réels de la cellule, on peut démarrer le procédé en posant simplement Qint(0) = Qtheo, où Qtheo correspond aux besoins théoriques totaux en A1F3 de la cellule au moment où on lance la régulation. Qtheo est une fonction de l'âge de la cuve qui peut être déterminée de manière statistique pour chaque type de cuve.
Cette variante peut être mise en oeuvre en incluant dans le procédé de l'invention - la détermination d'une quantité Qtheo correspondant aux besoins théoriques totaux en A1F3 de la cellule au moment où on lance la régulation ;
- le démarrage du procédé en posant Qint(0) = Qtheo.
Le coefficient de lissage a, qui permet de s'affranchir des fluctuations thermiques et chimiques à moyen et long termes, est égal à Lp / Pc, où Pc est une période qui est typiquement de l'ordre de 400 à 8000 heures, et plus typiquement de 600 à 4500 heures, et Lp est Ia durée d'une përiode. Le terme 1/a est donc typiquement égal à 50 à 1000 périodes de 8 heures dans le cas ou ce mode d'organisation du travail est appliqué.
Le terme Qc 1 (p) est déterminé en faisant le bilan chimique du fluor et du sodium contenus ladite alumine à partir d'une ou plusieurs analyses chimiques. Le sodium contenu dans l'alumine a pour effet de neutraliser le fluor, équivalant alors à une quantité négative d'A1F3. Le terme Qcl(p) est positif si ladite alumine est «
fluorée »
(ce qui est Ie cas lorsqu'elle a été utilisée pour filtrer les effluents de cellules d'électrolyse) et négatif si l'alumine est « fraîche », c'est-à-dire si elle provient directement du procédé Bayer.
Le terme de régulation Qt(p) est donné par une fonction déterminée (t~piquement croissante et de préférence bornée, c'est-à-dire qu'elle est limitée par une valeur maximum et par une valeur minimum) de (écart entre la température du bain mesurée T(p) et une température de consigne To. La figure 4 montre une fonction typique utilisée pour déterminer le terme Qt.
Cette variante peut être mise en oeuvre en incluant dans le procédé de l'invention - la détermination d'une température moyenne T(p) du bain d'électrolyte ;
- la détermination du terme Qt(p) en utilisant une fonction déterminée (qui est typiquement croissante et de préférence bornée) de l'écart entre ladite température T(p) et une température de consigne To.
Dans une variante simplifiée de l'invention, le terme Qt(p) peut suivre une relation simple, telle que Qt(p) = Kt x (T(p) - To), où Kt est une constante qui est typiquement positive et qui peut être fixée de manière empirique et dont la valeur est typiquement comprise entre 0,01 à 1 kg/heure/°C, et plus typiquement entre 0,1 et 0,3 kg/heure/°C (correspondant, dans ce dernier cas, à environ 1 à 2 kg/période/°C
pour des périodes d'une durée de 8 heures) pour des cuves de 300 kA à 500 kA.
Le terme Qt(p) est de préférence borné par une valeur minimale et par une valeur maximale.
La température moyenne T(p) est normalement déterminée à partir des mesures de température effectuées sur Ia période p et sur Ies périodes précédentes p - l, etc., de façon à obtenir une valeur fiable et significative de l'état moyen de la cuve.
Le terme Qc2(p) est donné par une fonction déterminée (qui est typiquement décroissante et de préférence bornée) de l'écart Qm(p) - Qint(p). Ce terme d'amortissement tient compte du retard de rëaction de la cellule aux ajouts d'A1F3.
La figure 5 montre une fonction typique utilisée pour déterminer le terme Qc2.
Dans une variante simplifiée de l'invention, le terme Qc2(p) peut suivre une relation simple, telle que Qc2(p) = Ko2 x (Qm(p) - Qint(p)), où Ko2 est une constante qui est typiquement négative, et qui peut être fixée de manière empirique et dont la valeur est typiquement comprise entre - 0,1 et - l, et qui est plus typiquement comprise enhe - 0,5 et - 1 pour des cuves de 300 kA à 500 kA.
Le terme Qc2(p) est de préfërence borné par une valeur minimale et par une valeur maximale.
Dans une variante avantageuse du procédé selon l'invention, la quantité Q(p) comprend un terme de régulation supplémentaire, Qr(p), qui est sensible à
l'épaisseur (et, dans une moindre mesure, à Ia forme) du talus de bain solidifié (15) formé sur les parois (3) de la cellule (1) par l'intermédiaire de l'épanouissement r1 des lignes de courant dans le bain d'électrolyte.
Ce terme peut être utilisé en particulier lorsque la cellule d'électrolyse comprend un cadre anodique (10) mobile auquel sont fixées les anodes (7) de la cellule et des moyens (non représentés) pour déplacer ledit cadre anodique (10). Comme le montre la figure 6, ladite résistance est typiquement mesurée à l'aide de moyens (18) pour mesurer l'intensité Io du courant circulant dans la cellule (où Io est égal à
la somme des courants cathodiques Ic ou anodiques Ia) et de moyens (16, 17) pour mesurer la chute de tension U qui en résulte aux bornes de la cellule (et plus précisément la chute de tension qui en résulte entre le cadre anodique et les éléments cathodiques de la cellule). Ladite résistance est généralement calculée à l'aide de la relation : R = (U
- Uo) / Io, où Uo est une constante typiquement comprise entre 1,6 et 2,0 V.
Le terme Qr(p) est donné par une fonction déterminée (qui est typiquement décroissante et de préférence bornée) d'une quantité dite « variation de résistance spécifique » SRS qui est égale à 0R / OH, où ~R est la variation de la résistance R
aux bornes de la cellule d'électrolyse mesurée lorsque le cadre anodique (10) est déplacé d'une distance déterminée 0H, soit vers le haut (~H positif), soit vers le bas (~H négatif). En pratique, il a été trouvé plus simple de donner un ordre de déplacement du cadre anodique (10) pendant un temps déterminé et de mesurer le déplacement du cadre 4H qui en résulte. Le terme Qr(p) est avantageusement fonction de la différence entre ORS et une valeur de référence ~RSo.
Selon cette variante de l'invention, le procédé comprend avantageusement - le déplacement du cadre anodique (10) d'une distance déterminée ~H, soit vers le haut (~H étant alors positif), soit vers le bas (0H étant alors négatif) ;
- la mesure de la variation ~R de la résistance R résultant dudit dëplacement ;
' - le calcul d'une variation de la résistance spécifique SRS en utilisant la formule ORS=~R/~H;
- la détermination d'un terme Qr(p) en utilisant une fonction déterminée (qui est typiquement décroissante) de la variation de la résistance spécifique ORS ;
- l'ajout du terme Qr(p) dans la détermination de la quantité Q(p).
La résistance R dépend non seulement de la rësistivité p du bain d'électrolyte (13), de la distance H entre la ou les anodes (7) et la nappe (12) de métal liquide, et de la surface Sa de la ou des anodes (7), mais aussi de l'épanouissement r~ des lignes de courants (Jc, Js) qui s'établissent dans ledit bain, notamment entre la ou les anodes
Les intervalles (ou « périodes ») p sont de préférence de durée Lp sensiblement égale, c'est-à-dire que Ia durée Lp des périodes est sensiblement la même pour toutes les périodes, ce qui facilite la mise en oeuvre de l'invention. Ladite durée Lp est généralement comprise entre 1 et 100 heures.
Comme le montre la figure 2, les ajouts d'A1F3 peuvent être effectués à tout moment lors desdites périodes (ou séquences) de régulation, qui peuvent correspondre aux postes de travail qui rythment les changements des équipes de travail chargées du pilotage et de l'entretien des cellules. La quantité Q(p) d'A1F3 déterminée pour une période p peut être ajoutée en une ou plusieurs fois au cours de cette période de travail. De préférence, la quantité Q(p) est ajoutée de manière quasi-continue à l'aide de piqueurs-doseurs qui permettent d'ajouter des doses prédéterminëes d'A1F3 fout au long de la période p.
Dans une variante préférée de l'invention, le terme Qm(p) est calculé à l'aide de la relation Qm(p) _ <Q(p)> + <Qc 1 (p)>, où
<Q(p)> = Q(p -1 ) et <Qc 1 (p)> = Qc 1 (p -1 ) lorsque le terme Qm(p) est déterminé à
partir des apports équivalents totaux d'A1F3 durant la dernière période, c'est-à-dire p- 1 ;
<Q(p)> _ (Q(p - N) + Q(p - N + 1) +... + Q(p - 1)) l N, et <Qcl(p)> _ (Qcl(p -N) + Qc 1 (p - N + 1 ) + ... + Qc 1 (p -1 )) / N, lorsque Ie terme Qm(p) est 'déterminé à
partir des apports équivalents totaux d'A1F3 durant les N dernières périodes, c'est-à-direp-l,p-2,...,N.
Dans le dernier cas, le terme Qm(p) est donc égal à (Q(p - 2) + Qcl(p - 2) +
Q(p -1)+Qcl(p- 1))/2lorsqueN=2; à(Q(p-3)+Qcl(p-3)+Q(p-2)+Qcl(p-2) + Q(p - 1) + Qcl(p -1)) / 3 lorsque N = 3, ...
La valeur du paramètre N est choisie en fonction du temps de réaction de la cellule et est normalement comprise entre 2 et 100, et plus typiquement comprise entre 2 et 20.
Afin de faire converger rapidement le terme intégral Qint(p) vers la quantité
Q' correspondant aux besoins réels de la cellule, on peut démarrer le procédé en posant simplement Qint(0) = Qtheo, où Qtheo correspond aux besoins théoriques totaux en A1F3 de la cellule au moment où on lance la régulation. Qtheo est une fonction de l'âge de la cuve qui peut être déterminée de manière statistique pour chaque type de cuve.
Cette variante peut être mise en oeuvre en incluant dans le procédé de l'invention - la détermination d'une quantité Qtheo correspondant aux besoins théoriques totaux en A1F3 de la cellule au moment où on lance la régulation ;
- le démarrage du procédé en posant Qint(0) = Qtheo.
Le coefficient de lissage a, qui permet de s'affranchir des fluctuations thermiques et chimiques à moyen et long termes, est égal à Lp / Pc, où Pc est une période qui est typiquement de l'ordre de 400 à 8000 heures, et plus typiquement de 600 à 4500 heures, et Lp est Ia durée d'une përiode. Le terme 1/a est donc typiquement égal à 50 à 1000 périodes de 8 heures dans le cas ou ce mode d'organisation du travail est appliqué.
Le terme Qc 1 (p) est déterminé en faisant le bilan chimique du fluor et du sodium contenus ladite alumine à partir d'une ou plusieurs analyses chimiques. Le sodium contenu dans l'alumine a pour effet de neutraliser le fluor, équivalant alors à une quantité négative d'A1F3. Le terme Qcl(p) est positif si ladite alumine est «
fluorée »
(ce qui est Ie cas lorsqu'elle a été utilisée pour filtrer les effluents de cellules d'électrolyse) et négatif si l'alumine est « fraîche », c'est-à-dire si elle provient directement du procédé Bayer.
Le terme de régulation Qt(p) est donné par une fonction déterminée (t~piquement croissante et de préférence bornée, c'est-à-dire qu'elle est limitée par une valeur maximum et par une valeur minimum) de (écart entre la température du bain mesurée T(p) et une température de consigne To. La figure 4 montre une fonction typique utilisée pour déterminer le terme Qt.
Cette variante peut être mise en oeuvre en incluant dans le procédé de l'invention - la détermination d'une température moyenne T(p) du bain d'électrolyte ;
- la détermination du terme Qt(p) en utilisant une fonction déterminée (qui est typiquement croissante et de préférence bornée) de l'écart entre ladite température T(p) et une température de consigne To.
Dans une variante simplifiée de l'invention, le terme Qt(p) peut suivre une relation simple, telle que Qt(p) = Kt x (T(p) - To), où Kt est une constante qui est typiquement positive et qui peut être fixée de manière empirique et dont la valeur est typiquement comprise entre 0,01 à 1 kg/heure/°C, et plus typiquement entre 0,1 et 0,3 kg/heure/°C (correspondant, dans ce dernier cas, à environ 1 à 2 kg/période/°C
pour des périodes d'une durée de 8 heures) pour des cuves de 300 kA à 500 kA.
Le terme Qt(p) est de préférence borné par une valeur minimale et par une valeur maximale.
La température moyenne T(p) est normalement déterminée à partir des mesures de température effectuées sur Ia période p et sur Ies périodes précédentes p - l, etc., de façon à obtenir une valeur fiable et significative de l'état moyen de la cuve.
Le terme Qc2(p) est donné par une fonction déterminée (qui est typiquement décroissante et de préférence bornée) de l'écart Qm(p) - Qint(p). Ce terme d'amortissement tient compte du retard de rëaction de la cellule aux ajouts d'A1F3.
La figure 5 montre une fonction typique utilisée pour déterminer le terme Qc2.
Dans une variante simplifiée de l'invention, le terme Qc2(p) peut suivre une relation simple, telle que Qc2(p) = Ko2 x (Qm(p) - Qint(p)), où Ko2 est une constante qui est typiquement négative, et qui peut être fixée de manière empirique et dont la valeur est typiquement comprise entre - 0,1 et - l, et qui est plus typiquement comprise enhe - 0,5 et - 1 pour des cuves de 300 kA à 500 kA.
Le terme Qc2(p) est de préfërence borné par une valeur minimale et par une valeur maximale.
Dans une variante avantageuse du procédé selon l'invention, la quantité Q(p) comprend un terme de régulation supplémentaire, Qr(p), qui est sensible à
l'épaisseur (et, dans une moindre mesure, à Ia forme) du talus de bain solidifié (15) formé sur les parois (3) de la cellule (1) par l'intermédiaire de l'épanouissement r1 des lignes de courant dans le bain d'électrolyte.
Ce terme peut être utilisé en particulier lorsque la cellule d'électrolyse comprend un cadre anodique (10) mobile auquel sont fixées les anodes (7) de la cellule et des moyens (non représentés) pour déplacer ledit cadre anodique (10). Comme le montre la figure 6, ladite résistance est typiquement mesurée à l'aide de moyens (18) pour mesurer l'intensité Io du courant circulant dans la cellule (où Io est égal à
la somme des courants cathodiques Ic ou anodiques Ia) et de moyens (16, 17) pour mesurer la chute de tension U qui en résulte aux bornes de la cellule (et plus précisément la chute de tension qui en résulte entre le cadre anodique et les éléments cathodiques de la cellule). Ladite résistance est généralement calculée à l'aide de la relation : R = (U
- Uo) / Io, où Uo est une constante typiquement comprise entre 1,6 et 2,0 V.
Le terme Qr(p) est donné par une fonction déterminée (qui est typiquement décroissante et de préférence bornée) d'une quantité dite « variation de résistance spécifique » SRS qui est égale à 0R / OH, où ~R est la variation de la résistance R
aux bornes de la cellule d'électrolyse mesurée lorsque le cadre anodique (10) est déplacé d'une distance déterminée 0H, soit vers le haut (~H positif), soit vers le bas (~H négatif). En pratique, il a été trouvé plus simple de donner un ordre de déplacement du cadre anodique (10) pendant un temps déterminé et de mesurer le déplacement du cadre 4H qui en résulte. Le terme Qr(p) est avantageusement fonction de la différence entre ORS et une valeur de référence ~RSo.
Selon cette variante de l'invention, le procédé comprend avantageusement - le déplacement du cadre anodique (10) d'une distance déterminée ~H, soit vers le haut (~H étant alors positif), soit vers le bas (0H étant alors négatif) ;
- la mesure de la variation ~R de la résistance R résultant dudit dëplacement ;
' - le calcul d'une variation de la résistance spécifique SRS en utilisant la formule ORS=~R/~H;
- la détermination d'un terme Qr(p) en utilisant une fonction déterminée (qui est typiquement décroissante) de la variation de la résistance spécifique ORS ;
- l'ajout du terme Qr(p) dans la détermination de la quantité Q(p).
La résistance R dépend non seulement de la rësistivité p du bain d'électrolyte (13), de la distance H entre la ou les anodes (7) et la nappe (12) de métal liquide, et de la surface Sa de la ou des anodes (7), mais aussi de l'épanouissement r~ des lignes de courants (Jc, Js) qui s'établissent dans ledit bain, notamment entre la ou les anodes
(7) et le talus (15) de bain solidifié (lignes Jc de la figure 7). La demanderesse a eu l'idée d'exploiter le fait que la variation de la résistance électrique spécifique ORS
n'est pas sensible uniquement à la résistivité du bain d'électrolyte, mais intègre un facteur d'épanouissement du courant électrique qui est sensible à la présence, à la taille et, dans une moindre mesure, à la forme du talus de bain solidifié (15) sur les parois de la cuve (20).
La demanderesse a en outre constaté que, contrairement à ce qui est normalement admis, l'épanouissement r~ est en fait un facteur prépondérant dans l'établissement de la résistance électrique. La demanderesse estime que la contribution de l'épanouissement à la variation de la résistance électrique spécifique se situe typiquement entre 75 et 90 %, ce qui signifie que la contribution de la résistivité est trës faible, soit typiquement entre 10 et 25 % (soit typiquement 15 %). Dans ses essais sur des cuves de 500 kA, la demanderesse a observé une valeur moyenne de SRS de l'ordre de 100 nS2/mm, qui diminue d'environ - 3 nS2/mm lorsque la température du bain augmente de 5 °C et lorsque la teneur en A1F3 diminue de 1 %, et inversement. La contribution de la résistivité à cette variation est estimée être de l'ordxe de - 0,5 nS2/mm seulement (soit environ 15 % seulement de la valeur totale), la contribution attribuable à l'épanouissement, à savoir - 2,5 nS~/mm étant alors dominante.
Il est possible de tenir compte de l'épanouissement du courant dans la résistance mesurée (par exemple par modélisation des lignes de courant), ce qui améliore de maniëre sensible la fiabilité du terme correctif Qr(p) en tant qu'indicateur de l'état thermique de la cellule.
Dans une variante simplifiée de l'invention, le terme Qr(p) peut être donné
par une relation simple telle que : Qr(p) = Kr x (ORS - ~RSo), où Kr est une constante, qui peut être fixée de maniëre empirique et dont la valeur est typiquement comprise entre - 0,01 et - 10 kg/heure/nS2/mm, et est plus typiquement comprise entre - 0,05 et - 0,3 kg/heure/nS2/mm (correspondant, dans ce dernier cas, à environ - 0,5 à -kg/période/nS2lmm pour des périodes d'une durée de 8 heures) pour des cuves de kA à 500 kA.
Le terme Qr(p) est de préférence borné par une valeur minimale et par une valeur maximale.
En pratique, il est possible d'effectuer Nr mesures (c'est-à-dire deux ou plusieurs mesures) de DRS durant la période p. La valeur de SRS utilisée pour le calcul de Qr(p) sera alors la moyenne des Nr valeurs ORS mesurées, exception faite, éventuellement, des valeurs jugées aberrantes. Il est également possible d'utiliser une moyenne glissante sur deux ou plusieurs périodes poux lisser les fluctuations thermiques liées au cycle d'exploitation. Un cycle d'exploitation est déterminé par le cadencement des interventions sur la cellule d'électrolyse, notamment les changements d'anode et les prélèvements de métal liquide. La durée d'un cycle d'exploitation est généralement comprise entre 24 et 48 heures (par exemple 4 périodes de 8 heures).
Dans une autre variante avantageuse du procédé selon l'invention, la quantité
Q(p) comprend un terme de régulation supplémentaire, Qs(p), qui est donnë par une fonction déterminée (qui est typiquement croissante et de préférence bornée) de l'écart entre la superficie S(p) de la nappe de métal liquide (12) et une valeur de consigne So.
Selon cette variante de l'invention, le procédé comprend avantageusement - la détermination d'un terme Qs(p) ;
- l'ajout du terme Qs(p) dans la détermination de la quantité Q(p).
La superficie S(p), qui correspond sensiblement à l'interface métal/bain, est approximativement ëgale â la section droite horizontale de la cuve d'électrolyse. La présence de bain d'électrolyte solidifié sur les parois de la cuve diminue cette superficie d'une quantité qui varie en fonction du temps et des conditions de fonctionnement de la cuve.
Le terme Qs(p) est donné par une fonction déterminée (qui est typiquement croissante et de préférence bornée) de la différence S(p) - So. Dans une variante simplifiée de l'invention, le terme Qs(p) peut être donné par une relation simple telle que : Qs(p) = Ks x (S(p) - So), où Ks est une constante, qui peut être fixée de manière empirique et dont la valeur est typiquement comprise entre 0,0001 et 0,1 kg/heure/dm2, et est plus typiquement comprise entre 0,001 et 0,01 kg/heure/dm2 (correspondant, dans ce dernier cas, à environ 0,01 à 0,05 kg/période/dm2 pour des périodes d'une durée de 8 heures) pour des cuves de 300 kA à 500 kA.
Le terme Qs(p) est de préfërence borné par une valeur minimale et par une valeur maximale.
Dans le mode de réalisation préféré de cette vaxiante de l'invention, la superficie S(p) est calculée à partir d'une mesure du volume Vm de métal coulé et de (abaissement OHm du niveau métal Hm correspondant (voir la figure 8). Plus précisément, on mesure le volume Vm de métal liquide extrait de la cuve d'électrolyse (typiquement par une mesure de cette masse de métal) et le changement OHm du niveau du métal liquide qui en résulte, puis on calcule la superficie S(p) en utilisant la relation S(p) _ Vm/OHm. Dans la pratique, afin de maintenir constante la distance métal/anode, les anodes (9) sont normalement abaissées en même temps que le niveau du métal liquide.
La demanderesse a noté que les termes correctifs Qr(p) et Qs(p) selon la présente demande sont des indicateurs efficaces de (état thermique global de la cellule d'électrolyse, qui tiennent compte aussi bien du bain d'électrolyte liquide que du talus de bain solidifié sur les parois de la cuve. Ces termes, pris isolément ou en combinaison, permettent notamment de réduire de manière sensible le nombre d'analyses de la teneur en A1F3 du bain d'électrolyte liquide et complètent ainsi la correction apportée par le terme Qt(p). La demanderesse a pu observer que la fréquence des analyses de la teneur en A1F3 peut être réduite typiquement à
une analyse par cellule tous les 30 jours environ. Les termes Qr(p) et Qs(p) permettent de n'effectuer des analyses de la teneur en AIF3 que sur exception ou dans le but de caractériser une cellule ou une série de cellules de manière statistique.
Dans une autre variante avantageuse de l'invention, la quantité Q(p) comprend un terme correctif supplémentaire Qe(p) qui est fonction déterminée (qui est typiquement décroissante et de préférence bornée) de l'écart entre fexcés d'A1F3 mesuré E(p) et sa valeur visée Eo, c'est-à-dire de la différence E(p) - Eo.
Cette variante peut être mise en oeuvre en incluant dans le procédé de l'invention - la mesure de l'excès E(p) d'AIF3 ;
- la détermination d'un terme correctif supplémentaixe Qe(p) en utilisant une fonction déterminée (typiquement décroissante et de préférence bornée) de l'écart entre l'excès d'A1F3 mesuré E(p) et sa valeur visée Eo, c'est-à-dire de la différence E(p) -Eo ;
- la détermination de la quantité Q(p) en ajoutant le terme Qe(p) dans le calcul.
Dans une variante simplifiée de l'invention, le terme Qe(p) peut être donné
par une relation simple telle que : Qe(p) = Ke x (E(p) - Eo), où Ke est une constante, qui peut être fixée de manière empirique et dont la valeur est typiquement comprise entre - 0,05 et - 5 kg/heure/%A1F3, et est plus typiquement comprise entre - 0,5 et -kg/heure/%A1F3 (correspondant, dans ce dernier cas, à environ - 20 à - 5 kg/période/%A1F3 pour des périodes d'une durée de 8 heures) pour des cuves de kA à 500 kA.
Le terme Qe(p) est de préférence borné par une valeur minimale et par une valeur maximale.
La demanderesse a trouvé satisfaisant de n'appliquer le terme Qe(p) que de manière exceptionnelle, et pendant une courte durée, lorsque le fonctionnement thermique de la cellule sort de la plage de fonctionnement normal, c'est-à-dire lorsque les indicateurs (tels que la température, SRS, S, etc) sortent des fourchettes dites de sécurité.
La demanderesse a noté dans ses essais que le terme correctif Qe permeitait un retour rapide des indicateurs (température, SRS, S, etc) dans la plage de fonctionnement normal.
Selon encore une autre variante de l'invention, il est également possible d'ajouter des termes correctifs permettant de tenir compte d'événements ponctuels perturbateurs.
En particulier, la régulation peut comprendre un terme dit d'effet d'anode Qea pour tenir compte de l'impact d'un effet d'anode sur la thermique d'une cellule d'électrolyse. I1n effet d'anode provoque notamment des pertes significatives d'AlF3 par émission et, généralement, un réchauffement du bain d'électrolyte. Le terme Qea est appliqué pendant un temps limité suite à l'observation d'un effet d'anode.
Le terme Qea est calculé à l'aide soit d'un barème qui est fonction de l'énergie de l'effet ~'~S
5 Qea est donné par une fonction déterminée (qui est typiquement croissante et de préférence bornée) de l'énergie EEA. Le terme Qea(p) est de préférence borné
par une valeur minimale et par une valeur maximale.
Des ajouts de bain industriel et de cryolithe pure sont quelquefois effectués sur des 10 cellules industrielles. Ces ajouts ont un impact sur la composition du bain d'électrolyte dont il faut généralement tenir compte dans la régulation. Dans ce but, le procédé de régulation peut également comprendre un terme correctif Qb pour tenir compte de la modification de la teneur en A1F3 pur provoquée par ces ajouts.
15 Afin d'éviter les excès d'ajout d'A1F3, il est préférable, à titre de précaution, de limiter Q(p) à une valeur maximale Qmax. Il est également préférable de borner dans le temps l'application des termes de régulation lorsque ceux-ci ne peuvent être déterminés à chaque période.
20 La demanderesse a observé qu'il était suffisant de n'appliquer certains des termes de Q(p), tels que Qe(p), que de façon exceptionnelle et pour une durée limitëe, ce qui permet de limiter les coûts relatifs à leur détermination.
Le terme Q(p) peut être positif, nul ou négatif. Dans le dernier cas, on pose Q(p) = 0, c'est-à-dire qu'on n'ajoute pas d'A1F3 durant la période p. Lorsque le terme Q(p) est négatif, il est également possible de corriger la composition du bain d'électrolyte (13) par ajout de "soda", c'est-à-dire de soude calcinée ou carbonate de sodium, appelé
"soda ash" en anglais.
Exemples de mise en aeuvre de l'invention Les exemples suivants illustrent les calculs inhérents au procédé de régulation de l'invention. Ces calculs sont typiques de ceux effectués pour les cellules de 500 kA
mises à l'essai par la demanderesse. La durée des périodes est de 8 heures.
Exemple 1 Exemple illustrant l'utilisation des termes de base Qint, Qcl, Qc2 et Qt dans le cas d'une cuve d'âge moyen (28 mois).
La valeur de Qtheo à 28 mois est de + 31 kg/période. Les besoins moyens de la cellule Q' déterminés par le terme intégral Qint sont de + 39 kg/période.
L'analyse de l'alumine donne une valeur de 1,36 % de fluor et de 5250 ppm d'équivalent Na20. La consommation en alumine de la cellule durant une période de
n'est pas sensible uniquement à la résistivité du bain d'électrolyte, mais intègre un facteur d'épanouissement du courant électrique qui est sensible à la présence, à la taille et, dans une moindre mesure, à la forme du talus de bain solidifié (15) sur les parois de la cuve (20).
La demanderesse a en outre constaté que, contrairement à ce qui est normalement admis, l'épanouissement r~ est en fait un facteur prépondérant dans l'établissement de la résistance électrique. La demanderesse estime que la contribution de l'épanouissement à la variation de la résistance électrique spécifique se situe typiquement entre 75 et 90 %, ce qui signifie que la contribution de la résistivité est trës faible, soit typiquement entre 10 et 25 % (soit typiquement 15 %). Dans ses essais sur des cuves de 500 kA, la demanderesse a observé une valeur moyenne de SRS de l'ordre de 100 nS2/mm, qui diminue d'environ - 3 nS2/mm lorsque la température du bain augmente de 5 °C et lorsque la teneur en A1F3 diminue de 1 %, et inversement. La contribution de la résistivité à cette variation est estimée être de l'ordxe de - 0,5 nS2/mm seulement (soit environ 15 % seulement de la valeur totale), la contribution attribuable à l'épanouissement, à savoir - 2,5 nS~/mm étant alors dominante.
Il est possible de tenir compte de l'épanouissement du courant dans la résistance mesurée (par exemple par modélisation des lignes de courant), ce qui améliore de maniëre sensible la fiabilité du terme correctif Qr(p) en tant qu'indicateur de l'état thermique de la cellule.
Dans une variante simplifiée de l'invention, le terme Qr(p) peut être donné
par une relation simple telle que : Qr(p) = Kr x (ORS - ~RSo), où Kr est une constante, qui peut être fixée de maniëre empirique et dont la valeur est typiquement comprise entre - 0,01 et - 10 kg/heure/nS2/mm, et est plus typiquement comprise entre - 0,05 et - 0,3 kg/heure/nS2/mm (correspondant, dans ce dernier cas, à environ - 0,5 à -kg/période/nS2lmm pour des périodes d'une durée de 8 heures) pour des cuves de kA à 500 kA.
Le terme Qr(p) est de préférence borné par une valeur minimale et par une valeur maximale.
En pratique, il est possible d'effectuer Nr mesures (c'est-à-dire deux ou plusieurs mesures) de DRS durant la période p. La valeur de SRS utilisée pour le calcul de Qr(p) sera alors la moyenne des Nr valeurs ORS mesurées, exception faite, éventuellement, des valeurs jugées aberrantes. Il est également possible d'utiliser une moyenne glissante sur deux ou plusieurs périodes poux lisser les fluctuations thermiques liées au cycle d'exploitation. Un cycle d'exploitation est déterminé par le cadencement des interventions sur la cellule d'électrolyse, notamment les changements d'anode et les prélèvements de métal liquide. La durée d'un cycle d'exploitation est généralement comprise entre 24 et 48 heures (par exemple 4 périodes de 8 heures).
Dans une autre variante avantageuse du procédé selon l'invention, la quantité
Q(p) comprend un terme de régulation supplémentaire, Qs(p), qui est donnë par une fonction déterminée (qui est typiquement croissante et de préférence bornée) de l'écart entre la superficie S(p) de la nappe de métal liquide (12) et une valeur de consigne So.
Selon cette variante de l'invention, le procédé comprend avantageusement - la détermination d'un terme Qs(p) ;
- l'ajout du terme Qs(p) dans la détermination de la quantité Q(p).
La superficie S(p), qui correspond sensiblement à l'interface métal/bain, est approximativement ëgale â la section droite horizontale de la cuve d'électrolyse. La présence de bain d'électrolyte solidifié sur les parois de la cuve diminue cette superficie d'une quantité qui varie en fonction du temps et des conditions de fonctionnement de la cuve.
Le terme Qs(p) est donné par une fonction déterminée (qui est typiquement croissante et de préférence bornée) de la différence S(p) - So. Dans une variante simplifiée de l'invention, le terme Qs(p) peut être donné par une relation simple telle que : Qs(p) = Ks x (S(p) - So), où Ks est une constante, qui peut être fixée de manière empirique et dont la valeur est typiquement comprise entre 0,0001 et 0,1 kg/heure/dm2, et est plus typiquement comprise entre 0,001 et 0,01 kg/heure/dm2 (correspondant, dans ce dernier cas, à environ 0,01 à 0,05 kg/période/dm2 pour des périodes d'une durée de 8 heures) pour des cuves de 300 kA à 500 kA.
Le terme Qs(p) est de préfërence borné par une valeur minimale et par une valeur maximale.
Dans le mode de réalisation préféré de cette vaxiante de l'invention, la superficie S(p) est calculée à partir d'une mesure du volume Vm de métal coulé et de (abaissement OHm du niveau métal Hm correspondant (voir la figure 8). Plus précisément, on mesure le volume Vm de métal liquide extrait de la cuve d'électrolyse (typiquement par une mesure de cette masse de métal) et le changement OHm du niveau du métal liquide qui en résulte, puis on calcule la superficie S(p) en utilisant la relation S(p) _ Vm/OHm. Dans la pratique, afin de maintenir constante la distance métal/anode, les anodes (9) sont normalement abaissées en même temps que le niveau du métal liquide.
La demanderesse a noté que les termes correctifs Qr(p) et Qs(p) selon la présente demande sont des indicateurs efficaces de (état thermique global de la cellule d'électrolyse, qui tiennent compte aussi bien du bain d'électrolyte liquide que du talus de bain solidifié sur les parois de la cuve. Ces termes, pris isolément ou en combinaison, permettent notamment de réduire de manière sensible le nombre d'analyses de la teneur en A1F3 du bain d'électrolyte liquide et complètent ainsi la correction apportée par le terme Qt(p). La demanderesse a pu observer que la fréquence des analyses de la teneur en A1F3 peut être réduite typiquement à
une analyse par cellule tous les 30 jours environ. Les termes Qr(p) et Qs(p) permettent de n'effectuer des analyses de la teneur en AIF3 que sur exception ou dans le but de caractériser une cellule ou une série de cellules de manière statistique.
Dans une autre variante avantageuse de l'invention, la quantité Q(p) comprend un terme correctif supplémentaire Qe(p) qui est fonction déterminée (qui est typiquement décroissante et de préférence bornée) de l'écart entre fexcés d'A1F3 mesuré E(p) et sa valeur visée Eo, c'est-à-dire de la différence E(p) - Eo.
Cette variante peut être mise en oeuvre en incluant dans le procédé de l'invention - la mesure de l'excès E(p) d'AIF3 ;
- la détermination d'un terme correctif supplémentaixe Qe(p) en utilisant une fonction déterminée (typiquement décroissante et de préférence bornée) de l'écart entre l'excès d'A1F3 mesuré E(p) et sa valeur visée Eo, c'est-à-dire de la différence E(p) -Eo ;
- la détermination de la quantité Q(p) en ajoutant le terme Qe(p) dans le calcul.
Dans une variante simplifiée de l'invention, le terme Qe(p) peut être donné
par une relation simple telle que : Qe(p) = Ke x (E(p) - Eo), où Ke est une constante, qui peut être fixée de manière empirique et dont la valeur est typiquement comprise entre - 0,05 et - 5 kg/heure/%A1F3, et est plus typiquement comprise entre - 0,5 et -kg/heure/%A1F3 (correspondant, dans ce dernier cas, à environ - 20 à - 5 kg/période/%A1F3 pour des périodes d'une durée de 8 heures) pour des cuves de kA à 500 kA.
Le terme Qe(p) est de préférence borné par une valeur minimale et par une valeur maximale.
La demanderesse a trouvé satisfaisant de n'appliquer le terme Qe(p) que de manière exceptionnelle, et pendant une courte durée, lorsque le fonctionnement thermique de la cellule sort de la plage de fonctionnement normal, c'est-à-dire lorsque les indicateurs (tels que la température, SRS, S, etc) sortent des fourchettes dites de sécurité.
La demanderesse a noté dans ses essais que le terme correctif Qe permeitait un retour rapide des indicateurs (température, SRS, S, etc) dans la plage de fonctionnement normal.
Selon encore une autre variante de l'invention, il est également possible d'ajouter des termes correctifs permettant de tenir compte d'événements ponctuels perturbateurs.
En particulier, la régulation peut comprendre un terme dit d'effet d'anode Qea pour tenir compte de l'impact d'un effet d'anode sur la thermique d'une cellule d'électrolyse. I1n effet d'anode provoque notamment des pertes significatives d'AlF3 par émission et, généralement, un réchauffement du bain d'électrolyte. Le terme Qea est appliqué pendant un temps limité suite à l'observation d'un effet d'anode.
Le terme Qea est calculé à l'aide soit d'un barème qui est fonction de l'énergie de l'effet ~'~S
5 Qea est donné par une fonction déterminée (qui est typiquement croissante et de préférence bornée) de l'énergie EEA. Le terme Qea(p) est de préférence borné
par une valeur minimale et par une valeur maximale.
Des ajouts de bain industriel et de cryolithe pure sont quelquefois effectués sur des 10 cellules industrielles. Ces ajouts ont un impact sur la composition du bain d'électrolyte dont il faut généralement tenir compte dans la régulation. Dans ce but, le procédé de régulation peut également comprendre un terme correctif Qb pour tenir compte de la modification de la teneur en A1F3 pur provoquée par ces ajouts.
15 Afin d'éviter les excès d'ajout d'A1F3, il est préférable, à titre de précaution, de limiter Q(p) à une valeur maximale Qmax. Il est également préférable de borner dans le temps l'application des termes de régulation lorsque ceux-ci ne peuvent être déterminés à chaque période.
20 La demanderesse a observé qu'il était suffisant de n'appliquer certains des termes de Q(p), tels que Qe(p), que de façon exceptionnelle et pour une durée limitëe, ce qui permet de limiter les coûts relatifs à leur détermination.
Le terme Q(p) peut être positif, nul ou négatif. Dans le dernier cas, on pose Q(p) = 0, c'est-à-dire qu'on n'ajoute pas d'A1F3 durant la période p. Lorsque le terme Q(p) est négatif, il est également possible de corriger la composition du bain d'électrolyte (13) par ajout de "soda", c'est-à-dire de soude calcinée ou carbonate de sodium, appelé
"soda ash" en anglais.
Exemples de mise en aeuvre de l'invention Les exemples suivants illustrent les calculs inhérents au procédé de régulation de l'invention. Ces calculs sont typiques de ceux effectués pour les cellules de 500 kA
mises à l'essai par la demanderesse. La durée des périodes est de 8 heures.
Exemple 1 Exemple illustrant l'utilisation des termes de base Qint, Qcl, Qc2 et Qt dans le cas d'une cuve d'âge moyen (28 mois).
La valeur de Qtheo à 28 mois est de + 31 kg/période. Les besoins moyens de la cellule Q' déterminés par le terme intégral Qint sont de + 39 kg/période.
L'analyse de l'alumine donne une valeur de 1,36 % de fluor et de 5250 ppm d'équivalent Na20. La consommation en alumine de la cellule durant une période de
8 heures est de 2400 kg. Le terme Qcl est alors égal à + 22 kg/période en apport pur ëquivalent A1F3.
En prenant N = 12, le total des apports réels en A1F3 par période sur les N
dernières périodes est de 44 kg/période. L'écart entre les apports réels (44 kg/période) et les besoins moyens (39 kg/période) est alors de + 5 kglpériode. Le terme Qc2 est alors égal à - 3 kg/période.
La température mesurée est de 957°C et la température de consigne de 953°C, soit un écart de + 4°C. Le terme correctif Qt est alors égal à + 7 kg/période.
La quantité d'A1F3 à ajouter durant la période p est alors égale à : Q(p) =
Qint(p) -Qcl(p)+Qc2(p)+Qt(p)=39-22-3+7=+2l kg.
Exemple 2 Exemple illustrant l'utilisation des termes de base Qint, Qcl, Qe2 et Qt dans le cas d'une cuve j eune (7 mois).
La valeur de Qtheo à 7 mois est de + 23 kg/période. Les besoins moyens de la cellule Q' déterminés par le terme intégral Qint sont de + 32 kg/période. Le terme Qcl est égal à + 20 kg/période en apport pur équivalent A1F3. Le terme Qc2 est égal à -kg/période.
La température mesurée est de 964,6°C et la température de consigne de 956°C, soit un écart de + 8,6°C. Le terme correctif Qt est alors égal à + 15 kg/période.
La quantité d'A1F3 à ajouter durant la période p est alors égale à : Q(p) =
Qint(p) -Qc 1 (p) + Qc2(p) + Qt(p) = 32 - 20 - 6 + 15 = + 21 kg.
Exemple 3 Exemple illustrant l'utilisation les termes de base Qint, Qcl, Qc2 et Qt, coiTigés du terme Qe, dans le cas d'une cellule jeune (6 mois).
La valeur de Qtheo à 7 mois est de + 23 kglpériode. Les besoins moyens de la cellule Q' déterminés par le terme intégral Qint sont de + 32 kg/përiode. Le terme Qcl est égal à + 20 kg/période en apport pur équivalent A1F3. Le terme Qc2 est égal à -kg/période. Le terme correctif Qt est égal à + 15 kg/période.
Le taux d'A1F3 mesuré est de 12,8 % et la valeur de consigne est de 12,0 %. La valeur de Qe est alors de - 14 kg/période.
La quantité d'AIF3 à ajouter durant la période p est alors ëgale à : Q(p) =
Qint(p) -Qc I (p) + Qc2(p) + Qt(p) + Qe(p) = 32 - 20 - 6 + 15 - 14 = + 7 kg. Le terme Qe évite ainsi une sur-correction de 1a teneur en A1F3.
Exemple 4 Exemple illustrant l'utilisation des termes complémentaires Qr et Qs en combinaison avec les termes de base Qint, Qcl, Qc2 et Qt.
La valeur de Qtheo à 28 mois est de + 31 kglpériode. Les besoins moyens de la cellule Q' déterminés par le terme intégral Qint sont de + 39 kg/période. Le terme Qcl est égal à + 22 kg/période en apport pur équivalent A1F3. Le terme Qc2 est égal à - 3 kg/période.
La température mesurée est de 964 °C et la température de consigne de 953 °C, soit un écart de + 1p,8°C, Le terme correctif Qt est alors égal à + 18 kg/période.
La valeur mesurée de ORS est de 101,8 nSZ/mm et la valeur de consigne ~RSo est de 106,0 nS~/mm. Le terme Qr(p) est alors égal à + 5 kg/période.
La valeur mesurée de S est de 6985 dm~ et la valeur de consigne So est de 6700 dm2.
Le terme Qs(p) est alors égal à + 5 kg/période.
La quantité d'A1F3 à ajouter durant la période p est alors égale à : Q(p) ~
Qint(p) -Qcl(p)+Qc2(p)+Qt(p)+Qr(p)+Qs(p)=39-22-3+18+5+5=+42 kg. Les termes Qr et Qs apportent une correction significative à Ia quantité Q(p).
Essais Le procédë selon l'invention a été utilisé pour réguler des cellules d'électrolyse avec des intensités allant jusqu'à 500 kA. La durée des périodes était de 8 heures.
Les essais ont porté sur différents types de cuves. Le tableau T regroupe les caractéristiques de certaines des cellules d'électrolyse mises à l'essai et les résultats typiques obtenus. Dans le cas A, les cuves étaient régulées à I'aide du mode de réalisation de l'invention dans lequel Q(p) était déterminée en utilisant les termes Qint(p), Qc I (p), Qc2(p) et Qt(p). Dans Ie cas B, les cuves étaient régulées à l'aide du mode de réalisation de l'invention dans lequel Q(p) était déterminée en utilisant les termes Qint(p), Qc1(p), Qc2(p), Qt(p) et Qe(p). Dans le cas C, les cuves étaient régulées à l'aide du mode de réalisation de l'invention dans lequel Q(p) était déterminée en utilisant les termes Qint(p), Qcl(p), Qc2(p), Qt(p), Qr(p) et Qs(p).
S
Les résultats montrent que le procédé de régulation de l'invention permet de réguler efficacement des cellules d'électrolyse dont l'excès d'A1F3 du bain est supérieur à 11 et dont la température du bain est voisine de 960 °C. Les variantes préférées de l'invention permettent de réguler efficacement, et avec une stabilité
surprenante, des cellules d'ëlectrolyse dont l'intensité et la densité anodique sont très élevées et dont la masse de bain liquide est faible.
Tableau I
Cas A Cas B Cas C
Intensit (kA) 300 kA 330 kA 500 kA
Densit anodique (A/cmz) 0,78 0,85 0,90 Masse de bain liquide (kg/kA)25 22 17 Excs A1F3 (1) 11,8 11,8 13,2 Ecart type total (~ %) 1,5 1,3 1,3 Dispersion de l'excs A1F3 8,8 - 14,89,2 - 14,410,6 -2 6 % 15,8 Temprature du bain (C) 962 962 961 Ecart type total (6 %) 6 6 3,5 Dispersion de la temprature 950 - 974 950 - 974 954 - 968 2 ~ %
Rendement Faraday (%) 95,0 95,0 95,5 La demanderesse a observë lors de ses essais que le procédé de régulation de l'invention permet de contrôler, avec une grande stabilité, la teneur en A1F3 des cellules d'électrolyse, sur une période de plusieurs mois, sans avoir à tenir compte de teneurs mesurées en A1F3, lesquelles teneurs mesurées sont, de toute manière, aisément entachées d'erreurs significatives.
Avantages de l'invention Le procédé selon l'invention permet de tenir compte non seulement de la composition 5 moyenne du bain d'électrolyte d'une cellule d'électrolyse, mais également de (impact des talus de bain solidifié sur cette composition, lesquels talus, en fondant ou en croissant, agissent sur la composition du bain.
En prenant N = 12, le total des apports réels en A1F3 par période sur les N
dernières périodes est de 44 kg/période. L'écart entre les apports réels (44 kg/période) et les besoins moyens (39 kg/période) est alors de + 5 kglpériode. Le terme Qc2 est alors égal à - 3 kg/période.
La température mesurée est de 957°C et la température de consigne de 953°C, soit un écart de + 4°C. Le terme correctif Qt est alors égal à + 7 kg/période.
La quantité d'A1F3 à ajouter durant la période p est alors égale à : Q(p) =
Qint(p) -Qcl(p)+Qc2(p)+Qt(p)=39-22-3+7=+2l kg.
Exemple 2 Exemple illustrant l'utilisation des termes de base Qint, Qcl, Qe2 et Qt dans le cas d'une cuve j eune (7 mois).
La valeur de Qtheo à 7 mois est de + 23 kg/période. Les besoins moyens de la cellule Q' déterminés par le terme intégral Qint sont de + 32 kg/période. Le terme Qcl est égal à + 20 kg/période en apport pur équivalent A1F3. Le terme Qc2 est égal à -kg/période.
La température mesurée est de 964,6°C et la température de consigne de 956°C, soit un écart de + 8,6°C. Le terme correctif Qt est alors égal à + 15 kg/période.
La quantité d'A1F3 à ajouter durant la période p est alors égale à : Q(p) =
Qint(p) -Qc 1 (p) + Qc2(p) + Qt(p) = 32 - 20 - 6 + 15 = + 21 kg.
Exemple 3 Exemple illustrant l'utilisation les termes de base Qint, Qcl, Qc2 et Qt, coiTigés du terme Qe, dans le cas d'une cellule jeune (6 mois).
La valeur de Qtheo à 7 mois est de + 23 kglpériode. Les besoins moyens de la cellule Q' déterminés par le terme intégral Qint sont de + 32 kg/përiode. Le terme Qcl est égal à + 20 kg/période en apport pur équivalent A1F3. Le terme Qc2 est égal à -kg/période. Le terme correctif Qt est égal à + 15 kg/période.
Le taux d'A1F3 mesuré est de 12,8 % et la valeur de consigne est de 12,0 %. La valeur de Qe est alors de - 14 kg/période.
La quantité d'AIF3 à ajouter durant la période p est alors ëgale à : Q(p) =
Qint(p) -Qc I (p) + Qc2(p) + Qt(p) + Qe(p) = 32 - 20 - 6 + 15 - 14 = + 7 kg. Le terme Qe évite ainsi une sur-correction de 1a teneur en A1F3.
Exemple 4 Exemple illustrant l'utilisation des termes complémentaires Qr et Qs en combinaison avec les termes de base Qint, Qcl, Qc2 et Qt.
La valeur de Qtheo à 28 mois est de + 31 kglpériode. Les besoins moyens de la cellule Q' déterminés par le terme intégral Qint sont de + 39 kg/période. Le terme Qcl est égal à + 22 kg/période en apport pur équivalent A1F3. Le terme Qc2 est égal à - 3 kg/période.
La température mesurée est de 964 °C et la température de consigne de 953 °C, soit un écart de + 1p,8°C, Le terme correctif Qt est alors égal à + 18 kg/période.
La valeur mesurée de ORS est de 101,8 nSZ/mm et la valeur de consigne ~RSo est de 106,0 nS~/mm. Le terme Qr(p) est alors égal à + 5 kg/période.
La valeur mesurée de S est de 6985 dm~ et la valeur de consigne So est de 6700 dm2.
Le terme Qs(p) est alors égal à + 5 kg/période.
La quantité d'A1F3 à ajouter durant la période p est alors égale à : Q(p) ~
Qint(p) -Qcl(p)+Qc2(p)+Qt(p)+Qr(p)+Qs(p)=39-22-3+18+5+5=+42 kg. Les termes Qr et Qs apportent une correction significative à Ia quantité Q(p).
Essais Le procédë selon l'invention a été utilisé pour réguler des cellules d'électrolyse avec des intensités allant jusqu'à 500 kA. La durée des périodes était de 8 heures.
Les essais ont porté sur différents types de cuves. Le tableau T regroupe les caractéristiques de certaines des cellules d'électrolyse mises à l'essai et les résultats typiques obtenus. Dans le cas A, les cuves étaient régulées à I'aide du mode de réalisation de l'invention dans lequel Q(p) était déterminée en utilisant les termes Qint(p), Qc I (p), Qc2(p) et Qt(p). Dans Ie cas B, les cuves étaient régulées à l'aide du mode de réalisation de l'invention dans lequel Q(p) était déterminée en utilisant les termes Qint(p), Qc1(p), Qc2(p), Qt(p) et Qe(p). Dans le cas C, les cuves étaient régulées à l'aide du mode de réalisation de l'invention dans lequel Q(p) était déterminée en utilisant les termes Qint(p), Qcl(p), Qc2(p), Qt(p), Qr(p) et Qs(p).
S
Les résultats montrent que le procédé de régulation de l'invention permet de réguler efficacement des cellules d'électrolyse dont l'excès d'A1F3 du bain est supérieur à 11 et dont la température du bain est voisine de 960 °C. Les variantes préférées de l'invention permettent de réguler efficacement, et avec une stabilité
surprenante, des cellules d'ëlectrolyse dont l'intensité et la densité anodique sont très élevées et dont la masse de bain liquide est faible.
Tableau I
Cas A Cas B Cas C
Intensit (kA) 300 kA 330 kA 500 kA
Densit anodique (A/cmz) 0,78 0,85 0,90 Masse de bain liquide (kg/kA)25 22 17 Excs A1F3 (1) 11,8 11,8 13,2 Ecart type total (~ %) 1,5 1,3 1,3 Dispersion de l'excs A1F3 8,8 - 14,89,2 - 14,410,6 -2 6 % 15,8 Temprature du bain (C) 962 962 961 Ecart type total (6 %) 6 6 3,5 Dispersion de la temprature 950 - 974 950 - 974 954 - 968 2 ~ %
Rendement Faraday (%) 95,0 95,0 95,5 La demanderesse a observë lors de ses essais que le procédé de régulation de l'invention permet de contrôler, avec une grande stabilité, la teneur en A1F3 des cellules d'électrolyse, sur une période de plusieurs mois, sans avoir à tenir compte de teneurs mesurées en A1F3, lesquelles teneurs mesurées sont, de toute manière, aisément entachées d'erreurs significatives.
Avantages de l'invention Le procédé selon l'invention permet de tenir compte non seulement de la composition 5 moyenne du bain d'électrolyte d'une cellule d'électrolyse, mais également de (impact des talus de bain solidifié sur cette composition, lesquels talus, en fondant ou en croissant, agissent sur la composition du bain.
Claims (30)
1. Procédé de régulation d'une cellule d'électrolyse (1) pour la production d'aluminium par réduction électrolytique de l'alumine dissoute dans un bain d'électrolyte (13) à base de cryolithe, ladite cellule (1) comprenant une cuve (20), des anodes (7) et des éléments cathodiques (5, 6) aptes à faire circuler un courant dit d'électrolyse dans ledit bain, l'aluminium produit par ladite réduction formant une nappe dite « nappe de métal liquide » (12) sur lesdits éléments cathodiques (5, 6), ledit procédé comprenant l'alimentation de ladite cellule en alumine par ajout d'alumine dans ledit bain et étant caractérisé en ce qu'il comprend:
- l'implantation d'une séquence de régulation comprenant une série d'intervalles de temps p de durée Lp appelés « périodes »;
- la détermination d'une valeur de température T(p) du bain d'électrolyte, à
partir d'au moins une mesure de la température dudit bain effectuée durant la dernière période ou au moins une des Nt dernières périodes;
- la détermination d'une quantité Qc1(p) dite « équivalente » d'AlF3 contenue dans l'alumine ajoutée à la cellule durant la période p;
- la détermination d'une valeur Qm(p) des apports équivalents totaux d'AlF3 par période durant la dernière période ou durant les N dernières périodes;
- la détermination d'une quantité Q(p) de trifluorure d'aluminium (AlF3) à
ajouter durant la période p, dite « quantité déterminée Q(p) », à l'aide de la formule:
Q(p) = Qint(p) - Qc1(p) + Qt(p), où
Qint(p) = .alpha. × Qm(p) + (1 - .alpha.) × Qint(p - 1), .alpha. est un coefficient de lissage, Qt(p) est une fonction déterminée de l'écart entre ladite température T(p) et une température de consigne To;
- l'ajout dans ledit bain d'électrolyte, durant la période p, d'une quantité
effective de trifluorure d'aluminium (AlF3) égale à ladite quantité déterminée Q(p).
- l'implantation d'une séquence de régulation comprenant une série d'intervalles de temps p de durée Lp appelés « périodes »;
- la détermination d'une valeur de température T(p) du bain d'électrolyte, à
partir d'au moins une mesure de la température dudit bain effectuée durant la dernière période ou au moins une des Nt dernières périodes;
- la détermination d'une quantité Qc1(p) dite « équivalente » d'AlF3 contenue dans l'alumine ajoutée à la cellule durant la période p;
- la détermination d'une valeur Qm(p) des apports équivalents totaux d'AlF3 par période durant la dernière période ou durant les N dernières périodes;
- la détermination d'une quantité Q(p) de trifluorure d'aluminium (AlF3) à
ajouter durant la période p, dite « quantité déterminée Q(p) », à l'aide de la formule:
Q(p) = Qint(p) - Qc1(p) + Qt(p), où
Qint(p) = .alpha. × Qm(p) + (1 - .alpha.) × Qint(p - 1), .alpha. est un coefficient de lissage, Qt(p) est une fonction déterminée de l'écart entre ladite température T(p) et une température de consigne To;
- l'ajout dans ledit bain d'électrolyte, durant la période p, d'une quantité
effective de trifluorure d'aluminium (AlF3) égale à ladite quantité déterminée Q(p).
2. Procédé de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la formule de calcul de la quantité Q(p) comporte un terme supplémentaire Qc2(p), c'est-à-dire que Q(p) = Qint(p) - Qc1(p) + Qt(p) + Qc2(p), le terme Qc2(p) étant une fonction déterminée de l'écart entre Qm(p) et Qint(p).
3. Procédé de régulation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite durée Lp desdites périodes est sensiblement la même pour toutes les périodes.
4. Procédé de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite durée Lp desdites périodes est comprise entre 1 et 100 heures.
5. Procédé de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le terme Qm(p) est donné par la relation Qm(p) - <Q(p)>
+
<Qc1(p)>, où
<Q(p)> = Q(p - 1) et <Qc1(p)> = Qc1(p - 1) lorsque le terme Qm(p) est déterminé à partir des apports équivalents totaux d'AlF3 durant la dernière période;
<Q(p)> - (Q(p - N) + Q(p - N + 1) +... + Q(p - 1))/N, et <Qc1(p)> - (Qc1(p -N) + Qc1(p - N + 1 ) + ... + Qc1(p -1))/N, lorsque le terme Qm(p) est déterminé à partir des apports équivalents totaux d'AlF3 durant les N
dernières périodes.
+
<Qc1(p)>, où
<Q(p)> = Q(p - 1) et <Qc1(p)> = Qc1(p - 1) lorsque le terme Qm(p) est déterminé à partir des apports équivalents totaux d'AlF3 durant la dernière période;
<Q(p)> - (Q(p - N) + Q(p - N + 1) +... + Q(p - 1))/N, et <Qc1(p)> - (Qc1(p -N) + Qc1(p - N + 1 ) + ... + Qc1(p -1))/N, lorsque le terme Qm(p) est déterminé à partir des apports équivalents totaux d'AlF3 durant les N
dernières périodes.
6. Procédé de régulation selon la revendication 5, caractérisé en ce que N est compris entre 2 et 100.
7. Procédé de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le coefficient a est égal à Lp / Pc, où Pc est compris entre 400 à 8000 heures.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend:
- la détermination d'une quantité Qtheo correspondant aux besoins théoriques totaux en AlF3 de la cellule au moment où on lance la régulation;
- le démarrage du procédé en posant Qint(0) = Qtheo.
- la détermination d'une quantité Qtheo correspondant aux besoins théoriques totaux en AlF3 de la cellule au moment où on lance la régulation;
- le démarrage du procédé en posant Qint(0) = Qtheo.
9. Procédé de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le terme Qt(p) est donné par la relation Qt(p) = Kt x (Tp -To), où Kt est une constante.
10. Procédé de régulation selon la revendication 9, caractérisé en ce que Kt est comprise entre 0,01 à 1 kg/heure/°C.
11. Procédé de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le terme Qt(p) est borné par une valeur minimale et par une valeur maximale.
12. Procédé de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le terme Qc2(p) est donné par la relation Qc2(p) =
Ko2 × (Qm(p) - Qint(p)), où Ko2 est une constante.
Ko2 × (Qm(p) - Qint(p)), où Ko2 est une constante.
13. Procédé de régulation selon la revendication 12, caractérisé en ce que Ko2 est comprise entre - 0,1 et - 1.
14. Procédé de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le terme Qc2(p) est de préférence borné par une valeur minimale et par une valeur maximale.
15. Procédé de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que, lorsque la cellule d'électrolyse (1) comprend un cadre anodique mobile (10) auquel sont fixées lesdites anodes (7), la quantité Q(p) comprend un terme supplémentaire Qr(p) qui est une fonction déterminée d'une quantité dite « variation de la résistance spécifique » .DELTA.RS qui est égale à .DELTA.R/
.DELTA.H, où .DELTA.R est la variation de la résistance R de la cellule mesurée lorsque ledit cadre (10) est déplacé d'une distance déterminée .DELTA.H, soit vers le haut, .DELTA.H étant alors positif, soit vers le bas, .DELTA.H étant alors négatif.
.DELTA.H, où .DELTA.R est la variation de la résistance R de la cellule mesurée lorsque ledit cadre (10) est déplacé d'une distance déterminée .DELTA.H, soit vers le haut, .DELTA.H étant alors positif, soit vers le bas, .DELTA.H étant alors négatif.
16. Procédé de régulation selon la revendication 15, caractérisé en ce que le terme Qr(p) est donné par la relation Qr(p) = Kr × (.DELTA.RS - .DELTA.RSo), où Kr est une constante et .DELTA.RSo est une valeur de référence.
17. Procédé de régulation selon la revendication 16, caractérisé en ce que Kr est comprise entre - 0,01 et -10 kg/heure/n.OMEGA./mm.
18. Procédé de régulation selon l'une quelconque des revendications 15 à 17, caractérisé en ce que le terme Qr(p) est de préférence borné par une valeur minimale et par une valeur maximale.
19. Procédé de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que la quantité Q(p) comprend un terme supplémentaire Qs(p) qui est donné par une fonction déterminée de l'écart entre la superficie S(p) de ladite nappe de métal liquide (12) et une valeur de consigne So.
20. Procédé de régulation selon la revendication 19, caractérisé en ce que le terme Qs(p) est donné par la relation Qs(p) = Ks × (S(p) - So), où Ks est une constante.
21. Procédé de régulation selon la revendication 20, caractérisé en ce que Ks est comprise entre 0,0001 et 0,1 kg/heure/dm2.
22. Procédé de régulation selon l'une quelconque des revendications 19 à 21, caractérisé en ce que le terme Qs(p) est de préférence borné par une valeur minimale et par une valeur maximale.
23. Procédé de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 22, caractérisé en ce que la quantité Q(p) comprend un terme supplémentaire Qe(p) est donné par une fonction déterminée de l'écart entre l'excès d'AlF3 mesuré
E(p) et sa valeur visée Eo.
E(p) et sa valeur visée Eo.
24. Procédé de régulation selon la revendication 23, caractérisé en ce que le terme Qe(p) est donné par la relation Qe(p) = Ke × (E(p) - Eo), où Ke est une constante.
25. Procédé de régulation selon la revendication 24, caractérisé en ce que Ke est comprise entre - 0,05 et - 5 kg/heure/%AlF3.
26. Procédé de régulation selon l'une quelconque des revendications 23 à 25, caractérisé en ce que le terme Qe(p) est de préférence borné par une valeur minimale et par une valeur maximale.
27. Procédé de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 26, caractérisé en ce que la quantité Q(p) comprend un terme supplémentaire Qea(p) qui est donné par une fonction déterminée de l'énergie de l'effet d'anode EEA.
28. Procédé de régulation la revendication 27, caractérisé en ce que le terme Qea(p) est de préférence borné par une valeur minimale et par une valeur maximale.
29. Procédé de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 28, caractérisé en ce que la quantité Q(p) est limitée à une valeur maximale Qmax.
30. Procédé de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 29, caractérisé en ce que, lorsque la valeur déterminée du terme Q(p) est négative, sa valeur est posée égale à zéro, c'est-à-dire qu'on n'ajoute pas d'AlF3 durant la période p.
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