l'aluminium

Le secteur technique de la présente invention est celui de la production d'aluminium par l' électrolyse de l'alumine.

La production d'aluminium par électrolyse de l'alumine dans un bain d' électrolyte à base de cryolithe fondue selon le procédé Hall-Héroult est bien connue de l'Homme du métier et ce procédé est largement utilisé dans l'industrie.

L'aluminium métal est produit industriellement par électrolyse ignée, à savoir par électrolyse de l'alumine en solution dans un bain de cryolithe fondue, appelé bain d' électrolyte . Ce bain est contenu dans des cuves dites « cuves d' électrolyse » comprenant un caisson en acier, qui est revêtu intérieurement de matériaux réfractaires et/ou isolants, et un ensemble cathodique situé au fond de la cuve. Des anodes, typiquement en matériau carboné, sont partiellement immergées dans le bain d' électrolyte .

L'expression « cellule d' électrolyse » désigne normalement l'ensemble comprenant une cuve d' électrolyse et une ou plusieurs anodes.

Le courant d' électrolyse engendre les réactions de réduction de l'alumine et permet également de maintenir le bain d' électrolyte à une température de l'ordre de 950°C par effet Joule. Ce . courant circule dans le bain d' électrolyte et dans la nappe d'aluminium liquide par l'intermédiaire des anodes et des éléments cathodiques.

La cellule d' électrolyse est régulièrement alimentée en alumine de manière à compenser la consommation en alumine résultant des réactions d' électrolyse .

La productivité et le rendement Faraday d'une cellule d' électrolyse sont influencés par plusieurs facteurs, tels l'intensité et la répartition du courant d' électrolyse, la température du bain, la concentration en alumine du bain et l'acidité du bain d' électrolyte . Par exemple, la température de fusion d'un bain à base de cryolithe décroit avec l'excès de trifluorure d'aluminium (A1F ₃ ) par rapport à la composition nominale (3NaF, A1F ₃ ). La température de fusion est également influencée par la présence de composés tels que le CaF ₂ , le MgF ₂ ou le LiF. Dans les usines modernes, les paramètres marche de la cuve d' électrolyse sont ajustés de manière à viser des rendements supérieurs à 90%.

La conduite d'une cellule d' électrolyse nécessite donc de contrôler précisément ses paramètres de fonctionnement, tels que la température, la concentration en alumine, l'acidité, la fréquence d'alimentation en alumine et de les maintenir à des valeurs de consigne déterminées. Plusieurs procédés de régulation ont été développés afin d'atteindre cet objectif.

Ces procédés portent généralement soit sur la régulation de la concentration en alumine du bain d' électrolyte, soit sur la régulation de la température, soit sur la régulation de l'acidité, c'est-à-dire l'excès d'AlF ₃ .

Un des facteurs essentiels permettant d'assurer la régularité de marche d'une cuve d' électrolyse est le maintien d'une concentration appropriée en alumine dans le bain d' électrolyte . Il convient donc d'adapter les quantités d'alumine à introduire dans le bain avec la consommation d'alumine de la cuve.

Un excès d' alumine crée un risque d' encrassement du fond de la cuve par des dépôts d'alumine non dissoute pouvant se transformer en plaques dures qui sont susceptibles d'isoler électriquement une partie de la cathode. Ce phénomène favorise alors la formation dans le métal des cuves de courants électriques horizontaux très forts qui, par interaction avec les champs magnétiques brassent la nappe de métal et provoquent une instabilité de l'interface bain- métal .

A l'inverse, un défaut d'alumine peut notamment provoquer l'apparition de « l'effet d'anode », c'est-à-dire la polarisation d'une anode, avec une montée brutale de la tension aux bornes de la cellule et dégagement en quantité importante de produits fluorés et fluoro-carbonés (CF _X ) , dont la forte capacité d'absorption des rayons infrarouges favorise l'effet de serre.

Il est donc nécessaire d'adapter les apports en alumine aux besoins de la cellule d' électrolyse afin de maintenir une concentration en alumine du bain d' électrolyte dans des limites précises et relativement étroites.

Ceci a conduit l'Homme du métier à développer des procédés automatiques d'alimentation et de régulation en alumine des cuves d' électrolyse . Cette nécessité est devenue une obligation avec l'utilisation des bains d' électrolyse dits « acides » (à teneur élevée en AIF ₃ ) permettant d'abaisser la température de fonctionnement de la cuve de 10 à 15°C par l'ajout de composés tels que CaF ₂ , MgF ₂ ou LiF, et d'atteindre ainsi des rendements Faraday d'au moins 94%. En effet, il est indispensable de pouvoir régler la concentration en alumine dans une plage de concentration très précise et très étroite (typiquement entre 1,5% et 3,5% et de préférence entre 1,5% et 2,5% dans les cellules comprenant des anodes en matériau carboné) , compte tenu de la diminution du taux de solubilité de l'alumine liée à la nouvelle composition ainsi qu'à l'abaissement de la température du bain.

La plupart des procédés industriels connus ont recours à une évaluation indirecte de la concentration en alumine du bain d' électrolyte en suivant un paramètre électrique représentatif de la concentration en alumine dudit bain. Ce paramètre est généralement la variation de la pseudorésistance Ri aux bornes de la cuve alimentée sous une tension U, incluant une force contre-électromotrice (e) évaluée par exemple à 1,65 volt et traversée par un courant I de sorte que Ri = (U - e)/I.

Par étalonnage, on peut tracer une courbe de variation de Ri en fonction de la concentration en alumine et par mesure de Ri (à la fréquence déterminée selon des méthodes bien connues) on peut connaître à tout moment la concentration d' alumine ( [A1 ₂ 0 ₃ ] ) .

C'est ce principe de détection que décrit le brevet FR- 1457746 et utilisé pour commander un distributeur d'alumine associé à un moyen de perçage de la croûte d' électrolyte figé à la surface du bain.

De même, le brevet US-3400062 met en œuvre une mesure de la variation de la pseudo-résistance de la cuve à l'aide d'une anode pilote pour détecter un excès ou une carence en alumine et une tendance à l'effet d'anode. Ceci permet d'agir sur la cadence d'introduction de l'alumine à partir d'une trémie munie d'un dispositif de perçage de la croûte d' électrolyte figé.

Plus récemment, des procédés de régulation précis basés sur le contrôle de la concentration en alumine entre une limite supérieure et une limite inférieure ont fait l'objet de nouveaux brevets, comme dans le brevet EP-0044794 par exemple .

Le procédé selon le brevet EP-0044794 fait appel en plus de la mesure de la pseudo-résistance Ri aux bornes de la cuve d' électrolyse à un second paramètre de réglage qu'est la pente P = dRi/dt, représentative de la variation de la pseudo-résistance. Cette variation est provoquée par un changement volontaire du régime d'alimentation en alumine du bain pendant un temps déterminé. En effet, la seule connaissance de la pseudo-résistance Ri aux bornes de la cuve d' électrolyse n'est pas suffisante pour maîtriser avec précision la concentration en alumine du bain et par voie de conséquence pour contrôler la quantité ou la fréquence des effets d'anode. Le paramètre Ri, à température du bain constante, est fonction de deux variables. D'une part la concentration en alumine image de la pseudo-résistivité p du bain, et d'autre part la distance anode-métal (DAM). Il faut donc trouver un paramètre discriminant que l'on obtient par la pente P = dRi/dt, appelé pente de résistance, seul paramètre vraiment représentatif de l'appauvrissement ou de l'enrichissement du bain en alumine.

C'est sur le réglage de ces deux paramètres Ri et dRi/dt qu'est basé le procédé selon le brevet EP-0044794 que l'on peut résumer ainsi.

En partant d'une phase de sous-alimentation du bain en alumine (la consommation en alumine du bain est plus importante que la quantité apportée au bain) , on ordonne le passage en phase de suralimentation (la consommation en alumine du bain est moins importante que la quantité apportée au bain) pour une durée prédéterminée T si : - la pseudo-résistance Ri dépasse la limite supérieure Ri ₀ +r (Rio est la pseudo-résistance de consigne) et,

- si la pente de la pseudo-résistance P est supérieure à une pente de consigne Po .

En revanche, si la pente P reste inférieure à l-a pente de consigne P ₀ , témoin d'une concentration suffisante en alumine du bain, on conserve le régime de sous-alimentation du bain, mais on donne si nécessaire un ordre de descente du cadre anodique ou « serrage » pour réduire la distance anode-métal (DAM) et ramener ainsi Ri dans la plage de consigne Ri ₀ +ou- r .

Enfin, partant de la phase de suralimentation de durée T, on passe dans une phase de sous-alimentation au terme de cette durée T. Si Ri est devenue inférieure à la limite inférieure Rio-r de la plage de consigne, on donne un ordre de montée du cadre anodique ou de « desserrage » pour augmenter la DAM et ramener Ri dans la plage de consigne Rio+ou-r. On recommence alors un nouveau cycle.

On a donc une alternance de phases de sous-alimentation et de suralimentation caractérisées par des fréquences d'alimentation spécifiques en alumine du bain. Un cycle correspond alors à une phase de sous-alimentation suivie d'une phase de suralimentation.

Ce mode de régulation permet donc de maintenir la concentration en alumine du bain dans une plage étroite et faible et ainsi obtenir des rendements Faraday de l'ordre de 95% avec des bains acides, en réduisant simultanément et de façon notable la quantité (ou fréquence) des effets d'anode sur les cuves que l'on décompte en nombre d'effets d'anode par cuve et par jour (EA/cuve/j our) sous l'appellation « taux d'effet d'anode ».

Cependant, selon le procédé décrit précédemment, la durée de la phase de suralimentation est fixe et fait partie des paramètres de marche au même titre que la valeur de la pente de la tension qui déclenche le passage en suralimentation. A l'inverse, la durée de la phase de sous-alimentation est variable car elle est conditionnée par le temps que met la pente à atteindre sa valeur de consigne. La durée moyenne d'un cycle est comprise entre 45 minutes 75 minutes. Il importe en effet d'assurer une amplitude de variation de la concentration en alumine suffisamment importante pour que la variation de la pente puisse être distinguée des variations occasionnées par le bruit de mesure de ces paramètres. Dans la pratique, cette amplitude est de l'ordre de quelques dixièmes de pourcent .

Par ailleurs, le calcul de la pente n'est pas effectué lors du passage de la phase de suralimentation à la phase de sous-alimentation. Et cela du fait qu'en fin de la phase de suralimentation, la concentration en -alumine est relativement élevée ce qui implique de faibles variations de la pente que l'on ne distingue pas clairement du bruit de mesure.

Par voie de conséquence, le dispositif de régulation de la cuve d' électrolyse n'est actif qu'en phase de sous- alimentation, soit sur la moitié du cycle.

Un autre inconvénient du procédé décrit précédemment est l'incertitude sur la valeur optimale à choisir pour la pente de consigne P ₀ déclenchant le passage en suralimentation. Cette incertitude résulte des variations de la pente non directement corrélées avec le cycle d' alimentation et qui sont d'origines multiples comme :

- les variations de la vitesse d'usure des anodes et de la vitesse de montée de la nappe de métal qui affectent de manière non contrôlée la vitesse d'évolution de l'épaisseur de la lame de bain confinée entre les anodes et le métal, donc de la résistance électrique et par conséquent la valeur de la pente ;

les variations du rendement d' électrolyse, les apports parasites en alumine et les déficits d'alimentation occasionnés par une fusion incomplète affectent de manière non contrôlée la vitesse d'évolution de la pseudo ^¬ résistance et par conséquent la valeur de la pente.

Un autre inconvénient encore du procédé décrit précédemment est ^' que le dispositif de régulation n'utilise qu'une seule mesure de la pente, à savoir celle calculée dans les instants précédant le déclenchement de la suralimentation. Il est donc difficile d'estimer précisément la fiabilité de la mesure et donc d'optimiser l'amplitude des actions correctives en conséquence.

Le but de la présente invention est de proposer un procédé de pilotage d'une cuve d' électrolyse permettant de limiter l'amplitude des variations de la concentration en alumine, tout en assurant une qualité de mesure de la pente suffisante pour opérer un pilotage fin et permettre de détecter rapidement un dysfonctionnement de la cuve.

L'invention a donc pour objet un procédé de pilotage d'une' cuve d' électrolyse de l'aluminium de façon à déclencher une action corrective des paramètres de marche en cas de dysfonctionnement de ladite cuve, caractérisé en ce que :

- on impose à ladite cuve une durée de cycle comprise entre 5 minutes et 15 minutes,

- on réalise une étape de mesure permanente de la tension électrique aux bornes de la cuve de façon à obtenir des valeurs de tension sur au moins 4 cycles,

- on réalise, à l'aide des valeurs de tension électrique obtenues à l'étape de mesure, une étape de calcul de la pente de ladite tension de façon à obtenir des valeurs de pente,

- on effectue un traitement statistique sur les valeurs de pente de façon à obtenir une amplitude des variations de pente, et

- on réalise une étape de correction des paramètres de marche de ladite cuve en fonction de l'amplitude des variations de pente obtenues à l'étape de traitement statistique en modifiant au moins un paramètre de marche.

Selon une autre caractéristique du procédé selon l'invention, le traitement statistique correspond à une analyse fréquentielle par transformée de Fourier rapide à fenêtre glissante.

Selon encore une autre caractéristique du procédé selon l'invention, les paramètres de marche comprennent :

T

- la durée de la phase de sous-alimentation ( ¹ ) ,

- la durée de la phase de suralimentation ( T ² ) ,

- la fréquence des alimentations en alumine en phase de sous-alimentation (f) , et - la fréquence des alimentations en alumine en phase de f

suralimentation ( ² ) .

Avantageusement, l'étape de correction consiste à

T

augmenter ou diminuer la durée ¹ .

Avantageusement, l'étape de correction consiste à augmenter ou diminuer la durée T ₂ .

Avantageusement, l'étape de correction consiste à augmenter ou diminuer la fréquence fi.

Avantageusement, l'étape de correction consiste à augmenter ou diminuer la fréquence f ₂ .

Un avantage de la présente invention réside dans la maîtrise très fine des paramètres de marche de la cuve d' électrolyse .

Un autre avantage de la présente invention réside dans la détection rapide de dysfonctionnements de la cuve d' électrolyse .

Un autre avantage encore de la présente invention réside dans le déclenchement rapide d' une étape de correction des paramètres de marche de la cuve d' électrolyse suite à un dysfonctionnement de ladite cuve.

Un autre avantage réside dans la diminution du risque d'effet d'anode.

Un autre avantage encore réside dans la possibilité d'adapter la sensibilité du dispositif au rapport entre signal utile et bruit.

Un autre avantage encore réside dans la possibilité de calculer en permanence la valeur moyenne de la pente, laquelle donne une indication sur la différence de vitesse entre l'usure des anodes et la croissance de la nappe de métal .

D'autres caractéristiques, avantages et détails de l'invention seront mieux compris à la lecture du complément de description qui va suivre de modes de réalisation donnés à titre d'exemple en relation avec des dessins sur lesquels :

la figure 1 représente la relation entre la concentration en alumine du bain et la tension aux bornes de la cuve d' électrolyse, - la figure 2 représente l'évolution de la tension et de la concentration en alumine d'une cuve d' électrolyse,

- la figure 3a représente les variations de la pente dans le temps et l'amplitude de ces variations,

- la figure 3b représente une autre modélisation des variations de la pente dans le temps et l'amplitude de ces variations ,

la figure 4 représente la corrélation entre la concentration en alumine et l'amplitude de variation de la pente, et

- la figure 5 représente la relation entre le temps de dissolution de l'alumine et le décalage entre changement de rythme d'alimentation et passage par zéro de la valeur de la pente .

Le procédé décrit ci-après consiste notamment à imposer à la cuve d' électrolyse un cycle de marche particulier. Ainsi, lors de chaque cycle, on calcule en permanence la pente de la tension mesurée aux bornes de la cuve d' électrolyse de façon à obtenir des valeurs de pente dite normale. A partir de ces valeurs dites de fonctionnement normal de la cuve, on décide d'une action corrective des paramètres de marche de la cuve d' électrolyse en cas de dysfonctionnement de ladite cuve.

Dans le cadre de la présente invention, un cycle correspond à un état de sous-alimentation suivi d'un état de suralimentation en alumine de la cuve. Lors du fonctionnement normal d'une cuve d' électrolyse, les cycles se répètent en permanence.

Un état de sous-alimentation de la cuve est caractérisé par sa durée (T _t ) et par sa fréquence d' alimentation en alumine (f _j ) . De la même manière, un état de suralimentation de la cuve est caractérisé par sa durée (T ₂ ) et par sa fréquence d'alimentation en alumine ^) · Et, dans le cadre de la présente invention, les paramètres de marche de la cuve sont notamment représentés par _lr T ₂ , f _j et f ₂ .

Dans le cadre de la présente invention, la tension électrique (U) aux bornes de la cuve est mesurée selon des techniques bien connues de l'Homme du Métier. Il en est de même pour le calcul de la pente (p) de ladite tension. Il est connu de l'Homme du métier que la concentration en alumine (c) dans le bain d' électrolyse affecte la tension aux bornes de la cuve, et donc la pente de ladite tension. La relation entre ces paramètres est illustrée sur la figure 1. Sur cette figure, on a représenté une zone de fonctionnement normal d'une cuve d' électrolyse pour laquelle la concentration (c) en alumine du bain d' électrolyte est comprise entre 1,2% et 2,5% environ.

Selon l'invention, la durée d'un cycle est comprise entre 5 minutes et 15 minutes au lieu de 45 minutes à 75 minutes pour les procédés existants. Ainsi, les variations de la concentration en alumine sont réduites et sont de l'ordre de quelques centièmes de pourcent d'alumine.

Il en résulte que les variations de pente sont plus faibles et donc que le rapport entre le signal de pente et le bruit de mesure est fortement dégradé par rapport aux mesures effectuées avec les dispositifs existants.

Cet inconvénient est compensé en multipliant le nombre de mesures de pente exploitables. De plus, la durée des phases de suralimentation et de sous-alimentation est courte et on calcule la pente non pas seulement en phase de sous- alimentation mais pendant toute la durée du cycle. Ce qui permet en soi de multiplier par deux le nombre d'observations par cycle par rapport aux procédés existants.

Ainsi, pour une durée de cycle égale à 10 minutes, le nombre de mesures de pente est de 12 par heure, au lieu de 0,8 à 1,3 par heure selon les procédés existants.

Cela est rendu possible car le rythme moyen d'alimentation en alumine est choisi égal à la vitesse théorique de consommation en alumine par le processus d' électrolyse . La concentration en alumine varie donc dans une plage de valeurs très étroite et est proche de sa valeur nominale durant tout le cycle. Cela réduit également de façon très significative le risque d'effet d'anode.

De plus, dans les procédés existants, on ne tient compte, pour déclencher une action éventuelle, que de la pente calculée lors du dernier passage en suralimentation alors que dans le procédé selon l'invention, on agit sur la base d'un nombre important de pentes calculées. Cela est pertinent car la concentration en alumine varie peu, et cela permet d'effectuer un traitement statistique des pentes calculées.

En effet, le rythme des alternances de cadence d'alimentation étant fixe pendant l'étape de mesure, la fréquence des pics correspondant aux passages d'un état de sous-alimentation à un état de suralimentation, et inversement, est parfaitement identifiée. Il est donc possible d' isoler efficacement du bruit de mesure le signal «pente», en utilisant la « signature » constituée par la fréquence de ce dernier. Et on procède à une analyse fréquentielle par un traitement statistique (du type transformée de Fourier à fenêtre glissante par exemple) pour quantifier avec une précision optimale la corrélation entre cadences d'alimentation et variations de la tension.

C'est sur la base des mesures répétées, ainsi accumulées et traitées statistiquement, et non sur la base d'une seule mesure, qu'une décision éventuelle de correction des paramètres de marche est décidée. On compense ainsi, et au- delà, l' inconvénient associé à la faible amplitude du signal évoqué précédemment.

De plus, il est possible d'ajuster en temps réel la sensibilité du procédé de mesure de la pente en fonction de l'amplitude du signal, de manière à assurer en toutes circonstances un rapport signal sur bruit de mesure suffisamment élevé.

Enfin, comme on procède, pour chaque épisode de changement de fréquence, à plusieurs évaluations de la rupture de pente, on peut évaluer la fiabilité de sa valeur estimée à partir de la dispersion des valeurs calculées. Il est ainsi possible de calibrer l'intensité des actions correctives en conséquence :

- plus énergiques si la dispersion est faible pour une meilleure réactivité,

- plus limitées si la dispersion est forte pour éviter les risques de sur-réagir.

Pour mieux illustrer le procédé selon l'invention, celui- ci va être maintenant être décrit de façon plus détaillée. En fonctionnement normal d'une cuve d' électrolyse, des paramètres de marche de la cuve d' électrolyse peuvent être cités dont notamment : ^

- la durée de la phase de sous-alimentation (T^),

- la durée de la phase de suralimentation (T ₂ ) ,

- la fréquence d'alimentation en alumine en phase de sous-alimentation {f _\ ) , et

fréquence d' alimentation en alumine en phase de suralimentation {f ₂ ) .

Ainsi, lors d'un fonctionnement en régime dit normal de la cuve d' électrolyse lors duquel la concentration en alumine est maintenue constante, les quatre paramètres de marche précédents sont liés par une relation qui exprime la neutralité du « bilan alumine ». Cette neutralité s'exprime comme suit :

où,

q représente la quantité d' alumine introduite à chaque alimentation,

r représente la quantité d'alumine consommée par

1' électrolyse par unité de temps,

7 ^* _! représente la durée de la phase de sous-alimentation,

Γ ₂ représente la durée de la phase de suralimentation, f _t représente la fréquence d'alimentation en alumine en phase de sous-alimentation, et

f ₂ représente la fréquence d'alimentation en alumine en phase de suralimentation.

Comme il faut 6 électrons pour consommer une molécule d'alumine, r est lié à l'intensité I du courant et au rendement d' électrolyse F (« rendement Faraday ») par la formule :

FI

r = ^ X Malumiixe ( ² )

OÙ,

représente la quantité d' alumine consommée- par 1' électrolyse par unité de temps, F représente le rendement d' électrolyse ou rendement

Faraday,

I représente l'intensité,

représente la constante de Faraday, et

^ _a lumin _e représente la masse molaire de l'alumine.

Ainsi, en remplaçant et M _a | _mralne par leurs valeurs numériques (à savoir, respectivement 96 485,3329 s A/mol et 101,96 g/mol), on obtient : r = 1,761 X 1G ^"7 FI (3)

Ainsi, les 4 paramètres du dispositif de régulation sont liés par la relation : ί,Τ, + f, T, 1,761 X 10 ^"7 FI

— — = · (4)

Le ratio ^f l ^T l+ ^f 2 ^T 2 n'est autre que la fréquence moyenne

¾ +T ₂

d'alimentation, pondérée par les durées respectives T _t et T ₂ . Ainsi, on peut avantageusement caractériser la cuve d' électrolyse par les trois paramètres suivants :

- T = T ₂ qui représente la durée du cycle complet, fi qui représente la fréquence d'alimentation en alumine en phase de sous-alimentation

f ₂ qui représente la fréquence d'alimentation en alumine en phase de suralimentation

Le choix optimal de la valeur de T résulte d'un compromis :

- plus T est petit par rapport notamment au temps de dissolution de l'alumine, plus la plage de variation de la teneur en alumine est étroite, et inversement

- plus T est petit, plus le temps de réponse du dispositif de régulation est faible à nombre de cycles donné, et inversement

- plus T est grand, plus la sensibilité du dispositif de mesure de la tension et donc du calcul de la pente est élevée.

Concernant les fréquences d'alimentation, on a intérêt à choisir des valeurs de /j et f ₂ aussi éloignées l'une de l'autre que possible {f _t basse, / ₂ élevée) car cela tend à augmenter la sensibilité du dispositif de mesure.

La valeur de f ₂ est limitée vers le haut par la capacité de la cuve d' électrolyse à absorber une grande quantité d'alumine en un temps réduit sans embourber la sole cathodique .

Concernant la valeur de f _lr une configuration particulière correspond à _j = 0 . Cela revient à alterner des phases de suralimentation avec des phases sans aucune alimentation .

Ainsi, lors d'un dysfonctionnement de la cuve d' électrolyse, une action corrective est déclenchée notamment pour ramener la concentration en alumine à sa valeur de consigne.

L'action corrective consiste également à ajuster les paramètres de marche de façon à ajuster la sensibilité du dispositif de mesure.

Pour cela, on peut jouer sur l'un ou plusieurs des quatre paramètres de marche.

De même qu'en régime normal, et, selon l'évolution que l'on souhaite imprimer à la concentration en alumine, les paramètres de marche sont liés par la relation suivante : )

où,

représente la masse du bain d' électrolyse, et

c représente la concentration en alumine du bain d' électrolyse .

Ainsi, une augmentation relative de T _t par rapport à T ₂ a pour effet de faire baisser la concentration en alumine. Une augmentation relative de T ₂ par rapport à T _t a pour effet de faire augmenter la concentration en alumine. Une augmentation de l'une quelconque des fréquences f _j et f ₂ tend à augmenter la concentration en alumine.

Il existe donc plusieurs stratégies possibles de réglage pour faire évoluer la concentration en alumine.

Bien entendu, lors de l'étape de correction des paramètres de marche, l'acquisition des valeurs de pente peut être poursuivie. À ce sujet, on précise que maintenir inchangé le temps de cycle total a pour avantage de permettre de poursuivre l'analyse fréquentielle en toutes circonstances, y compris lorsque l'on passe du régime normal à l'étape de correction des paramètres ou inversement. Ce qui permet d'assurer la continuité de l'historique des données.

Concernant l'acquisition des valeurs de pente, la tension aux bornes de la cuve d' électrolyse et sa dérivée par rapport au temps (ou pente) sont calculées à intervalles d'une seconde, et filtrées à l'aide d'un outil numérique. '

Les valeurs de la dérivée (la « pente ») ainsi obtenues font l'objet d'une analyse fréquentielle par transformée de Fourier rapide à fenêtre glissante de façon à obtenir l'amplitude des variations de pente. La largeur de la fenêtre de temps est choisie égale à un multiple du temps de cycle, pour une identification optimale du pic correspondant à cette période de temps.

La hauteur du pic correspondant à cette période représente l'amplitude des variations de la pente.

La figure 2 donne un exemple d'évolution de la tension et de la concentration en alumine. Ici la concentration en alumine est maintenue à une valeur proche de 1,5%. Le temps de cycle est de 710 s. La tension oscille de ± 1,5 mV autour de sa valeur moyenne.

La figure 3a représente les variations de la pente dans le temps et l'amplitude de ces variations calculée par transformée de Fourier rapide à fenêtre glissante. La largeur de la fenêtre est de 4260 s, correspondant à 6 cycles complets de suralimentation/sous-alimentation de 710 s chacun. L'« amplitude » est définie comme la hauteur du pic de la transformée de Fourier sur cette période, transformée qui est recalculée toutes les 10 secondes.

La figure 4 représente la corrélation entre la concentration en alumine et l'amplitude de variation de la pente pour les valeurs suivantes des paramètres : - Temps de dissolution de l'alumine = 600 s

- T = 710 s

- f ₂ = 0, 083 Hz (une alimentation toutes les 12 s)

- f, = 0

L'inventeur a découvert que l'amplitude des variations de pente, désignée ici par « ampl » suit une relation simple en fonction de la concentration en alumine de la forme : a

ampl = (6}

c— c ₀

où :

a est un terme constant vis-à-vis de c, et dépendant du temps de dissolution et des paramètres retenus pour l'alimentation en alumine,

c _Q représente la concentration en alumine minimale admissible en fonctionnement normal de la cuve d' électrolyse .

De plus, la courbe de variation de la pente telle que présentée sur la figure 3a permet d' estimer avec une bonne précision le temps de dissolution de l'alumine. Pour cela, on observe les intersections de cette courbe avec l'axe des ordonnées, comme indiqué sur la figure 3b.

Les pastilles indiquent les passages par 0 de la valeur de la pente.

On observe ainsi que pour des paramètres de marche donnés, le décalage des pastilles par rapport 'aux changements de rythme d'alimentation est indépendant de la concentration en alumine, et est corrélé avec le temps de dissolution de 1' alumine .

Un exemple de la relation entre le temps de dissolution de l'alumine et le décalage entre changement de rythme d'alimentation et passage par 0 de la valeur de la pente est donné sur la figure 5. En-deçà d'une certaine valeur du temps de dissolution, la relation est significative. Cette valeur est fonction de la durée totale du cycle.

Pour des paramètres de marche donnés, l'écart entre les deux courbes est le même pour toutes les valeurs du temps de dissolution. Il est nul si la fréquence d'alimentation en phase de sous-alimentation est égale à zéro. Comme démontré précédemment, pour des paramètres de marche et des temps de dissolution de l'alumine donnés, l'amplitude des variations de pente ne dépend que de la concentration en alumine. On peut donc utiliser cette information pour identifier une dérive éventuelle par rapport au fonctionnement normal de la cuve d' électrolyse et déclencher une action corrective.

Ainsi, si l'amplitude des variations de pente augmente par rapport à l'amplitude nominale, indice d'un appauvrissement en alumine, on provoque une augmentation de la concentration en alumine, par exemple en augmentant l'une ou l'autre des fréquences d'alimentation en alumine ou en réduisant la durée relative des phases de sous-alimentation.

On procède inversement si l'amplitude des variations de pente diminue par rapport à l'amplitude nominale, indice d'un enrichissement en alumine.

Dans la pratique, on adoptera une concentration en alumine inférieure à la valeur correspondant au minimum de la courbe (3% environ) . Si la concentration en alumine dépasse cette valeur, le dispositif selon l'invention le détectera en constatant que le rythme d'alimentation et la tension oscillent en phase et non en opposition de phase comme c'est le cas dans la zone de fonctionnement visée. On provoquera donc un appauvrissement en alumine du bain par un ajustement adéquat des paramètres de marche.

Une bonne pratique consiste à maintenir constante la durée totale du cycle suralimentation/sous-alimentation de façon à assurer la continuité du traitement en fréquence du signal. L'acquisition et le traitement des données se poursuivent donc lors de l'étape de correction. Il est ainsi possible d'ajuster la correction des paramètres de marche sans attendre que l'action corrective .initialement décidée ait été menée à son terme.

Comme on le constate sur la figure 4, l'amplitude du signal de pente baisse lorsque la concentration augmente. Ainsi, la sensibilité du dispositif de mesure est d'autant plus élevée que la teneur en alumine est faible.

Si l'amplitude est trop faible pour pouvoir être distinguée clairement du bruit de mesure, et nonobstant l'avantage de conserver constante la durée du cycle, on peut augmenter la sensibilité du dispositif de mesure en augmentant cette durée. Cela est sans inconvénient du point de vue du risque de déclencher un effet d'anode, puisque l'on se situe à bonne distance de la zone critique de teneur en alumine .

A contrario, lorsque la concentration en alumine diminue, on peut se permettre de réduire la sensibilité du dispositif en diminuant la durée du cycle, puisque l'amplitude des variations de pente augmente. Cela permet de maintenir les variations de concentration en alumine dans une plage étroite, donc de limiter le risque d'effet d'anode.

Ainsi, la sensibilité du dispositif de mesure peut être optimisée à tout moment et en temps réel.

Par ailleurs, si l'on juge insuffisante la précision de l'estimation du temps de dissolution de l'alumine selon la méthode exposée précédemment, on peut augmenter temporairement la durée totale du cycle de manière à améliorer cette précision, quitte à l'abaisser ensuite lorsque l'estimation est réalisée.

Le procédé décrit précédemment suppose implicitement que seules les variations du rythme d' alimentation en alumine ont un impact sur la pente de la tension. En réalité, ce n'est pas le cas. En effet, entre deux ajustements du plan anodique, la distance interpolaire subit une variation régulière, égale à la différence de vitesse entre la montée de ,1a nappe de métal et l'usure des anodes, comme il a été exposé à propos des inconvénients des procédés existants. Par ailleurs, comme il a été également exposé, les variations du rendement d ' électrolyse d'une part, les apports et déficits incontrôlés, d'alumine d'autre part, affectent de manière non contrôlée la vitesse d'évolution de la pseudo-résistance, et donc également la pente.

Le dispositif de mesure et de traitement statistique des valeurs de pente, ci-dessus exposé, s'affranchit de cet inconvénient puisqu'il utilise comme variable d'observation, non la valeur absolue de la pente, mais l'amplitude de ses variations à court terme. On peut, du reste, utiliser le dispositif de mesure pour calculer la pente moyenne.

L'évaluation du temps de dissolution de l'alumine sera dans ce cas réalisée à partir des croisements de la courbe de pente, non pas avec l'axe des ordonnées, mais avec la droite d'ordonnée égale à la pente moyenne.

Par ailleurs, la concentration étant estimée plusieurs fois pour un même épisode de changement de fréquence d'alimentation (une fois pour chaque déplacement de la fenêtre glissante) , on peut estimer la fiabilité de sa valeur estimée à partir de la dispersion observée sur les valeurs individuelles, et ajuster en conséquence l'intensité des actions correctives.

La description qui suit concerne des exemples particuliers d'application du procédé selon l'invention.

Les exemples qui suivent sont relatifs à une cuve de 300 kA, la masse du bain est de 8000 kg et la masse des doses d'alumine introduites à chaque alimentation est de 1 kg. Le rendement Faraday normal de la cuve est de 0,96 et l'amplitude du bruit de mesure de la tension est de +/- 10 mV. On cherche à maintenir la teneur en alumine aussi proche que possible de 1,5%.

Lors du fonctionnement normal de la cuve d' électrolyse, les paramètres sont les suivants :

- cadence d'alimentation rapide : .12 s, soit f ₂ = 0,083

Hz,

- cadence d'alimentation lente : pas d'alimentation, soit fi = 0,

- durée de la phase de sous-alimentation : T _t = 290 s, et

- durée de la phase de suralimentation : T ₂ = 420 s

On vérifie d'abord que la cadence d'alimentation et la tension varient en opposition de phase, signe que la concentration est inférieure à la valeur correspondant au minimum de la courbe concentration-tension (portion gauche de la courbe) , et que donc le dispositif de régulation peut s'appliquer.

Le décalage dans le temps entre le changement de cadence et le passage de la pente par sa valeur moyenne est en moyenne de 200 s dans un sens comme dans l'autre, ce qui dénote un temps de dissolution de l'alumine de 600 s.

On calcule l'amplitude de la pente par transformée de Fourier rapide à fenêtre glissante, la largeur de la fenêtre étant choisie égale à 12 fois la durée du cycle, soit 8520 s. Dans ce cas, on s'intéresse à la fréquence 12. On effectue ce calcul de la transformée de Fourier tous les 6 cycles, donc toutes les 4260 s.

On opère le même calcul à horizon de temps plus court afin de détecter rapidement des évolutions éventuelles. Pour cela, on retient une fenêtre de temps de 2810 s, correspondant à 4 fois la durée du cycle. Dans ce cas on s'intéresse à la fréquence 4. On effectue ce calcul de la transformée de Fourier « court terme » toutes les 200 secondes .

La hauteur du pic moyen, aux fréquences observées qui correspondent toutes deux à une période de 710 s, soit la durée du cycle, est d'environ l,2xl0 ^~5 V/s (12 microvolts par seconde) dans l'un et l'autre cas.

Connaissant le temps de dissolution de l'alumine, on en déduit que la teneur en alumine est de 1,5 % environ.

Exemple 1 : Correction d'un dysfonctionnement suite à une augmentation de l'intensité.

L' intensité passe de 300 à 312 kA, soit une augmentation de 4%. Il en résulte une augmentation de la consommation d'alumine, et donc une diminution de sa concentration. La valeur de la pente moyenne augmente immédiatement de 0,3xl0 ^~5 V/s (3 microvolts par seconde) , traduisant une diminution régulière de la concentration en alumine. En un peu moins de 2 heures, la hauteur du pic moyen correspondant à 710 s passe de l,2xl0 ^~5 à 2,lxl0 ^~5 V/s, soit une augmentation de 70%. Cela indique une nouvelle teneur en alumine de 1,3 %.

L'écart-type sur la hauteur du pic correspondant à 710 s, obtenu sur 4 mesures successives correspondant à 4 déplacements de la fenêtre glissante, est de 0,lxl0 ^~5 V/s. L'écart-type est donc faible par rapport à sa valeur moyenne ce qui montre que la fiabilité des mesures est bonne.

Pour revenir à la concentration en alumine normale de 1,5%, on augmente la fréquence f ₂ d'alimentation rapide sans toucher à la durée totale du cycle afin d'assurer la continuité des calculs de transformée de Fourier : l'intervalle entre deux alimentations passe donc de 12 à Ils.

De ce fait, la valeur de la pente moyenne diminue immédiatement de 0,6xl0 ^~5 V/s (6 microvolts par seconde), traduisant une augmentation régulière de la concentration en alumine .

En 1 h 15 environ, la hauteur moyenne du pic correspondant à 710 s passe de 2,lxl0 ^~5 à l,2xl0 ^~5 V/s, soit une diminution de 40%. Cela indique un retour de la teneur en alumine à 1,5 % .

Du fait de la bonne fiabilité des mesures, on a appliqué une correction relativement énergique de manière à assurer un retour à la normale dans un temps relativement court.

Mais, l'intensité est toujours de 312 kA et pour maintenir la teneur en alumine à ce niveau malgré un rythme de consommation plus élevé que dans la configuration initiale :

- on ramène à 12 s l'intervalle entre deux alimentations en phase de suralimentation,

- on passe la durée de la phase de suralimentation T ₂ à

440 s, et

- on passe la durée de la phase de sous-alimentation T à 280 s.

La hauteur moyenne du pic correspondant à 720 s est de l,2xl0 ^~5 V/s environ, indiquant une concentration maintenue à 1,5%.

Exemple 2 : Correction d'une dérive suite à une baisse du rendement d' électrolyse, avec ajustement de la sensibilité du dispositif de régulation.

L'intensité est revenue à 300 kA. On a ramené les réglages à leurs valeurs initiales.

Le rendement d' électrolyse chute à 0,90. La cuve produit moins d'aluminium et donc consomme moins d'alumine, et la concentration en alumine augmente. En un peu moins de 3 heures, la hauteur du pic correspondant à la fréquence 710 s descend à Ο,βχΙΟ ^-5 V/s environ, indiquant une augmentation de la concentration à 2% environ.

L'écart-type sur la hauteur du pic correspondant à 710 s, obtenu sur 4 mesures successives correspondant à 4 déplacements de la fenêtre glissante, est toujours de 0,1x10 ^{" 5} V/s . L'écart-type est donc relativement plus important que précédemment en regard de sa valeur moyenne. Cela démontre que la fiabilité des mesures est moyenne.

On allonge la durée du cycle pour augmenter la sensibilité du dispositif de mesure, et de plus on augmente la durée relative de la phase de sous-alimentation pour faire baisser la concentration en alumine. Les fréquences d'alimentation en alumine restent quant à elles inchangées. On a donc :

- la durée de la phase de suralimentation T ₂ passe à 470 s , et

- la durée de la phase de sous-alimentation T _± passe à 480 s.

La pente moyenne augmente immédiatement de 0,3xl0 ^~5 V/s, traduisant une diminution régulière de la concentration en alumine .

La hauteur du pic correspondant à la fréquence 950 s (durée totale du nouveau cycle) est de l,2xl0 ^~5 V/s environ, contre 0,6xl0 ^~5 V/s auparavant : donc on a augmenté la sensibilité du dispositif. En 2 h environ, cette hauteur augmente jusqu'à 2,lxl0 ^"5 V/s, indiquant que la concentration en alumine est revenue à 1,5%.

Du fait de la fiabilité moyenne des mesures, et pour éviter le risque de sur-réagir, on a appliqué une correction relativement modérée, assurant un retour à la normale dans un temps plus long que précédemment.

On revient alors au réglage normal des paramètres. Si le rendement d' électrolyse a retrouvé sa valeur normale, la teneur en alumine restera constante ; si le rendement reste dégradé, la teneur en alumine augmentera à nouveau et on l'ajustera en renouvelant l'opération.