DE1260156B - Verfahren zur Aufrechterhaltung des Tonerdegehaltes bei der Schmelzflusselektrolyse zur Aluminiumgewinnung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Int. Cl.:

C22d

DEUTSCHES

PATENTAMT Deutsche Kl.: 40 c-3/12

AUSLEGESCHRIFT

1460156 Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1260156
P 35874 VI a/40 c
14. Januar 1965
1. Februar 1968

In der Aluminiumindustrie zur Gewinnung von Aluminium durch Schmelzflußelektrolyse von in Kryolith gelöstem Aluminiumoxyd ist der sogenannte Anodeneffekt oder das Funken der Zelle nur zu gut bekannt. Einerseits ist es für einen einwandfreien Betrieb der Zellen erforderlich, das Funken von Zeit zu Zeit zuzulassen, andererseits ist man jedoch bestrebt, den Anodeneffekt in den einzelnen Zellen soweit als möglich auszuschalten, da dieser immer mit einer Störung des elektrischen Systems der gesamten anderen in Serie geschalteten Zellen einer Zelleneinheit verbunden ist. Es sind schon verschiedene Versuche unternommen worden, um den Anodeneffekt zu unterdrücken oder zumindest so in die Hand zu bekommen, daß rechtzeitig vor Einsetzen des Anodeneffekts ein Chargieren der Zellen mit Tonerde ermöglicht wird. Die Verhältnisse in Industriezellen hinsichtlich der Tonerdeabnahme im Elektrolyt und des Anstiegs des Innenwiderstands der Zelle in Abhängigkeit von der Tonerdekonzentration sind bekannt. Ebenso sind die Einflüsse der Änderung des Elektrodenabstands einerseits infolge Ansteigens des Metallspiegels auf der Bodenelektrode und andererseits infolge Anodenabbrandes bekannt. Die Diagramme, in welchen die Zellenspannung gegen die Zeit aufgetragen werden, mit den einzelnen Abschnitten bei konstanter Arbeitsweise der Zellen, bei allmählichem Anstieg des Zellenwiderstands und schließlich raschem Anstieg bei Annäherung an den Zeitpunkt des Anodeneffekts sind dem einschlägigen Fachmann auch bekannt.

Um den Anodeneffekt in großindustriellen Aluminiumgewinnungsanlagen in die Hand zu bekommen, wurde die Brauchbarkeit der Gegen-EMK a als Regelgröße untersucht. Es gelingt jedoch damit keineswegs, die anderen auf den Betriebszustand der Zellen einwirkenden Faktoren so auszuschalten, daß damit eine automatische Regelung mit zeitgerechter Chargierung von Tonerde möglich wäre. Aus dem gleichen Grund eignet sich auch die Klemmenspannung der Zellen nicht als Regelgröße.

Es konnte festgestellt werden, daß der Innenwiderstand einer Zelle Schwankungen mit beträchtlicher Amplitude unterworfen sein kann. Es tritt einerseits eine dauernde Fluktuation mit einer Zeit von ungefähr 1 Sekunde mit einer Amplitude von ungefähr 1 μΩ auf. Sie stammen aus der Elektrolyse selbst, möglicherweise eine dabei auftretende Gasentwicklung. Darüber hinaus treten auch noch viel langsamere Fluktuationen auf, die sich mit einer Amplitude bis ungefähr 5 μΩ über ungefähr 1 Minute erstrecken. Diese zweite Fluktuation scheint auf den Bewegungen des Metalls zu beruhen, die ihrerseits wieder aus einem gestörten Verfahren zur Aufrechterhaltung des
Tonerdegehaltes bei der Schmelzflußelektrolyse
zur Aluminiumgewinnung

Anmelder:

Pechiney, Compagnie de Produits Chimiques
et Electrometallurgiques, Paris

Vertreter:

Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls und
Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann,
Patentanwälte, 8000 München 9, Schweigerstr. 2

Als Erfinder benannt:

Claude Boulanger, Neuilly-sur-Seine, Seine;

Jerome Pellissier-Tanon,

Mourenx, Basses-Pyrenees (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 14. Januar 1964 (960 247)

Gleichgewicht der Stromverteilung herrühren dürften. Diese langsame Fluktuation ist von um so größerer Bedeutung, je leistungsfähiger die Elektrolysezelle selbst ist. Sie scheinen bei Blockanoden geringer zu sein als bei Soederberg-Anoden.

Die schnellen Änderungen des Innenwiderstands der Zellen bereiten bei einer automatischen Regelung große Schwierigkeiten. Es muß also angestrebt werden, diese Fluktuationen des Innenwiderstands aus der Messung auszuschalten. Erst dann ist eine sichere automatische Regelung gewährleistet. Dies ist auch letztlich der Grund, warum das erfindungsgemäße Verfahren als Regelgröße nicht den momentanen Innenwiderstand R, sondern den Mittelwert des Innenwiderstands [R] über eine längere Zeit verwertet.

Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Aufrechterhaltung eines gewünschten Tonerdegehaltes bei einer Schmelzflußelektrolyse zur Gewinnung von Aluminium mit Voranzeige des Anodeneffekts und ist dadurch gekennzeichnet, daß man den Mittelwert des Innenwiderstands [R] durch Messung des Spannungsabfalls U und der Stromstärke 7, wobei U die Klemmenspannung V minus die konstant angenommen Gegen-EMK α ist, über eine Zeit zwischen 1 Sekunde

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und 10 Minuten bestimmt, die Anoden auf diesen Erregerwicklung 13 des magnetischen !Comparators 12» Mittelwert nachstellt und Aluminiumoxyd dann char- und zwar über einen Widerstand 16. Die erste Erregergiert, wenn dieser Mittelwert durch gleichmäßigen wicklung 13 wird von einem Strom der Stärke i durch-Anstieg vor Erreichen des Anodeneffekts einen Schwell- flössen; i ist proportional zu /, also dem durch die Zelle wert erreicht hat. 5 fließenden Strom. Es gilt also die Beziehung i = A · I. Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs- Die zweite Erregerwicklung 14 des !Comparators 12 gemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen ist über den ersten Regelwiderstand 19 mit einem Phasenkomparator mit sättigungsfähigem Magnet- Widerstand r mit einer Spannung versorgt, indem eine kreis und vier Wicklungen, wobei die erste Wicklung Stromquelle 18 der Spannung α gegengeschaltet ist der über einen Widerstand an einen Schütz geschaltet ist io Spannung V innerhalb der zu regelnden Zelle 2. Die und von dem Strom /durchflossen wird, die zweite Erregerwicklung 14 wird also von einem Strom /durchWicklung einem Stromkreis angehört, welcher einen flössen, so daß die Beziehung ersten Regelwiderstand, einen Gleichstromgenerator

für die Lieferung der Gegen-EMK α und die zu regelnde j —

Zelle umfaßt, wobei Zelle und Generator gegenein- 15 r

andergeschaltet sind, die dritte Wicklung an einen besteht.

Wechselstromgenerator mit der Frequenz / Hz ange- Der sättigungsfähige Magnetkreis 17 des Kompara-

schlossen ist und die vierte Wicklung einen Detektor tors 12 weist eine dritte Wicklung 15 auf, die durch den

für Harmonische speist, der Spannung mit einer Fre- Wechselstromgenerator 21 mit irgendeiner Frequenz /

si- η . ,· +3i , —π .., 20 —ζ. B. 400 Hz — versorgt wird. Die vierte Wicklung

quenz / lief ern kann, die um —=— oder —-— gegenüber ■,*■, 1 π ^. ■«/,·* · η ^. ι χ η»

^{H J} ' 2 2 ^{s s} 16 des !Comparators 12 ist gegen einen Detektor 20

dem Wechselstromgenerator phasenverschoben ist; ' für Harmonische geschaltet. Dieser wählt die zweite einen Zweiphasenmotor, in dessen einem Stromkreis Harmonische aus dem Wechselstrom des Generators 21 ein Wechselstromgenerator und in dessen anderem aus und transformiert anschließend den harmonischen Stromkreis über einen Verstärker der Detektor ge- 25 Strom in einen Strom mit sinusförmigem Frequenzschaltet ist, wobei die Welle des Generators den ersten j„ +π , —π ., , Regelwiderstand, einen zweiten Regelwiderstand und ^gang' ^{der nun} ~2~ ^oder ~2~ §^eS^{enuber dem vom} ein Anzeigegerät zum Ablesen des Innenwiderstands R Wechselstromgenerator 21 gelieferten Strom phasenverstellt; eine Schaltung zur Bestimmung des Mittel- verschoben ist.

werts R des Innenwiderstandes R über eine vorge- 30 Der Zweiphasenmotör 23 ist mit seiner Wicklung 24 gebene Zeit einschließlich Vergleich von R gegenüber für die fixe Phase an den Wechselstromgenerator 21 geeinem Bezugswert i?₀, in deren Stromkreis sich der schaltet und mit seiner Wicklung 25 für die Steuerzweite Regelwiderstand, ein Gleichstromgenerator, phase über den Verstärker 22 an den Ausgang des eine integrierende Schaltung und eine Komparator- Detektors 20 gebunden. Dieser Motor verstellt den schaltung und schließlich ein Signalgeber für die Be- 35 Schiebekontakt des ersten Regelwiderstandes 19, das tätigung des Anstellmechanismus des Elektroden- direkt abzulesende Anzeigegerät 26, das gegebenensystems der zu regelnden Zellen befindet. falls mit einem Schreiber für den momentanen Innen-

Für die automatische Zellenregelung ist als Bezugs- widerstand versehen ist, und schließlich den Schiebewert die Anodenfläche bzw. deren Abstand von der kontakt des zweiten Regelwiderstandes 27. Bodenelektrode und damit der Zellenwiderstand von 40 Der zweite Regelwiderstand 27 gehört einem Stromausschlaggebender Bedeutung. Die Anodenfläche, also kreis an, der von einem Strom der Stärke /durchflossen die zur Bodenkathode gerichtete Stirnfläche der wird, welcher proportional dem Mittelwert des Innen-Anoden, steht im Zusammenhang mit dem reellen Widerstandes [R] ist. In dem Stromkreis befindet sich Innenwiderstand ρ der Zelle, und zwar durch die noch hintereinandergeschaltet ein Gleichstromgene-Beziehung 45 rator28, eine integrierende Schaltung 29 und eine

V-E Komparatorschaltung 30. Diese vergleicht laufend den

ρ = Mittelwert des Innenwiderstands [R] mit einem Be

zugswert R₀ und gibt über den Signalgeber 31 dann zu

zur Zeit t. V ist die Klemmenspannung der Zelle, E die gegebener Zeit das Signal zum Nachstellen des Gegen-EMK bei der Elektrolyse, / die Stromstärke. 50 Anodensystems der Zelle 2. Auch befindet sich in Für die automatische Regelung nach dem erfin- diesem Stromkreis ein Anzeigegerät 32, gegebenenfalls dungsgemäßen Verfahren ist der tatsächliche Innen- verbunden mit einem Schreiber, an dem die Mittelwiderstand R wichtig. Nimmt man nun eine konstante werte des Innenwiderstands [R] abgelesen werden Gegen-EMK α für die Zellen-Gegen-EMK E, so ergibt können.

sich folgende Abhängigkeit: 55 Über die Klemmen 41, 42, 43, 44 können wahlweise

γ __ nacheinander die Zellen 1, 2, 3 an die Automatik ange-

R = γ— . schaltet werden.

Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver-

Die Erfindung soll nun an Hand eines Schaltschemas fahrens geeignete Vorrichtung hat folgende Funktionsund eines Diagramms der Änderung des Widerstands 60 weise:

über eine gewisse Zeit bei der Elektrolyse näher erläu- Wie bereits erwähnt, werden die erste und zweite

tert werden. Erregerwicklung 13, 14 des Komparators 12 durch

F i g. 1 zeigt das Schaltschema zur Durchführung Ströme der Intensität entsprechend der Funktion des erfindungsgemäßen Verfahrens an drei in Serie ge- i — A · I bzw. schalteten Elektrolysezellen 1, 2, 3, wobei in diesem 65 V — a

Fall die mittlere Zelle 2 automatisch geregelt sein soll. J ~ ~~~J·

Der zu den Zellen in Serie geschaltete und zum
Eichen dienende Nebenschlußwiderstand 11 speist die durchflossen. Unter dem Einfluß der gesamten ein-

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wirkenden Stromstärke führt ein kontinuierliches /₂ ... verglichen werden, die ihrerseits Grenzwerte

Magnetfeld zur Sättigung des Magnetkreises 17 von benachbarter Zonen sind. Man kann so Signale aus-

dem Komparator 12, der ja noch die Wicklungen 15,16 lösen, die eine Funktion des Bereichs sind, über

aufweist, und induziert damit in der Wicklung 16 einen welchem der Mittelwert [R] bestimmt wurde, modulierten Wechselstrom, der außer Grundfrequenz 5 Man bevorzugt jedoch, ein Signal an den Anstell-

die zwei Harmonischen umfaßt. Dieser modulierte mechanismus für das Anodensystem nur in gewissen

Wechselstrom geht zum Detektor 20, der die 2. Harmo- festgesetzten Zeitabständen zu geben. Hierfür dient

nische mit der Frequenz 2/ auswählt und ihn dann in das Zeitrelais 31.

einen phasenverschobenen Wechselstrom mit der Fre- Die Wirkung der erfindungsgemäßen Anodennach-

,.. f . . j +n , — π ίο Stellung wird an dem Diagramm der F i g. 2 näher er-

quenz f transformiert, und zwar ~^~ oder -^- ,.. . .^Ö _TT. · ^ ,· τ ·,. , _A j rr ι *

^M ■' ' 2 2 läutert. Hier ist die Zeit t vor dem Anodeneffekt gegen

phasenverschoben gegenüber dem die Wicklung 15 die Änderung des Mittelwerts des Innenwiderstands durchfließenden Strom, dem Vorzeichen des Magnet- Δ [R] aufgetragen. Diese Änderung des Mittelwerts feldes folgend, welches zur Sättigung des Magnet- des Innenwiderstands zeigt das Anzeige- oder Schreibkreises 17 führt und von welchem die Polarität der 15 gerät 32 an. Die Komparatorschaltung 30 unter-2. Harmonischen abhängt. Dieses Signal durchläuft scheidet bei Δ [R] folgende Zonen: den Verstärker 22 und erregt die Wicklung 25 des

Motors 23, dessen Wicklung 24 von dem Wechsel- Zone Z₀ zwischen den Ordinatenwerten ——- ,

stromgenerator 21 gespeist ist. Der Drehsinn des — x

Motors hängt nun von dem Vorzeichen der Phasenver- 20 ^- _x

Schiebung des Stromes aus dem Detektor 20 ab und Zone Z₊₁ zwischen den Ordinatenwerten ~-j , damit von dem Vorzeichen des Magnetfelds im

Magnetkreis 17, das seinerseits von der relativen Zone Z_, zwischen den Ordinatenwerten ~~? ,

Große der Stromstarken ι und j abhangt. Wenn 1 = j, — 1

so herrscht kein Magnetfeld an dem Detektor 20 liegt _{25 Zone z ober}halb des Ordinatenwertes + 1, nur noch nicht modulierter Strom mit der Frequenz /

an; er speist somit nicht mehr die Wicklung 25; damit Zone Z_₂ unterhalb des Ordinatenwertes — 1.

bleibt der Motor 23 stehen. Es gelten dann folgende

Beziehungen: Durch die Komparatorschaltung 30 werden folgende

y _ _a 30 Befehle gegeben; je nach Lage des Wertes Δ [R] in den

i — j bzw. A-I = , Zonen:

^r Liegt Δ [R] innerhalb Z₀, so erfolgt kein Befehl an

daraus folgt die Anodennachstellvorrichtung.

V — a _„ _. Fällt Δ [R] in die Zone Z-_x, so erfolgt der Befehl

7 "'" ~~ ~ '' ' 35 zum Anheben, also positive Betätigung des Anoden

systems.

In diesem Moment des Gleichgewichts ist der innere Liegt Δ [R] in der Zone Z^₂, so erfolgt ein Befehl

Widerstands der Zelle 2 proportional dem Wider- zum Anheben des Anodensystems, wobei die Anhebung stand r des ersten Regelwiderstandes 19. Im Ungleich- im Falle des Mittelwerts in Zone Z-₂ selbstverständlich gewichtszustand arbeitet der Motor 23 und wirkt da- 40 größer ist als bei Mittelwerten in der Zone Z-_x. mit auf den ersten Regelwiderstand 19 in Richtung auf In völlig analoger Weise erfolgen die Befehle, wenn

die Gleichgewichtslage. Die Motorbewegung ist damit Δ [R] in die Zone Z₊₁ und Z₊₂ fallen, jedoch in entproportional R, dessen Wert auf dem Anzeigegerät 26, gegengesetzter Richtung, also Absenken, gegebenenfalls an dem zugeordneten Schreiber, abge- Durch entsprechende Ausbildung der Komparator-

lesen werden kann. 45 schaltung 30 läßt sich die Breite der Zonen bis zu

Zu dieser Bestimmung des Mittelwertes des Innen- 0,5 μΩ verstellen, also 0,05 V bei 100 000 Amp.; in Widerstandes der Zelle [R] über die gewählte Zeit dient entsprechender Weise sind auch die Nachstellregelder Motor 23 mit seiner Schaltung. Er nimmt den großen beeinflußbar. Ein Regelknopf gestattet darzweiten Regelwiderstand 27, der von dem Generator 28 über hinaus auch noch die Verstellung des Bezugsmit Gleichstrom versorgt wird, mit, und zwar über die 50 wertes jR₀, also die Zonen zusammen zu verschieben, integrierende Schaltung 29; diese kann in einfacher und zwar für jede zu regelnde Zelle. Die automatische Weise aus einem Widerstand-Kapazitäts-System oder Nachstellung selbst erfolgt nur in bestimmten Zeitbesser einer abgeglichenen Brückenschaltung bestehen, abständen, nach F i g. 2 beispielsweise nach 30 Minuderen Zeitrelais auf die Zeit eingestellt wird, über die ten, dies ist durch Pfeile angedeutet, also z. B. alle der Mittelwert des Innenwiderstands [R] bestimmt 55 30 Minuten nachgestellt, endend 15 Minuten vor dem werden soll. Diese integrierende Schaltung kann aus Anodeneffekt. In F i g. 2 zeigt die Kurve A den Anjeden mechanischen oder elektrischen Vorrichtungen stieg der Änderung des Mittelwerts des Innenwider- und Bauteilen bekannter Konstruktionen bestehen. stands Δ [R] vor Eintreten des Anodeneffekts oder des

In dem Stromkreis zur Mittelwertbildung ist die Funkens, wenn keine Nachstellung des Anodenab-Stromstärke J proportional dem Widerstand [R]. In 60 stands oder manuelle Regelung erfolgt. Die Kurve B der Komparatorschaltung 30 wird nun dieser Wert J veranschaulicht die Verhältnisse bei der erfindungsmit der Bezugsgröße J₀ verglichen, die mit der Strom- gemäßen Regelung. 105 Minuten vor Eintreten des stärke / in einem ähnlichen Zusammenhang steht wie Anodeneffekts befindet sich Δ [R] innerhalb der die Bezugsgröße R₀ zum Innenwiderstand R. Der so Zone Z₀. Es erfolgt über die Komparatorschaltung 30 erhaltene Strom gibt über ein Relais Signal an den An- 65 kein Signal. 75 Minuten vor dem Funken der Zelle Stellmechanismus des Anodensystems der Zelle 2. liegt Δ [R] bereits in der Zone Z₊₁; erfindungsgemäß

Die Stromstärke / kann durch das Relais des Korn- wird dieser Wert wieder heruntergedrückt in die parators 30 mit verschiedenen Bezugswerten J₀, J₁, Zone Z₀. Während einer gewissen Zeit — ungefähr

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20 Minuten — verbleibt Δ [R] in der Zone Z₀ und und erfolgt ein Anstieg zwischen zwei Nachstellungen

steigt dann wieder an, bis 45 Minuten vor Eintreten über mehr als eine Zone (etwa 15 Minuten vor dem

des Funkens eine neuerliche automatische Nach- Funken der Zelle), wird die Automatik abgeschaltet

stellung erfolgt. Nach neuerlicher Absenkung von und gleichzeitig die Zelle chargiert. Die Chargierung

Δ [R] in die Zone Z₀ wird der Anstieg des Innenwider- 5 erfolgt auf Grund eines Lichtsignals, welches zu

Stands in der Zelle mit weiterer Annäherung an das diesem Zeitpunkt gegeben wird.

Eintreten des Anodeneffekts schnell steigen. 15 Minu- Nach der Chargierung ist der Innenwiderstand sehr

ten vor Eintreten des Anodeneffekts erreicht Δ [R] stark abgesunken. Man beobachtet einen allmählichen

bereits die Zone Z₊₂, jetzt erfolgt kein Nachstellen parabolischen Anstieg, wobei sich der Innenwider-

mehr, sondern es wird Signal gegeben, um die Zelle io stand nach etwa 15 bis 20 Minuten stabilisiert. Es

mit Tonerde zu chargieren. scheinen dabei zwei Effekte wirksam zu sein. Ein

Während des Betriebes der Zelle — bei Vernach- Teil des chargierten Aluminiumoxyds und der Kruste

lässigung von z. B. Phänomenen, die sich aus der sinken auf den Zellenboden ab und heben damit den

Konzentrationsänderung der Schmelze an gelöstem Metallspiegel an — der Elektrodenabstand wird Aluminiumoxyd ergeben — treten zwei entgegenge- 15 verringert, der Innenwiderstand fällt stark; die Ton-

setzte Effekte auf. Die Höhe der Aluminiumschmelze erde löst sich langsam in dem Elektrolyt —, der

auf der Bodenelektrode nimmt zu, während gleich- Widerstand steigt wieder, dabei kann jedoch auch

zeitig die Anode abbrennt. Beide Effekte verlaufen mit eine gewisse Änderung der Gegen-EMK bei der

ungefähr gleicher Geschwindigkeit. Es genügt also im Elektrolyse stattfinden, die ihrerseits wieder den allgemeinen, für die Aufrechterhaltung des gewünsch- 20 gemessenen Innenwiderstand beeinflußt,

ten Elektrodenabstandes in mäßiger Weise das Anoden- Die Konzentration der Tonerde im Elektrolyt muß

system anzuheben oder abzusenken. Für diese grund- zwischen zwei Grenzwerten gehalten werden. Die

legende Regelung kann kein dauernder Wert ange- untere Grenze wird zweckmäßigerweise etwas über

geben werden, jedoch werden diese Erscheinungen bei der Konzentration gehalten, bei welcher der Anödendem erfindungsgemäßen Verfahren vollständig be- 25 effekt auftritt. Die obere Grenze ist durch die Sättigung

herrscht. des Elektrolyten an Tonerde gegeben. Die Sättigungs-

Verschiedene Arbeiten an den Zellen führen zu konzentration darf nicht überschritten werden, um

einer Störung der Anodenregelung, z. B. Anheben des zu vermeiden, daß Aluminiumoxyd sich aus dem

beweglichen Rahmens, der das Anodensystem trägt, Elektrolyten abscheidet, auf die Bodenelektrode Herausziehen der Anodenbolzen bei Soederberg-Elek- 30 absinkt und dort zu einer Isolierung der Metall-

troden, wobei sich der Innenwiderstand verändert elektrode führt. Auf diese Sättigungskonzentration

(diese Änderung soll so gering wie möglich bleiben, ist selbstverständlich beim Chargieren Rücksicht zu

um ein Ansprechen der Nachstellvorrichtung zu ver- nehmen.

meiden). Es werden zweckmäßigerweise die Bolzen Es ist auch möglich, das erfindungsgemäße Vereiner Anode hintereinander herausgezogen. Ein wei- 35 fahren und die hierfür geeignete Vorrichtung ohne die terer beeinflussender Faktor ist die Tonerdechargie- Regelzone Z₊₂ zu betreiben. Die Nachstellung erfolgt rung. Dadurch tritt eine Veränderung des Elektroden- in diesem Fall, wenn der Ordinatenwert +1 erreicht ist. abstands ein, gefolgt von dem Wirksamwerden der Es zeigte sich, daß bei Zellen mit Soederberg-Regelautomatik und damit Wiederanheben des mobi- Anoden und einer Stromaufnahme von 100 kA len Rahmens. Beim Aluminiumabstich kann eine Ab- 40 ein bis zehn, häufiger ein bis fünf Nachstellvorgänge schaltung der Automatik und eine manuelle Einstel- erforderlich sind. Wenn schon mehr als sechsmal lung des Sollwerts für den Innenwiderstand erforder- nachgestellt wurde, ist die Verzögerung des Anodenlich werden. Die Regelung würde zu träge sein; dieser effekts nur noch gering, und es sollte eigentlich die Schwierigkeit kann schließlich dadurch begegnet wer- Chargierung sofort erfolgen; häufig tritt das Funken den, daß eine weitere Regelzone Z_₃ unterhalb der 45 der Zelle bereits ein, bevor man überhaupt Zeit zum Zone Z_₂ vorgesehen wird, die ein Signal für schnelles Chargieren hat. Die Anzahl der erforderlichen Nach-Anheben gibt. Dieses Signal bewirkt eine größere Stellungen wird stark beeinflußt durch den Elektroden-Nachstellung, als sie für die Zone Z-₂ vorgesehen ist. abbrand und den Anstieg des Metallspiegels. Im Bei der erfindungsgemäß verwendeten Regelvor- allgemeinen stellt man bei Industriezellen drei oder richtung ist der tatsächlich gemessene Zellenwider- 50 viermal nach, dann hat man noch immer eine ausstand abhängig von der Konzentration des Elektro- reichend lange Zeit, z. B. 2 Stunden, für das Charlyten an gelöster Tonerde. Da der Aluminiumoxyd- gieren. Auf diese Weise läßt sich eine gewisse Abgehalt mit fortschreitender Elektrolyse zwischen den Stimmung bei einzelnen Arbeitsperioden an den Chargierungen absinkt, so steigt in gleicher Weise verschiedenen Zellen erreichen, und man muß nicht langsam und stetig der Widerstand. Dies wirkt auf 55 nach fünf oder sechs Nachstellungen bereits ¹J₂ Stunde den Widerstand R und den Mittelwert des Wider- nach Eintreten des Signals für das Chargieren damit Standes [R] ein. Dieser konzentrationsbedingte An- beginnen. Die Anzahl der Nachstellungen hängt stieg des Widerstands wird an der Vorrichtung natürlich auch vom Volumen des Elektrolyten und automatisch korrigiert. Wenn der Tonerdegehalt damit von der Zellengröße ab. Bei Zellen mit Blockauf einen solchen Wert sinkt, daß der Moment der 60 anöden und geringem Elektrolytvolumen kann die Anodenpolarisation — also der Anodeneffekt oder Chargierung bereits nach einmaliger Nachstellung das Funken der Zelle —, mit anderen Worten der erforderlich werden. Bei großen Zellen kann man Zeitpunkt 0 in F i g. 2 schon nahe ist, beobachtet jedoch auch bis zu zehn Nachstellungen abwarten, man einen beschleunigten Anstieg, der noch 2 bis Das erfindungsgemäße Verfahren soll nun an einer Stunden dauern kann. Es wird vorerst nicht der 65 Zellenserie mit ungebrannten Anoden für eine Stromregelbare Bereich überschritten, die Automatik führt aufnahme von jeweils 100 IcA näher erläutert werden, zur Korrektur des Zellenbetriebes. Beschleunigt sich Das Ausmaß der Anodennachstellung wird angegeben jedoch die Änderung des Widerstands zunehmend in der Anzahl der Umdrehungen der Welle, die diese

Nachstellung bewirkt. Jede Umdrehung führt zu einer Anodenverstellung von 0,33 mm verbunden mit einer Spannungsänderung von 0,01 V oder einer Änderung des inneren Widerstandes um 0,1 μΩ. Es ist jedoch auch möglich, die Verstellung des Anodensystems auf die Betätigungszeit des Anstellmotors zu beziehen.

Die Regelautomatik wird nacheinander an die in Serie geschaltete Zelle angeschlossen. Jede Zelle wird dadurch alle 30 Minuten überwacht und geregelt. Die Meßzeit in jeder Zelle beträgt 75 Sekunden. Über diese Zeit wird der Mittelwert bestimmt. Die Nachstellung selbst dauert 10 Sekunden. Das Umschalten von einer Zelle auf die andere über die Klemmen 42, 43, 45 dauert 5 Sekunden. Es ist also die Automatik während 90 Sekunden an eine Zelle angeschlossen. Eine Automatik kann somit für die Überwachung und Regelung von 20 Zellen dienen.

Wird im Beispielsfall die Gegen-EMK α mit 1,6 V angenommen, so erfolgen folgende Regelbefehle:

20 Regelzone Z~₂: zehn Umdrehungen nach oben,

Regelzone Z^₁: zwei Umdrehungen nach oben,
Regelzone Z₀: kein Signal.

Regelzone Z₊₁: zwei Umdrehungen nach unten. _a5 Regelzone Z₊₂: Chargiersignal.

In der ersten Zeit wurde eine einzige Zelle nach der Erfindung geregelt. Nach 4 Monaten betrug die Stromausbeute dieser Zelle 89 °/₀. Eine nur von Hand geregelte Zelle bringt es zu maximal 87,7 °/₀.

Es wurden nun fünf Zellen unter gleichen Bedingungen geregelt, jedoch ohne der Regelzone Z₊₂. Das Chargiersignal erscheint durch ein Zählwerk, sobald fünf Nachstellungen aus der Regelzone Z₊₁ erfolgt sind. Nach 4 Monaten dieser Betriebsweise ergab sich für die Zellenserie eine gesamte Stromausbeute von 88% gegenüber nicht geregelten Zellen mit nur 84,5 ⁰J₀.

Auch hinsichtlich des Fluorverbrauchs, bezogen auf t gewonnenes Aluminium, liegen die Werte bei der Regelung nach der Erfindung günstig. So werden je Tonne Aluminium erfindungsgemäß nur 18 kg Fluor (gegenüber 30 kg für nicht geregelte Zellen) verbraucht.

Eine Zellenserie mit 20 Zellen arbeitet bereits mehrere Monate zur vollsten Zufriedenheit mit Regelung alle 30 Minuten. Man stellte eine geringere Stromäufnahme und einen geringeren Fluorverbrauch fest.

Die erfindungsgemäß zur Anwendung gelangende Vorrichtung läßt sich in verschiedenen Varianten bauen; dies gilt insbesondere für die Integrationsschaltung, die vereinfacht werden kann, auch kann mit einer bestimmten Zeit, über die der Mittelwert bestimmt wird, gearbeitet werden oder die Empfindlichkeit heruntergesetzt werden. Wie bereits erwähnt, sind die Schwankungen des inneren Widerstands, insbesondere die langsamen Schwankungen weniger ausgeprägt. Dies gilt insbesondere für Zellen mit Blockanoden. Man kann also in vielen Fällen die Integrationsschaltung vereinfachen. In diesem Fall genügt es, in dem Hauptstromkreis mit der Wicklung 6 des Komparators 12 und dem Motor 23 auf elektrische oder mechanische Weise eine konstante Zeit einzuhalten, so daß der gesamte Stromkreis für die Integration mit den Bauelementen 27 bis 29 entfallen kann. In diesem Fall spielt der Motor 23 unter Zwischenschaltung des Komparators die Rolle des Komparators 30 und gibt Befehl zur Verstellung des Anodensystems.

Claims (2)

Patentanspruch:

1. Verfahren zur Aufrechterhaltung eines gewünschten Tonerdegehalts bei der Schmelzflußelektrolyse zur Gewinnung von Aluminium mit Voranzeige des Anodeneffekts, dadurch gekennzeichnet, daß man den Mittelwert des Innenwiderstandes [R] durch Messung des Spannungsabfalls U und der Stromstärke I, wobei U die Klemmspannung V minus die konstante, angenommene Gegen-EMK α ist, über eine Zeit zwischen einer Sekunde und 10 Minuten stimmt, die Anoden auf diesen Mittelwert nachstellt und Aluminiumoxyd dann chargiert, wenn dieser Mittelwert durch gleichmäßigen Anstieg vor Erreichen des Anodeneffekts einen Schwellwert erreicht hat.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Phasenkomparator mit sättigungsfähigem Magnetkreis und vier Wicklungen, wobei die erste Wicklung über einen Widerstand an einen Schütz geschaltet ist und von dem Strom / durchflossen wird, die zweite Wicklung einem Stromkreis angehört, welcher einen ersten Regelwiderstand, einen Gleichstromgenerator für die Lieferung der Gegen-EMK α und die zu regelnde Zelle umfaßt, wobei Zelle und Generator gegeneinandergeschaltet sind, die dritte Wicklung an einen Wechselstromgenerator mit der Frequenz/ Hz angeschlossen ist und die vierte Wicklung einen Detektor für Harmonische speist, der Spannung

mit einer Frequenz / liefern kann, die um —=-· oder ^^- gegenüber dem Wechselstromgenerator

phasenverschoben ist; einen Zweiphasenmotor, in dessen einem Stromkreis ein Wechselstromgenerator und in dessen anderem Stromkreis über einen Verstärker der Detektor geschaltet ist, wobei die Welle des Generators den ersten Regelwiderstand, einen zweiten Regelwiderstand und ein Anzeigegerät zum Ablesen des Innenwiderstands R verstellt; eine Schaltung zur Bestimmung des Mittelwerts [R] des Innenwiderstandes R über eine vorgegebene Zeit einschließlich Vergleich von [R] gegenüber einem Bezugswert R₀, in deren Stromkreis sich der zweite Regelwiderstand, ein Gleichstromgenerator, eine integrierende Schaltung und eine Komparatorschaltung und schließlich ein Signalgeber für die Betätigung des Anstellmechanismus des Elektrodensystems der zu regelnden Zellen befindet.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Fu Ida — Ginsberg, Tonerde und Aluminium,

II. Teil, Aluminium, 1953, S. 22ff.;
A. J. Beljajew, Metallurgie des Aluminiums,

Bd. I, 1956, S. 121, 130/131, 211/212, 217 bis 219; Erzmetall, 1960, S. 2.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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