DE1260156B - Verfahren zur Aufrechterhaltung des Tonerdegehaltes bei der Schmelzflusselektrolyse zur Aluminiumgewinnung - Google Patents
Verfahren zur Aufrechterhaltung des Tonerdegehaltes bei der Schmelzflusselektrolyse zur AluminiumgewinnungInfo
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Description
Int. Cl.:
C22d
DEUTSCHES
PATENTAMT Deutsche Kl.: 40 c-3/12
1460156 Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
1260156
P 35874 VI a/40 c
14. Januar 1965
1. Februar 1968
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
Tonerdegehaltes bei der Schmelzflußelektrolyse
zur Aluminiumgewinnung
Anmelder:
Pechiney, Compagnie de Produits Chimiques
et Electrometallurgiques, Paris
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
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~ §eSenuber 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-
Eichen dienende Nebenschlußwiderstand 11 speist die durchflossen. Unter dem Einfluß der gesamten ein-
5 6
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 oberhalb 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
7 8
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 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)
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,
Fu Ida — Ginsberg, Tonerde und Aluminium,
II. Teil, Aluminium, 1953, S. 22ff.;
A. J. Beljajew, Metallurgie des Aluminiums,
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
709 747/472 1.68 © Bundesdruckerei Berlin
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