DE1909033A1 - Method and apparatus for controlling the supply of aluminum oxide to an aluminum reduction cell - Google Patents
Method and apparatus for controlling the supply of aluminum oxide to an aluminum reduction cellInfo
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Description
Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Zufuhr von Aluminiumoxid zu einer AluminiumreduktionszelleMethod and apparatus for controlling the supply of aluminum oxide to an aluminum reduction cell
Aluminiummetall wird aus Aluminium" enthaltenden Verbindungen wie Tonerde (Al2O5) durch Elektrolyse eines geschmolzenen Elektrolyten gewonnen. Bei der Gewinnung von Aluminium nach dem herkömmlichen elektrolytischen Verfahren, das gewöhnlich als Hall-Heroult-Verfähren bezeichnet wird, besitzt die elektrolytische Zelle im allgemeinen einen Stahlmantel, in dem sich eine Koblenstoffauskleidung befindet. Der Boden der Kohlenstoffauskleidung dient zusammen mit einer Schicht elektrolytisch erzeugtem flüssigem Aluminium, die sich während des Betriebs darauf ansammelt, als Kathode. Eine oder mehrere sich verbrauchende Kohlenstoffelektroden sind im oberen Teil der Zelle angebracht und tauchen mit ihrem unteren Ende in den geschmolzenen Elektrolyten ein, der sich in der Zelle befindet. Beim Betrieb wird der Elektrolyt, ein-Gemisch von Tonerde und Kryolith, in die Zelle eingetragen und ein elektrischer Strom durch die Zelle vonAluminum metal is obtained from aluminum "containing compounds such as alumina (Al 2 O 5 ) by the electrolysis of a molten electrolyte. When aluminum is obtained by the conventional electrolytic process commonly referred to as the Hall-Heroult process, the electrolytic cell generally has a steel jacket with a carbon lining in it. The bottom of the carbon lining serves as the cathode, along with a layer of electrolytically generated liquid aluminum that accumulates on it during operation. One or more depleted carbon electrodes are placed in the upper part of the cell and are immersed with its lower end into the molten electrolyte that is in the cell.When operating, the electrolyte, a mixture of alumina and cryolite, is brought into the cell and an electric current is passed through the cell
WR/KWR / K
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der Anode zur Kathode durch die Schiebt des geschmolzenen Elektrolyten geschickt. Das Aluminiumoxid wird durch den Strom zerlegt, so daß das Aluminium auf der flüssigen Aluminiumkathode abgeschieden und der Sauerstoff an der Kohlenstoff anode unter Bildung von Kohlenmonoxid- und Kohlendioxidgas freigesetzt wird. Eine Kruste von erstarrtem Elektrolyt.** ten und Tonerde bildet sich auf der Oberfläche des Bades, und diese wird gewöhnlich mit weiterer Tonerde überdeckt.the anode to the cathode by pushing the melted Electrolytes sent. The alumina is made by the Electricity decomposes, so that the aluminum rests on the liquid aluminum cathode deposited and the oxygen on the carbon anode with the formation of carbon monoxide and carbon dioxide gas is released. A crust of solidified electrolyte. ** and clay forms on the surface of the bath, and this is usually covered with more clay.
Bei dem herkömmlichen elektrolytischen Verfahren wurden zwei Arten von elektrolytischen Zellen benutzt9 nämlich Zellen mit vorgebrannten Anoden und Zellen mit "Soderberg"-Anoden. Bei beiden Zellen laufen bei der Reduktion genau die gleichen chemischen Reaktionen ab. Der wesentliche Unterschied liegt im Bau der Zellen. Bei der Zelle Mit vorgebrannten Anoden sind die Kohlenstoffanoden gebrannt worden, ehe sie in die Zelle eingesetzt werden, während bei der "Söderberg"-Anode die Anode in situ gebrannt wird* das heißt, während des Betriebs der elektrolytisohen Zelle, wobei ein Teil der durch das Reduktionsverfahren erzeugten Wärme ausgenutzt wird. Die vorliegende Erfindung ist auf beide Arten Von Zellen anwendbar.In the conventional electrolytic process, two types of electrolytic cells have been used 9 namely cells with prefired anodes and cells with "Soderberg" anodes. Exactly the same chemical reactions take place in both cells during the reduction. The main difference lies in the structure of the cells. In the case of the cell with pre-burned anodes, the carbon anodes have been burned before they are inserted into the cell, while in the "Söderberg" anode the anode is burned in situ * that is, during operation of the electrolytic cell, with part of the through the heat generated by the reduction process is exploited. The present invention is applicable to both types of cells.
Ein typisches elektrolytisches Bad, wie es in den gewerbsmäßigen Anlagen zur Gewinnung von Aluminium benutzt wird, kann die folgende Zusammensetzung aufweisen:A typical electrolytic bath as used in commercial plants for the extraction of aluminum can have the following composition:
' * ■ " - ..7--' —3— ■'* ■ "- ..7--' —3— ■
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1 - 10 # Aluminiumoxid 0 - 10 $> Aluminiumfluorid 5 - 12 <$> Calciumfluorid und 80 - 90 # Kryolith1 - 10 # aluminum oxide 0 - 10 $> aluminum fluoride 5 - 12 <$> calcium fluoride and 80 - 90 # cryolite
Beim Fortschreiten der Elektrolyse wird das Aluminiumoxid in direktem Verhältnis zu der Slidung von Metall aufgezehrt. Da sich die Aluminiumoxidkonzentration in dem Elektrolyten verringert, wird ein Punkt erreicht, wo eine als "Anodeneffekt" bekannte, störende Erscheinung auftritt. Während eines Anodeneffekts kann der Spannungsabfall innerhalb der Zelle beispielsweise von ungefähr 4 V bis auf Werte von 40 V und sogar noch höher ansteigen. Dieser Effekt wird im allgemeinen einer zu geringen Konzentration an Aluminiumoxid in der Reduktionszelle oder dem Elektrolyten zugeschrieben. Die tatsächliche Konzentration an Aluminiumoxid in dem Elektrolyten, bei der dieser Effekt eintritt, scheint von der Temperatur, der Zusammensetzung des Elektrolyten, dem Abstand Anode-Kathode und der Stromdichte an der Anode abzuhängen. Das Auftreten des Anodeneffekts ist das Signal für den Zusatz weiterer !Eonerde· Der Bedienungsmann verfährt so, daß er die erstarrte Kruste auf dem Bad, auf der er vorher eine Schicht Aluminiumoxid verteilt hat, zerbricht. Der Zusatz der Tonerde sowie ein lebhaftes Rühren des Elektrolyten bringt den Anodeneffekt zum Verschwinden, worauf die Elektrolyse weiter ihren normalen Verlauf nimmt, bis der nächste Anodeneffekt auftritt.As the electrolysis proceeds, the alumina becomes consumed in direct proportion to the separation of metal. As the alumina concentration in the electrolyte is reduced, a point is reached where an annoying phenomenon known as the "anode effect" occurs. During an anode effect, the voltage drop can be within of the cell, for example, from approximately 4 V to values from 40 V and even higher. This effect is generally caused by an insufficient concentration of aluminum oxide attributed to the reduction cell or the electrolyte. The actual concentration of aluminum oxide in the electrolyte at which this effect occurs, appears on the temperature, the composition of the electrolyte, the distance anode-cathode and the current density at the Suspend anode. The occurrence of the anode effect is the signal for the addition of further! Eonerde · The operator proceeds in such a way that he breaks the solidified crust on the bath on which he has previously spread a layer of aluminum oxide. The addition of the clay and vigorous stirring of the electrolyte makes the anode effect disappear, whereupon the electrolysis continues its normal course, until the next anode effect occurs.
Ein Anodeneffekt hat verschiedene ungünstige Folgeer-An anode effect has various unfavorable consequences
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scheinungen, so daß eine Verminderung oder praktisch eine Ausschaltung seines Auftretens wünschenswert iet«, Die Zelle überhitzt sich schnell während eines Anodeneffekts und diese Überhitzung bewirkt eine sehr schnelle Aufzehrung der Anode und einen außerordentlich starken Verbrauch an Elektrolyten durch.Verdampfung und führt zu einer verminderten Ausbeute an Reaktionsprodukt. Eine sehr wesentliche, unangenehme Folge des Anodeneffekts ist ein hoher unproduktiver Energieverbrauch.phenomena, so that a diminution or practically a Elimination of its occurrence is desirable «, The Cell quickly overheats during an anode effect and this overheating causes the very quick depletion of the Anode and an extremely high consumption of electrolytes. Evaporation and leads to a reduced Yield of reaction product. A very significant, unpleasant consequence of the anode effect is a high unproductive one Power consumption.
Ein wichtiger Schritt zur Lösung des Problems, das Herannahen eines Anodeneffekts zu erkennen, wird in dem Artikel von T.Ee McMabon und G.P. Dirth "Steuerung von Alurainium-Redüktionszellen durch Computer", Journal of Metale, Bd> 18, No. 3, S. 317-319, März 1966 aufgezeigt. Die hier skizzierte Methode besteht in der Messung des G-esamtspännungsabfalls innerhalb der Zelle von der Stromschiene der einen Zelle zur Stromschiene der nächsten Zelle und Notierung des Punktes, wo diese Spannung stark anzusteigen beginnt» Dies zeigt das Herannahen eines Anodeneffekts an und das Verfahren kann nun eingeleitet werden, um den Anodeneffekt zu beenden und sein Auftreten möglichst ganz zu verhindern·An important step in solving the problem of recognizing the approach of an anode effect is given in the article by T.Ee McMabon and G.P. Dirth "Control of Alurainium Reduction Cells by computer, "Journal of Metale, Vol 18, No. 3, pp. 317-319, March 1966. The one sketched here The method consists in measuring the total chip drop inside the cell from the busbar of one cell to the busbar of the next cell and noting the point where this voltage begins to rise sharply »This shows the approach of an anode effect and the process can can now be initiated in order to end the anode effect and to prevent its occurrence as completely as possible
Dieses Verfahren ist theoretisch brauchbar zur.Vermeidung von Anodeneffekten, aber da die Gresamtwiderstattdskurve, gemessen durch den Gesamtspannungsabfall innerhalb der Zelle, sich bis zum Herannahen eines Anodeneffekts sehr wenig verändert, kann die genaue Konzentration an AluminiumoxidThis method is theoretically useful for avoiding anode effects, but since the total resistance curve, measured by the total voltage drop within the cell, changes very little up to the approach of an anode effect can change the exact concentration of aluminum oxide
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in dem Elektrolyten zu irgendeinem gegebenen Zeitpunkt nach dieser Methode nicht bestimmt werden. Es wird ale wünschenswert angesehen, in der Zelle eine konstante Aluminiuraoxidkonzentration aufrechtzuerhalten und damit einen konstanten Betrieb der Zelle zu gewährleisten. in the electrolyte at any given time cannot be determined by this method. It is all considered desirable to have a constant concentration of alumina in the cell and thus to ensure constant operation of the cell.
Um eine praktisch konstante Aluminiuraoxidkonzentration aufrechtzuerhalten, muß in irgendeiner Weise die Konzentration an Tonerde in dem Bad oder dem Elektrolyten oder die Zufuhrgeschwindigkeit gemessen werden, um die Zuführgeschwindigkeit steuern zu können. Es wurden bereits viele Verfahren beschrieben, die der Bestimmung der Tonerdekonzentration in dem Elektrolyten oder dem Bad dienen. Dazu gehört die chemische Analyse der Alurainiumoxiäkonzentration, entweder durch Pyrotitration, mit kaBtischer Soda, durch gravimetrische Analyse, volumetrische Analyse oder mittels Messungen der elektrischen Leitfähigkeit. Zu einem gewissen Grade wurde auch die untersuchung der physikalischen Eigenschaften des Elektrolyten herangezogen, Dasv Aussehen des Elektrolyten, in geschmolzenem und erstarrtem Zustand, wurde mit bekannten Proben verglichen; kristalline Phasen wurden mikroskopisch und durch Röntgendiffraktion sowie nach anderen Methoden untersucht. Keines dieser früheren Verfahren erwies sich als wirklich befriedigend. Verfahren, die mit großer Genauigkeit und Zuverlässigkeit arbeiten, dauern zu länge, um die gewünschte Information zu liefern. Verfahren, die schneller arbeiten, sind dafür ziemlich ungenau* In order to maintain a practically constant concentration of alumina, the concentration of alumina in the bath or electrolyte or the feed rate must be measured in some way in order to be able to control the feed rate. Many methods have been described which are used to determine the concentration of alumina in the electrolyte or bath. This includes the chemical analysis of the alurainium oxide concentration, either by pyrotitration, with caustic soda, by gravimetric analysis, volumetric analysis or by measuring the electrical conductivity. To a certain extent, the study of the physical properties of the electrolyte was used, the appearance v of the electrolyte in a molten state and solidified, was compared to known samples; crystalline phases were examined microscopically and by X-ray diffraction as well as by other methods. None of these previous methods have proven to be truly satisfactory. Methods that operate with great accuracy and reliability take too long to provide the desired information. Methods that work faster are rather imprecise *
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Die vorliegende Erfindung ist auf diesem Hintergrund zu verstehen* ;The present invention is based on this background too to understand* ;
Die Erfindung bezieht sich auf ein. Verfahren und eine Anlage zur Steuerung der Zufuhrgesciiwisidigkett von Aluminiumoxid ia eine Reduktionszelle. Diese-'Zufuhr wird aus zwei' G-ründen gesteuert. Einmal sollen Anodeneffekte verhindert werden und andererseits soll eine praktisch konstante.-Aluminiumoxidkonzentration in der Zelle aufrechterhalten werden, was eine verbesserte Stromausbeute bei dem Reduktionspro«· zeß ergibt* Es wird eine Gradientetaänderung in dem in die Zellen eingespeisten Strom erzeugt. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen. Eine Methode besteht darin, einen Anodeneffekt in eine Zelle oder in sich abwechselnde Zellen in dem System zu programmieren« Dies bewirkt .eine Gradientenänderung in dem in die Zellen eingespeisten Strom« Ein anderes Verfahren zur Erzeugung der Gradientenäaderung besteht in der Benutzung eines Stufentransformatorse Noch eine andere Methode besteht in der Anwendung einer Bisenkernspu-Ie, die in Reihe mit der Stromversorgung für die Zellen geschaltet ist. The invention relates to a. Method and a system for controlling the supply chain of aluminum oxide, including a reduction cell. This 'supply is controlled for two' reasons. On the one hand, anode effects are to be prevented and, on the other hand, a practically constant aluminum oxide concentration in the cell is to be maintained, which results in an improved current yield in the reduction process. A gradient change is generated in the current fed into the cells. This can be done in a number of ways. One method is to program a anode effect in a cell or in alternating cells in the system "This is effected .a gradient change in the fed to the cell current" Another method for producing the Gradientenäaderung in the use of a tapped transformer e Still Another method is to use a bis-core coil connected in series with the power supply for the cells.
Mindestens eine Messung der Spannung und des Stroms innerhalb der Zelle wird als ein erster Wert des Stromgradienten erhalten. Mindestens eine weitere Messung der Spannung und des Stroms innerhalb der Zelle wird als ein weite·= rer Wert des Stromgradienten erhalten. Ein-"Anzeichen, für-, die Aluminiumoxidkonzentration des Bades wird dann aus denAt least one measurement of the voltage and current within the cell is obtained as a first value of the current gradient. At least one other measurement of the voltage and current within the cell is called a wide · = rer value of the current gradient obtained. A "sign for-, the aluminum oxide concentration of the bath is then determined from the
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ersten und zweiten Strom- und Spannungsstrommeßwerten hergeleitet. Der Anzeigewert kann erhalten werden durch Bestimmung der Gegenspanaung in der Zelle oder durch Bestimmung des Widerstandes des Bades aus den Strom- und Spannungsstrommeßwertene Wenn die Gegenspannung benutzt wird, eo wird sie aus den Messungen nach, der folgenden Gleichung ermittelt;first and second current and voltage current measured values derived. The display value can be obtained by determining the counter voltage in the cell or by determination the resistance of the bath from the current and voltage current measured values When the counter voltage is used, eo becomes it is determined from the measurements according to the following equation;
Y = A + BI (i)Y = A + BI (i)
worin Y die Zellenspanmmg in YoIt, I der in die Zelle eingespeiste Strom in Ampere, B der Widerstand des Bades oder die Spannungsänderung pro Stromänderung, bestimmt aus den ersten und zweiten Strom— und den Spannungsstrommeßwerten und A die Gegenspannung ist.where Y is the cell voltage in YoIt, I is the cell voltage Current in amperes, B the resistance of the bath or the change in voltage per change in current, determined from the first and second current and voltage current readings and A is the reverse voltage.
Wenn der Widerstand des Bades benutzt wird, wird er bestimmt aus den Messungen nach der Gleichung:If the resistance of the bath is used, it will determined from the measurements according to the equation:
B = 4v/*i (ü)B = 4v / * i (ü)
worin 4v/di die Spannungsänderung pro Stromänderung ist, bestimmt aus den ersten und zweiten Strom- und Spannungsstrommeßwerten und B der Widerstand des Bades ist.where 4v / di is the change in voltage per change in current from the first and second current and voltage current measurements and B is the resistance of the bath.
Die Zelle kann elektrisch mit einer Vielzahl von anderen Reduktionszellen verbunden sein, die alle in Reihe ge- schaltet sind, so daß ein Anzeigewert für die Aluminiumoxidkonzentration in Jeder. Zelle während einer einzigen Gradientenänderung des Speisestroms abgeleitet werden kann. Es wurde gefunden, daß die Tonerdekonzentration, beiThe cell may be electrically connected to a variety of other reduction cells, all of which are connected in series to provide an indication of the alumina concentration in each. Cell can be derived during a single gradient change in the supply current. The alumina concentration was found to be
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der die optimale Betriebswirksamkeit der Reduktionszellen, gemessen durch die Stromausbeute der Zellen, erreichtwirdy ganz in der Nähe der Konzentration zu liegen scheint, bei der der Anodeneffekt auftritt. Wenn ein AnocTeneffekt auftritt, bo scheint sich die Reaktion in der Zelle von einer Zersetzung des Aluminiumoxids zu einer Zersetzung des Aluminiumfluoride in dem Bad zu verschieben. Die Aluminiumoxidkonzentration soll also mittels dieses Verfahrens und dieser Anlage oberhalb des Werts gehalten werden, bei dem die Zersetzungsspannung für Aluminiumfluorid erreicht wird, aber gleichzeitig niedriger als etwa 4 Gew,-%. Der genaue Wert, bei dem die Zersetzungsspannung."""für Aluminiumfluor id erreicht wird, schwankt von Zelle zu Zelle etwas, sollte aber immer unter etwa 4 G-ew·-^ liegen. Es ist wünschenswert, die Tonerdekönzentration unter etwa 3 Gewe-5S zu halten* In der normalen Amerikanischen Reduktionszelle sollte die Aluminiumoxidkonzentration insbesondere bei etwa 2 G-ewe-% bis 3 Gew.-^ gehalten werden»which achieves the optimal operating efficiency of the reduction cells, measured by the current efficiency of the cells, appears to be very close to the concentration at which the anode effect occurs. When an anoint effect occurs, the reaction in the cell appears to shift from decomposition of the alumina to decomposition of the aluminum fluoride in the bath. The aluminum oxide concentration should therefore be kept above the value by means of this method and this system at which the decomposition voltage for aluminum fluoride is reached, but at the same time lower than about 4% by weight. . The exact value at which the decomposition voltage """is achieved id for aluminum fluoride varies from cell to cell something, but should always be below about 4 percent · -. Are ^ It is desirable that Tonerdekönzentration below about 3 wt e keep -5S * In the normal American reduction cell alumina concentration in particular about 2 wt e should -% is held to 3 wt .- ^ »
Eine wichtige Funktion..des erfindungsgeiaäßen Verfahrens und der Anlage besteht darin, die Tonerde praktisch kontinuierlich der Zelle zuzuführen, um Veränderungen der Konzentration an Aluminiumoxid in der Zelle möglichst gering-sau halten und die Stromausbeute des Yerfahrens sti Verbessern (wenn auch der Verbrauch an Jfluoriä etwas ansteigt) o An important function of the process and the system according to the invention is to supply the alumina practically continuously to the cell in order to keep changes in the concentration of aluminum oxide in the cell as low as possible and to improve the current yield of the process (albeit the consumption of fluorine slightly increases) o
Sollte eine Veränderung des Abstattdes AQode-Ksthoäe zu dem beim Betrieb gewünschten Wert .notwendig seiQ9 so ':-_ .'.Should a change in the Abstattdes AQode-Ksthoäe to the value desired during operation .necessary, Q 9 is like this ': -_ .'.
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sollte diese erfolgen, bevor die Gradientenänderung in dem Speisestrom erzeugt wird, so daß eine Stabilisierung der Widerstandskurve der Zelle eintreten kann, nachdem die Einstellung des Abstands Anode-Kathode stattgefunden hat und bevor die Gradientenänderung in dem Speisestrom erzeugt ist. Hieraus folgt auch, daß der Abstand Anode-Kathode konstant gehalten werden soll, während die Gradientenänäerung in dem Speisestrom erzeugt wird.this should be done before the gradient change in the Feed current is generated, so that a stabilization of the Resistance curve of the cell may occur after the adjustment of the anode-cathode distance has taken place and before the gradient change is generated in the supply current. It also follows from this that the anode-cathode distance should be kept constant while the gradient change in the Feed current is generated.
Die Anlage zur Steuerung der Zufutar von Aluminiumoxid in die Reduktionszelle enthält Vorrichtungen zur Erzeugung einer Gradientenänderung in dem Speisestrom* Spannungsmeßgeräte sind in die Zelle eingeschaltet und Strommeßgeräte sind ebenfalls Vorhände»» Die Spannungs- und Strommeßgeräte sind so zueinander geschaltet, daß eine Messung der Spannung und des Stroms innerhalb der Äelle als ein erster Wert des Stromgradienten und auch als ein zweiter Wert des Stromgradienten'erhalten werden kann. Geeignete Vorrichtungen sind vorgesehen, um einen Anzeigewert auf die Tonerdekonzentration des Bades aus den ersten und zweiten Strom- und SpannungsWsrten abzuleiten. Hierbei kann es sich einfach um ein Diagramm oder ein Homogramm handeln, das eine Beziehung herstellt zwischen der Aluminiumoxidkonzentration und der •Gegenspanaung oder dem Widerstand des Bades; es kann nach Belieben auQb ein Computer benutzt werden, um die erforderlichen Bereebüirngsn durchzuführen« Endlich sind Anoden-Speisevorridhtungen vorgesehen, fite auf den Anzeigewert derThe plant for controlling the feed rate of aluminum oxide in the reduction cell contains devices for generation a gradient change in the supply current * Voltmeters are switched on in the cell and ammeters are also available »» The voltage and current measuring devices are connected to one another in such a way that a measurement of the voltage and the current within the cells are used as a first value of the current gradient and also as a second value of the current gradient can be. Suitable devices are provided to give an indication of the alumina concentration of the bath from the first and second electricity and To derive stress values. This can simply be act a chart or homogram showing a relationship produces between the alumina concentration and the • counter-tension or the resistance of the bath; it can after A computer can also be used to perform the required Preparations to be carried out «Finally there are anode feed arrangements provided, fit on the display value of the
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Aluminiumoxidkonzentration des Bades reagieren, damit der Zelle eine bestimmte Menge Tonerde zugesetzt und die gewünschte Betriebskonzentration an Aluminiumoxid wieder hergestellt wird. Alumina concentration of the bath react so that the A certain amount of alumina is added to the cell and the desired operating concentration of aluminum oxide is restored.
Fig. 1 ist eine Darstellung, die die Beziehungen zwischen dem Prozentgehalt an Tonerde in dem Bad und dem Widerstand des Bades, der Gegenspannung und dem gesamten Zellenwiäerstanä (gemessen zwischen der Stromschiene einer Zelle und der Stromschiene der nächsten Zelle) wiedergibt.Fig. 1 is a graph showing the relationships between the percentage of alumina in the bath and the resistance of the bath, the counter voltage and the total cell resistance (measured between the busbar of a cell and the busbar the next cell).
Fig. 2 ist eine Darstellung der charakteristischen Veränderungen bei Spannungs- und Strömmessungen innerhalb einer Zelle für verschiedene Werte einer Gradientenänderung in dem Speisestrom der Zelle« FIg. 3 ist eine schematisierte Darstellung einer durchFIG. 2 is an illustration of the characteristic changes in voltage and current measurements within a cell for various values of a Gradient change in the supply current of the cell " FIg. 3 is a schematic representation of a through
Computer gesteuerten Anlage.Computer controlled system.
Der oben erwähnte Artikel von McMahon and Dirth diskutiert ein Steuerungssehema für Eeduktionssellen, das auf der Messung des Gesamtwiderstands innerhalb der Zelle beruhte Die Autoren meinen, daß in diesem Widerstand drei Surzzeitvariable enthalten sind: der Abstand Anode-Sathode, derspezifische Badwiderstand und der Widerstand des die Anode umgebenden Gasfilms» Die Autoren waren der Meinung,.'-""daß sowohl Badwiderstand als auch Filmwiderstand durch die AlUmI-niumoxidkonzentration beeinflußt werden. In Wirklichkeit aber, unter der Annahme eines konstanten Aaoden^Iatibodeti-Abstands lassen sich zwei Faktoren anführen, äi® den/Zeilenwiderstand bestimmen. Der. eine faktor ist. .flex?; J3adl·= oi@r;- ---\:~".-Elektrolytwiderstand und der andere kaaa am bes-ten alsThe McMahon and Dirth article mentioned above discusses a control scheme for reduction cells based on the measurement of the total resistance within the cell The gas film surrounding the anode "The authors were of the opinion that both the bath resistance and the film resistance are influenced by the aluminum oxide concentration. In reality, however, under the assumption of a constant Aaoden ^ Iatibodeti distance, two factors can be given, ai® determine the / line resistance. Of the. one factor is. .flex ?; J3adl * = oi @ r ; - --- \ : ~ ".- electrolyte resistance and the other kaaa best than
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Gegenspannung bezeichnet werden.Counter-voltage are referred to.
Die Gegenspannung ist nicht eigentlich ein reiner Widerstand, denn sie enthält das Zersetzungspotential für die Reaktion des Aluminiumoxids sowie die Polarisation des Gasfilras an der Kathode und die Polarisation des Gasfilms an der Anode. In dem Artikel von MoMahon wurde ein konstantes Zersetzungspotential angenommen. In Wirklichkeit ist es aber nicht konstant. Es wurde festgestellt, daß sich die Gegenspannung konstant aufbaut, wenn die !Donerdekonzentration in dem Elektrolyten abnimmt. Dies ist von Bedeutung, da McMahon unter anderem annahm, daß sie nur beim Beginn des Anodeneffekts schnell ansteigt, wenn sich die Gasfilm-Polarisation schnell aufbaut. Tatsächlich sind die Veränderungen von Badwiderstand und Gegenspannung einander ungefähr umgekehrt proportional, wie die Kurven (B), (A), Pig. "1 zeigen. Die Gegenspannung baut sich auf, wenn die Alurainiumoxidkonzentration abnimmt, bis sie einen Wert erreicht, bei dem die Kohlenstofftetrafluorid-Reaktion (d. b. die Zersetzung von Aluminiumfluorid unter Umsetzung mit Kohlenstoff und Bildung von Kohlenstofftetrafluorid) anstelle der Aluminiumoxidreaktion stattfindet. An diesem Punkt baut sich der Pilmwid er stand schnell auf, wie von McMahon gezeigt wird. Deswegen ist die Messung des Gesamtzellenwiderstande nützlich als Vorwarnraittel für einen Anodeneffekt. Die Gesamtwider Standskurve (siehe Gesamtkurve R, Pig.. 1) verläuft aber verhältnismäßig flach, bis geradeThe counter-tension is not actually a pure one Resistance, because it contains the decomposition potential for the reaction of the aluminum oxide as well as the polarization of the gas film at the cathode and the polarization of the gas film at the anode. In the MoMahon article, a constant decomposition potential assumed. In reality, however, it is not constant. It was found that the counter voltage builds up constantly when the donor earth concentration in the electrolyte decreases. This is important since McMahon assumed, among other things, that they were only at the beginning the anode effect increases rapidly when the gas film polarization changes builds up quickly. In fact, the changes in bath resistance and counter voltage are approximate to each other inversely proportional, like curves (B), (A), Pig. "Show 1. The counter-tension builds up when the Alurainia concentration decreases until it reaches a value at which the carbon tetrafluoride reaction (i.e. the decomposition of aluminum fluoride with reaction with carbon and formation of carbon tetrafluoride) instead the alumina reaction takes place. At this point the Pilmwid builds himself up, he got up quickly, as if by McMahon will be shown. Therefore the measurement of the total cell resistance useful as an early warning of an anode effect. The total resistance curve (see total curve R, Pig .. 1) runs relatively flat to straight
WR/Si -12-WR / Si -12-
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bevor ein Anodeneffekt auftritt, wenn die Polarisation des Gasfilras das schnelle Ansteigen des Widerstands bewirkt= Außerdem können elektrische "Geräusche" oder Störungen in dem Stromkreis diese Veränderung in der Gesamtwid'erstandskurve maskieren, bis der Endpunkt erreicht worden ist.before an anode effect occurs when the polarization of the Gasfilras causes the rapid increase in resistance = In addition, electrical "noise" or interference can occur in Mask this change in the total resistance curve from the circuit until the end point has been reached.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß, wenn die Gegenspannung und der Zellbad- oder Elektrolytwiderstand getrennt bestimmt werden können, die Alurainiumoxidkonzentration in dem Zellenelektrolyten aus dem Wert beider Faktoren bestimmt werden kann und daher zu jedem Zeitpunkt bekannt sein würde. Wenn die Tonerdekonzentration bekannt ist, weiß man auch, wann der Zelle weiteres Aluminiumoxid zugesetzt werden muß, um einen Anodeneffekt zuverhindern oder die gewünschte Betriebskonzentration an Aluminiumoxid in dem Elektrolyten aufrechtzuerhalten.The present invention is based on the finding that if the counter voltage and the cell bath or electrolyte resistance can be determined separately, the alurainium oxide concentration in the cell electrolyte can be determined from the value of both factors and would therefore be known at any point in time. W e nn the clay concentration is known, it is also known when the cell further aluminum oxide must be added to a zuverhindern anode effect or to maintain the desired operating concentration of alumina in the electrolyte.
Es sind auch andere Methoden zur Messung der Tonerdekonzentration in dem Elektrolytentekannt. Diese sind aber alle entweder zu ungenau oder arbeiten für die betrachtete Steuerung zu langsam. Beispielsweise erfordert die nasse chemische Analyse ungefähr 30 Minuten. Wenn man weiß, welche Aluminiumoxidkonzentration in dem Bad vor 30 Minuten vorlag, so ist das nicht sehr hilfreich für eine exakte Steuerung der Konzentration oder für die Verhinderung eines Anodeneffekts, wenn die Zelle mit einer Zuführungskonzentration in Betrieb gehalten werden soll, die dicht There are other methods of measuring alumina concentration as well known in the electrolyte. However, these are all either too imprecise or work for the considered Control too slow. For example, the wet requires chemical analysis about 30 minutes. If you know which Alumina concentration in the bath before 30 minutes was available, it is not very helpful for an exact Control of concentration or for prevention an anode effect if the cell is to be kept in service with a feed concentration that is tight
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bei dem Wert liegt, bei dem ein Anodeneffekt auftritt» Ferner kann es sein9 daß eine entnommene Probe nicht charakteristisch ist für die wahre Konzentration in dem Bad. Das kann zum Beispiel der Pail sein, wenn die Probe aus einer verhältnismäßig ruhigen Zone der Zelle entnommen wird. Schneller arbeitende analytische Verfahren als die nassen chemischen Analysen opfern im allgemeinen der Schnelligkeit die Genauigkeit. Benötigt wird ein genaues analytisches Verfahren, das Schritt täit mit dem Verfahren selbstρ das in einer Zeitskala von Sekunden oder weniger arbeitet, das heißt? eine Realzei$analyse.is the value at which an anode effect occurs "Further, it may be that a sample taken 9 is not characteristic of the true concentration in the bath. This can be the pail, for example, when the sample is taken from a relatively quiet zone of the cell. Analytical methods that work faster than wet chemical analyzes generally sacrifice accuracy for speed. What is needed is an accurate analytical process that steps in step with the process itself, which works on a time scale of seconds or less, that is ? a real-time analysis.
Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem und ermöglicht eine Realzeitkenntnis der Aluminiumoacidkonzentration der Zelle während des Betriebs.The present invention solves this problem and enables real time knowledge of the aluminum acid concentration of the cell during operation.
Der Spannungsabfall innerhalb der Zelle kann genau durch die folgende Gleichung wiedergegeben werden?The voltage drop within the cell can be exactly represented by the following equation?
V = A + BIV = A + BI
worin B den Widerstand des Bades, A die Gegenspännung und V die Zellenspannung in Volt gemessen zwischen der Stromschiene einer Zelle und der Stromschiene5 der nächsten in Reihe geschalteten Zelle bedeutet. Die typischen Kuryen für die Gegenspannung und den Zellenwiderstand bei einem gegebenen und konstanten Abstand Anode-Kathode und die Beziehung zu dem Prozentgehalt an Aluminiumoxid in dem Elek-where B is the resistance of the bath, A is the counter voltage and V is the cell voltage measured in volts between the busbar of one cell and the busbar 5 of the next cell connected in series. The typical values for the counter voltage and the cell resistance at a given and constant anode-cathode distance and the relationship to the percentage of aluminum oxide in the elec-
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trolyten sind in. Fig«, 1 gezeigt» Zu Vergleichszwecken ist auch die Gesaratwid erstand starke (gesamt R)-dargestellt. Die Werte für die Gegenspannung und den Widerstand des Bades werden besimmt, indem man eine Gradientenänderung in dem Speisestrom der Zelle erzeugte Verschiedene Methoden zur Erzeugung dieser Änderungen. Mira en bereits früher erwähnt Es wurde ebenfalls bereits früher erwähnt;, daß der Anoden-Katboden-Abstand konstant gehalten wird, \i?ährend diese Gradientenänderung erzeugt WiEd8 und Saß gewartet wird, bis die Zellenwiderstandskurve sicfei stabilsiert hat, nachdem eine; Einstellung des Anod en-Ea ta ocfen-Wid er stands durchgeh führt worden ist«, bevor die Grad ientenänderung in dem Speisestrom hervorgerufen wird. Messungen der Spannung und des Stroms innerhalb der Zelle werden für verschiedene Werte des .Stromgradienten - durchgeführt. Die erhaltenen Werte können in einem Diagramm aufgetragen werden9 wie aus I1Ig0 zu ersehen ist. Die ifeigung der Geraden durch die Punkte bedeutet B. Anders.ausgedrückt?Trolytes are shown in Fig. 1. For purposes of comparison, the total resistance is also shown strong (total R). The values for the counter voltage and the resistance of the bath are determined by creating a gradient change in the supply current to the cell. Various methods of creating these changes. Mira en already mentioned earlier It was also mentioned earlier that the anode-cathode-distance is kept constant, while this gradient change is generated WiEd 8 and it is waited until the cell resistance curve has stabilized after a ; The setting of the anode-eating resistance has been carried out continuously ”before the gradient change is brought about in the supply current. Measurements of the voltage and the current within the cell are carried out for different values of the current gradient. The values obtained can be plotted in a diagram 9 as can be seen from I 1 Ig 0. The inclination of the straight line through the points means B. Expressed differently?
B= ύν/Ji. (ii)B = ύν / Ji. (ii)
worin\dv/iäi die Änderung der Spannung zur Änderung des Stroms, bestimmt aus diesen Messungen, bedeutet. Wenn man den Wert für den Widerstand des Bades kennt, kann man daraus die Gegenspannung nach der oben diskutierten Bezie hung berechnen: ;where \ dv / iäi is the change in voltage to change the Current determined from these measurements. If knows the value for the resistance of the bath, one can from this the counter-tension according to the relation discussed above calculate hung:;
V = A +.BI.V = A + .BI.
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Diese beiden Werte können dann direkt zu dem Prozentgehalt an Aluminiumoxid in dem Elektrolyten in Beziehung gesetzt und die Aluminiumoxidkonzentration kann wie gewünscht eingestellt werden. These two values can then go directly to the percentage to alumina in the electrolyte and the alumina concentration can be adjusted as desired.
Wie oben gezeigt, kann dies manuell geschehen, aber das Verfahren ist besonders geeignet für die Steuerung durch einen Computer. Es stehen viele Steuerungscomputer zur Verfügung, die für diesen Prozeß benutzt werden können. Ein solcher Computer ist im Handel als Typ GE/PAC 4050 I bekannt. Dieser Computer ist speziell für Steuerungszwecke und Realzeitoperationen gebaut und hat einen Kernspeicher mit einem Speichervermögen von 12,000 Wörtern zu je 24 bit. Er hat einen Speicherzyklus von 5 Mikrosekunden und keinen Hauptspeicher. Die Eingänge in den Computer enthalten drei Gruppen von 20 Digitaleingängeη9 zehn Gruppen von 16 analogen Eingängen, einen Lochstreifenleser mit einer Kapazität von 100 Zeichen pro Sekunde und eine Eingabeeinheit. Die Ausgänge des Computers enthalten acht Gruppen von 16 ■ Digitalausgängen, einen Lochstreifenstanzer mit einer Kapazität von 120 Zeichen pro Sekunde und zwei ferngesteuerte Ausgangsblattschreiber. ·As shown above, this can be done manually, but the method is particularly suitable for control by a computer. There are many control computers available that can be used for this process. One such computer is known in the trade as the GE / PAC 4050 I type. This computer is specially built for control purposes and real-time operations and has a core memory with a storage capacity of 12,000 words of 24 bits each. It has a memory cycle of 5 microseconds and no main memory. The inputs to the computer contain three groups of 20 digital inputs, 9 ten groups of 16 analog inputs, a punched tape reader with a capacity of 100 characters per second and an input unit. The outputs of the computer contain eight groups of 16 digital outputs, a ■ paper tape punch with a capacity of 120 characters per second and two remote-controlled output sheet recorders. ·
Der Computer besitzt also ein Programm ohne zeitliche Verzögerung mit einer Vielzahl von funktionellen Programmen, von denen bestimmte den Prozeß steuern, während andere der Bedienung und Aufzeichnung dienen. Eine Besprechung dieserThe computer therefore has a program without a temporal one Delay with a variety of functional programs, some of which control the process, while others are used for operation and recording. A review of this
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Hüfsprogramme ist für das· "Verständnis.,-der; Erfindung unnötig« Bei Benutzung des Computers können die beiden Variablen aufgelöst werden, um den Widerstand des Bades gleichzeitig anstatt zuerst zu bestimmen. Die Praxis zeigt, daß die * Widerstandskurve des Bades durch den Gasfilm auf der unteren Fläche der Anode bedingt zu sein scheint. Das Ausmaß scheint von der Topographie dieser Fläche der Anode abzuhängen. Wenn dieser Effekt einmal bestimmt und die Widerstandskurve des Bades aufgestellt ist, kann diese Kurve zu dem Prozentgehalt an Aluminiumoxid in Beziehung gesetzt werden-,, Es -wurde aber gefunden, daß die Kurve der Gegenspannung bei konstantem Abstand Anode-Kathode (ACD) von Zelle zu Zelle sehr wenig variiert. Die Ges-ta.lt der Kurve ändert sich bei verschiedenen ACD-Werten nicht, nur der numerische Wert eines gegebenen Punktes auf der Kurve. Wenn der AGD festgestellt ist", kann die lage der Kurve fixiert werden. Es kann daher bei bestimmten Anwendungszweckeη praktischer sein, mit dem Wert für die Gegenspannung statt dem Wer^ für den Widerstand des Bades zu operieren. Hip programs are for the "understanding., - the; invention unnecessary" When using the computer, the two variables can be resolved in order to determine the resistance of the bath at the same time instead of first. Practice shows that the resistance curve of the bath through the gas film on the lower surface of the anode. The extent appears to depend on the topography of that surface of the anode. Once this effect is determined and the resistance curve of the bath is established, this curve can be related to the percentage of alumina -, It -was found, however, that the curve of the back tension varies very little at a constant distance from the anode-cathode (ACD) from cell to cell. the G e not s-ta.lt the curve changes at different ACD values, only the numerical value of a given point on the curve. When the AGD is established, the position of the curve can be fixed. It may therefore be more practical for certain purposes of application to operate with the value for the counter-voltage instead of the value for the resistance of the bath.
Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, kann die Aluminiumoxidkonzentration in dem Bad erst dann durch Messungen des Gesamtwiderstands (Gesamt R Kurve) sehr leicht bestimmt werden, wenn die Vorwarnungssituation für den Anodeneffekt eingetreten ist. Es wurde gefunden, daß die größte Strom=As can be seen from Fig. 1, the alumina concentration can be in the bath only then very easily determined by measurements of the total resistance (total R curve) when the pre-warning situation for the anode effect has occurred. It was found that the largest current =
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ausbeute in einer Reduktiömszelle vorzuliegen scheint, wenn die Zelle in einem Zustand arbeitet, den man als "Magerspeisung" bezeichnen kann. Eine Magerspeisung kann so definiert werden, daß eine solche Menge Aluminiumoxid in einem Bad vorhanden ist, die gerade verhindert, daß die Zelle auf einen Anodeneffekt zusteuert. Obgleich die Betriebsgrößen der Zelle wie Temperatur, Elektrolyttiefe, Anoden-Katbodenraum usw. auf diesen Wert einwirken können, kann er in Form von Zersetzungspotentialen ausgedrückt werden. Es wird eine genügende Konzentration an Aluminiumoxid in der Zelle aufrechterhalten, um zu verhindern, daß sich die Gegenspannung aufbaut? bis die Spannung den Wert für die Zersetzung des Aluminiumfluorids und Bildung von Kohlenstofftetrafluorid erreicht. Die Konzentration an Aluminiumoxid muß daher oberhalb des Wertes gehalten werden, bei dem die Zersetzungsspannung für Aluminiumfluorid erreicht wird, muß aber auch in der labe dieses Wertes liegen. Als brauchbare obere Grenze der Konzentration können, etwa 4 Gew.-^ angenommen werden. Eine günstige obere Grenze liegt bei etwa 3 Gew.-# und. vielleicht beträgt die optimale Konzentration etwa 2 ^ bis etwa 3 Gew.-^. The yield in a reducing cell appears to be when the cell is operating in what may be termed "lean-burn". A lean feed can be defined as the amount of aluminum oxide present in a bath that just prevents the cell from heading towards an anode effect. Although the operating parameters of the cell such as temperature, electrolyte depth, anode-cathode space, etc. can influence this value, it can be expressed in the form of decomposition potentials. A sufficient concentration of aluminum oxide is maintained in the cell to prevent the counter voltage from building up ? until the voltage reaches the value for the decomposition of aluminum fluoride and formation of carbon tetrafluoride. The concentration of aluminum oxide must therefore be kept above the value at which the decomposition voltage for aluminum fluoride is reached, but must also be within the range of this value. About 4 wt .- ^ can be assumed as a useful upper limit of the concentration. A favorable upper limit is about 3 wt .- # and. perhaps the optimal concentration is from about 2% to about 3 % by weight.
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Wie leicht aus Pig. 1 au ersehen ist, ist es nicht lieh, eine sehr feine Steuerung der Aluminiumoxiäkonzentra·- tion aufrechtzuerhalten, wenn man die Gesamtwiderstandskurve zu benutzen versucht· Die Kurve des Gesamtwiderstands ist nicht ausreichend empfindlich für Änderungen der Aluminiuraoxidkonzentration bis ganz dicht in die Nähe des Anoden™ effekte· Dagegen verändert sich die Gegenspannung oder der Widerstand des Bades in merklicher Weise mit der Tonerdekonzentration, und die Tonerdekonzentration kann aus diesen Messungen zu einem gegebenen Zeitpunkt genau '--bestimmt werden. Demgemäß ermöglichen Verfahren und Anlage der vorliegenden Erfindung zum ersten Male ein erfolgreiches Arbeiten auf der Grundlage der Magerspeisung.How easy from Pig. 1, it is not borne by a very fine control of the aluminum oxide concentration - tion maintain when looking at the total drag curve tried to use · The curve of total resistance is not sufficiently sensitive to changes in the alumina concentration up very close to the Anode ™ effect · On the other hand, the counter voltage or the Resistance of the bath in a noticeable way with the alumina concentration, and the alumina concentration can be derived from these Measurements at a given point in time can be precisely determined. Accordingly, the method and system of the present invention enable it to work successfully for the first time on the basis of lean feeding.
In Fig. 3 ist in schematisierter Form eine durch Computer gesteuerte Anlage dargestellt. Man erkennt, daß die Zelle zunächst einen Metallmantel 10 besitzt, der im allgemeinen aus Stahl gefertigt ist und in dem sich in der tibli»·- chen Weise eine Isolierschicht 12 befindet, die aus einem gewünschten Material wie z.B. Tonerde, Bauxit, Ton, Aluminiumsilikat, Backstein usw. bestehen kann. Innerhalb der Isolierschicht 12 befindet sich die Zellenauskleidung 14, die aus einem beliebigen Material bestehen kann wie z.B. Sohlenstoff, Tonerde, geschmolzene Tonerde, SiliciTiiiearbid, SiIiciumnitrat, gebundenes Siliciumcarbid und anderen. G-ewiünlich besteht die Auskleidung aus einer Vielzahl von Kohlenstoff blöcken oder bildet ein gepreßtes Kohlenstoffgemisch ν In Fig. 3 is in schematic form one by computer controlled system shown. It can be seen that the cell initially has a metal jacket 10, which is generally made of steel and in which in the tibli »· - Chen way is an insulating layer 12, which consists of a desired material such as alumina, bauxite, clay, aluminum silicate, Brick, etc. can be made. Inside the insulating layer 12 is the cell lining 14, which can consist of any material such as soles, alumina, fused alumina, silicon carbide, silicon nitrate, bonded silicon carbide and others. G-ever the lining consists of a large number of carbon blocks or forms a pressed carbon mixture ν
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oder eine Kombination eines solchen Kohlenstoffgemisches für den Boden der Auskleidung während die Seiten und Endwände aus Kohlenstoff konstruiert sind. Die Seiten und Endwände können aber auch aus Blöcken von Siliciumcarbid oder einem anderen geeigneten feuerfesten Material hergestellt sein. Die Auskleidung 14 bildet eine Kammer, die wie beschrieben ein Becken mit geschmolzenem Aluminium 16 und einen Körper aus geschmolzenem Elektrolyten oder ein Bad 18 enthält.or a combination of such a carbon mixture for the bottom of the liner while the side and end walls are constructed from carbon. The sides and end walls but can also be made from blocks of silicon carbide or other suitable refractory material be. The liner 14 forms a chamber which, as described, is a pool of molten aluminum 16 and a body of molten electrolyte or bath 18 contains.
Oberhalb des Elektrolyten aufgehängt und teilweise in diesen eintauchend sind Anoden 20 vom herkömmlichen Typ angebracht, die also aus Kohlenstoff bestehen und hier als vorgesinterte Anoden gezeigt sind. Der geschmolzene Elektrolyt 18 ist mit einer Kruste 22 überzogen die im wesentlichen aus erstarrten Elektrolytbestandteilen und zusätzlicher Tonerde besteht. Wenn das Aluminiumoxid in dem Elektrolyten 18 verbraucht ist, wird die Kruste mit einem geeigneten, nicht dargestellten Krustenbrecher zerbrochen und weitere Tonerde in den Elektrolyten eingebracht, was durch Öff-· nen des Ventils 24 geschieht, wodurch die Tonerde aus dem Einfülltrichter 26 zugesetzt wird<, Die Anode ist über die Anodenstromschiene 28 mit dem positiven Pol einer ElektrolysenstrOmquelle verbunden. Zur Vervollständigung des elektrischen Stromkreises sind kathodische Stromleitungselemente oder Stromschienen 30 vorgesehen«, Die Stromschienen 30 führen durch geeignete Öffnungen in dem Metallmantel und der Suspended above the electrolyte and partially immersed in it, anodes 20 of the conventional type are attached, which consist of carbon and are shown here as pre-sintered anodes. The molten electrolyte 18 is covered with a crust 22 which is essentially consists of solidified electrolyte components and additional clay. When the alumina is in the electrolyte 18 is consumed, the crust is broken with a suitable, not shown crust breaker and others Alumina introduced into the electrolyte, which is nen of the valve 24 happens, whereby the alumina from the hopper 26 is added <, the anode is about the Anode busbar 28 with the positive pole of an electrolysis current source tied together. Cathodic power conduction elements are used to complete the electrical circuit or busbars 30 provided «, the busbars 30 lead through suitable openings in the metal jacket and the
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Isolierungsschicht in die Zelle. Die äußeren Enden des Elements sind durch geeignete Vorrichtungen rait der anderen Seite des Zuleitungskabels verbunden. Insulation layer in the cell. The outer ends of the Elements are connected to the other side of the feeder cable by suitable devices.
Wie in Pig. 3 gezeigt, Bind die Zellen in Reihe über einen Stromstoßerreger 32 und ein Amperemeter (I) 34 mit einer geeigneten Stromversorgung verbunden, wobei eine Seite der Zuführung zu dem Anodensystem der ersten Zelle und die Kathode der ersten Zelle wiederum mit der Anode der zweiten Zelle verbunden ist usw. und die Kathode der letzten Zelle-mit der anderen Seite der Zuleitung verbunden ist. Die Zellen besitzen auch geeignete Vorrichtungen zum Heben und Senken der Anoden 20, wie z. B. einen Luftmotor oder ein Solenoidventil 36, eine geeignete Vorrichtung zum Zerbrechen der Kruste (nicht dargestellt) für jede Zelle und die vorher besprochene Klappe mit den Ventilen, die in geeigneter Weise wie etwa durch Luft über Solenoidventile in Betrieb gesetzt werden. Ein Voltmeter 38 (El-E last) ist zwischen Anode und Kathode einer Zelle geschaltet und liefert einen Anzeigewert für den Spannungsabfall innerhalb der Zelle. Ein geeigneter Computer 40 ist, wie die Figur zeigt, in ,das System eingeschaltet«, Durch eine Trennfläche 42 hat der Computer ein programmiertes Lese- Λ gerät, das mit einem Stromstoßerreger 32 verbunden ist. Ebenfalls betrieblich verbunden mit dem Computer 40 sind Bedienungsschalttafeln 44, Lochstreifenstanzer 46, Bänäschjeiber 48 und Blattschreiber 50.Like in Pig. 3, the cells are connected in series via a surge exciter 32 and an ammeter (I) 34 to a suitable power supply with one side of the lead connected to the anode system of the first cell and the cathode of the first cell in turn connected to the anode of the second cell is etc. and the cathode of the last cell - is connected to the other side of the lead. The cells also have suitable devices for raising and lowering the anodes 20, such as e.g. An air motor or solenoid valve 36, a suitable crust breaking device (not shown) for each cell, and the previously discussed flap with the valves actuated in a suitable manner such as by air via solenoid valves. A voltmeter 38 (El-E last) is connected between the anode and cathode of a cell and provides an indication of the voltage drop within the cell. A suitable computer 40, as the figure shows, in, turned on the system ", by a separation area 42 of the computer, a programmed read Λ has device that is connected to an impulse excitation 32nd Also operationally connected to the computer 40 are control panels 44, paper tape punches 46, bankers 48 and chart recorders 50.
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Das Verfabrensabtastprogramm kann allgemein als ein Programm mit einer Vielzahl von funktionellen Programmen beschrieben werden, die sur Überwachung und Steuerung der Anlage dienen. Beim Ablauf des Abtastprogramms, das nach einer Ausführungsform der Erfindung /programmiert- ist, daß es in vorher festgesetzten Zeitintervallen erfolgt, programmiert der Computer entweder eine ETetzspannungsschwankung mit Hilfe eines Stromstoßerregers 52 durch die Grenzfläche 42 oder er programmiert einen Anodeneffekt (d. h. durch Verarmung einer ausgewählten Zelle, wobei verschiedene Zellen zu diesem Zweck in unterschiedlichen Ausdrücken ausgewählt werden und Vorrichtungen vorhanden sind, um den Anodeneffekt festzustellen, so daß der Computer das Abtastprogramm umstellen kann).oder wenn ein Anodeneffekt natürlich auftritt und während der Netzspannungsschwankung prüft er selektiv die Spannung jeder einzelnen Zelle, was durch die Voltmeter 38 (El-S last) ermöglicht wird. Gleichzeitig liest der Computer die Stromstärke der Leitung mit Hilfe des Amperemeters 54 ab., das in die eine Seite der Leitung geschaltet ist. Die Gegenspannung wird dann von dem Computer 40 gemäß der ol>en beschriebenen Formel berechnet, die gesichert ist» Wenn, der Computer bei seiner Abtastung feststellt, daß sich die Gegenspannung einer vorher festgelegten Schwelle nähert (es sei daran erinnert, daß die Kurve der Gegenspannung umgekehrt proportional zu der Kurve derThe process scanning program can generally be used as a Program with a variety of functional programs are described, which are used to monitor and control the system. During the execution of the scanning program, which after an embodiment of the invention / programmed is that if it occurs at predetermined time intervals, the computer either programs a voltage fluctuation with the aid of a surge exciter 52 through the interface 42 or he programs an anode effect (i.e. by depletion of a selected cell, with different cells for this purpose in different terms be selected and devices are in place to support the Determine anode effect, so that the computer runs the scanning program or if an anode effect occurs naturally and checks during the mains voltage fluctuation he selectively the voltage of each individual cell, which is made possible by the voltmeter 38 (El-S last). Simultaneously the computer reads the current strength of the line with the help of the ammeter 54. That is in one side of the line is switched. The counter voltage is then provided by the computer 40 calculated according to the formula described above, the is secured »If, during its scan, the computer detects that the counter voltage approaches a predetermined threshold (it is recalled that the curve the counter voltage is inversely proportional to the curve of the
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Aluminiumoxidkonzentration verläuft und daß der Prozent™ '. gehalt an Aluminiumoxid so niedrig wie möglieb, das hei(3t, bei etwa 2 bis 3 Gew.-$ gehalten v/erden soll)9 so läuft sofort ein spezielles Programm ab, wodurch der bestimmten Zelle, die sich der Schwelle nähert, über Signale des Computers, die Krustenbrechervorricbtung, die die Kruste bricht, zugeführt werden, sowie Signale, durch die das Schieberventil 24 in der ermittelten Zelle betätigt wird, um die Alurainiumoxldkonzentration in dem Bad zu erhöhen» Die Elektrolyse in der Zelle nimmt dann weiter ihren normalen Verlauf, bis wieder festgestellt wird, daß sich die. Zelle dem vorher festgesetzten Grenzwert nähert»Alumina concentration runs and that the percent ™ '. (to 3t, v maintained at about 2 to 3 wt .- $ / ground) alumina content as low as möglieb, that is 9 so a special program proceeds immediately, causing the particular cell which approaches the threshold, via signals of the computer, the crust breaking device that breaks the crust, as well as signals by which the slide valve 24 in the detected cell is operated in order to increase the aluminum oxide concentration in the bath »The electrolysis in the cell then continues its normal course, until it is found again that the. Cell approaches the previously set limit »
Wie früher gezeigt, beruht die Bestimmung der Gegenspanntmg in jeder Zelle darauf, daß in dem in die Zellen eingespeisten Strom eine Gradientenänderung erzeugt, eine Messung der Spannung und des Stroms innerhalb der Zelle bei "er'^hiedenen Werten des Stromgradienten durchgeführt und die Gegenspannung auf der Basis dieser Information berechnet und dann die Aluminiumoxidzufuhr zu der Zelle ein—^ gestellt wii'd. Ein derartiger Stromgrädient kann in ver-= ; sebiedener Weise geliefert werden. Einmal kann.-de* Computer so programmiert sein, daß er den inder Zeichnung dargestellten Stromstoßerreger (.d „ h, einen Stuf ©nt ra ns» formator, eine mit der Stromversorgung in Reibe gescha1~ tete Eisenkernspule oder dgl. zur Erzeugung eines Impulses .; As shown earlier, the determination of the countervoltage in each cell is based on the fact that a gradient change is produced in the current fed into the cells, a measurement of the voltage and the current within the cell is carried out at elevated values of the current gradient, and the countervoltage is based on . sebiedener way be delivered once kann.-de * computer be programmed so that it the in the drawing; wii'd calculated based on this information and then turn the alumina feed to the cell provided ^ such Stromgrädient can in comparable =. .; energizing current pulse shown (.d "h a ra ns nt stuf ©» formator, one with the power supply in the rubbing gescha1 ~ preparing iron-core coil or the like for generating a pulse.
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ία dem Leitungsstrom) steuert. Während des programmierten Entnehmens werden Ablesungen von Spannung und Strom innerhalb der einzelnen Zellen in auf den Stromgradienten aufeinanderfolgenden Intervallen dem Computer zugeleitet.ία the line current) controls. During the programmed Readings are taken of the voltage and current within the individual cells in successive steps on the current gradient Sent to the computer at intervals.
In anderen Einrichtungen kann eine mit Starkstrom betriebene Ziehenlage, wie z. B. ein Kaltwalzwerk, mit der gleichen Stromversorgung verbunden sein und Stromstöße in der Leitung können durch geeignete Empfangsvorriebtungen aufgenommen und zu dem Computer geleitet werden. Der Computer beginnt wiederum sofort mit dem Abtastprogramm, um die gewünschten Daten zu entnehmen.In other facilities one can use a heavy current operated pulling position, such as B. a cold rolling mill, connected to the same power supply and power surges on the line can be picked up by suitable receiving devices and sent to the computer. The computer in turn immediately begins the scanning program to extract the desired data.
In einer weiteren Betriebsform kann ein Anodeneffekt in eine Zelle oder in wechselnde Zellen in dem System programmiert werden. Das heißt, ein Computer kann eine Zelle für einen Anodeneffekt auswählen und in soloh einem EaIl die Aluminiumoxidzufuhr in die Zelle lediglich verringern bis zu dem Zeitpunkt, wo die Tonerdekonzentration sich selbst reduziert bis zu dem Punkt, wo der Anodeneffekt eintritt. Als Folge tritt ein Stromgradient in der Leitung auf und mit Entnahme der Spannung und Stromstärke an den einzelnen Zellen in der Reihe während des Gradienten erfolgt die Berechnung der G-egenspannung für jede Zelle . der Reihe durch den Computero Eine andere Zelle wird vorzugsweise für jede aufeinanderfolgende Datenentnahme programmiert, wenn eine solche Methode angewandt wird. Ein natür-In another mode of operation, an anode effect can be programmed into a cell or alternating cells in the system. That is, a computer can select a cell for an anode effect and in so doing merely reduce the alumina feed into the cell to the point where the alumina concentration reduces itself to the point where the anode effect occurs. As a result, a current gradient occurs in the line and by taking the voltage and current strength from the individual cells in the series during the gradient, the G voltage is calculated for each cell. in turn by the computer o A different cell is preferably programmed for each successive data extraction when such a method is used. A natural
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4|£aöfP; 4 | £ aöfP ;
lieh auftretender Anodeneffekt kann ebenfalls für diesen -«I Zweck benutzt werden. -Borrowed anode effect can also be used for this - «I. Purpose to be used. -
Ee wurden.in einer herkömmlichen Zelle mit vorgebrannter Anode, wie sie mehr oder weniger schematisiert In-I1Ag. dargestellt ist, Versuche durchgeführt, wobei die'Zellen, acht vorgebrannte Anoden enthielt. Die Abmessungen der Anoden waren 57 x 57 x 38 cm. Die Zelle wurde während des Versuchs mit 25 000 A betrieben.Ee were.in a conventional cell with a pre-burnt anode, as it is more or less schematized In-I 1 Ag. is shown, experiments were carried out, the cells containing eight pre-burned anodes. The dimensions of the anodes were 57 x 57 x 38 cm. The cell was operated at 25,000 A during the experiment.
In einem Versuch wurde die Zelle mit einem Spannungs-. abfall von etwa 5,1 V betrieben. Ein durchschnittlicher Abstand Anode-Kathode von 5 cm würde während des Versuchs aufrechterhalten. Die Zelle enthielt im Durchschnitt 17, 8 cm Elektrolyt und 12 Gm flüssiges Metall auf dem Boden. Die Temperatur des Bades schwankte zwischen ungefähr 980° und 1000° C. Die Messungen wurden durchgeführt durch Erzeugung einer Gradientenänderung in dem Speisestrom der Zelle. Spannungs- und Strommessungen wurden mit einem Voltmeter bzw. einem Amperemeter durchgeführt. Messungen der Sp.annung und des Stroms innerhalb der Zelle für verschiedene Werte des Stromgradienten wurden durchgeführt und die. Gegenspannung und der Widerstand des Bades nach dem oben besprochenen Verfahren berechnet. Gleichzeitig wurden Proben des Elektrolyten entnommen und nach dem herkömmlichen Verfahren der nassen chemischen Analyse auf die Konzentration an Aluminiumoxid analysiert.In one experiment, the cell was operated with a voltage. drop of about 5.1V operated. An average anode-cathode distance of 5 cm would be used during the experiment maintain. The cell contained an average of 17.8 cm of electrolyte and 12 µm of liquid metal on top Floor. The temperature of the bath varied between approximately 980 ° and 1000 ° C. The measurements were carried out by Generating a gradient change in the supply current of the Cell. Voltage and current measurements were made with a voltmeter or an ammeter. Measurements of the voltage and the current within the cell for different values of the current gradient were carried out and the. Counter-voltage and the resistance of the bath to the top discussed procedure is calculated. At the same time, samples of the electrolyte were taken and analyzed using the conventional method of wet chemical analysis Analyzed concentration of aluminum oxide.
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Tabelle I gibt die Ergebnisse dieses Versuchs wieder. Die Tabelle zeigt die Änderung der Gegenspannung mit wechselnder Aluminiumoxidkonzentration und ferner die Widerstand swerte des Bades bei verschiedenen Aluminiumoxidkonzentrationen. Table I gives the results of this experiment. The table shows the change in the counter voltage with changing aluminum oxide concentration and also the resistance values of the bath at various aluminum oxide concentrations.
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ait der gl © iol3®E EnIIe 9 afee-s ait T®BS.öhi9ähabenQQä.Anöd®n.-ä@s-. "gleiofaea @ s5I @ s Ia (älese® case would'die cell'-old ä © ® norm leu.Spanauagaabfa 11 toe 5.08 'T and'-a duro-faeobidbiilioben distance-anode-cathode yon-4 9 5 om operated "The temperature of the electrolyte" was about the average during Tersuobs
-26-90983S/1119 --26-90983S / 1119 -
990° C. Die Tiefe des flüssigen Metalls betrug im Durchsohllitt 12,7 om und die Tiefe des Bades im Durchschnitt 16,5 om. Dieser Versuch veranschaulicht zwei markante Beziehungen im Vergleich zu Tabelle I. Die erste Beziehung ist die Abhängigkeit der Kurvenwerte der Gegenspannung von dem Anoden-Kathoden-Abstand. Sie veranschaulicht ferner, daß die Form der Kurve reproduzierbar ist und nur ihre lage sich mit dem Abstand Anode-Kathode verändert. Die zweite wichtige Beziehung ist, daß die WiderstanäsweEte des Bades merklich verschieden sind. Dies ist nicht nur auf eine Veränderung des Abstünde .Anode-Kathode zürüökssu» ..';: führen. Wie bereits früher ausgeführt-, 'lsi'anzunehmen:,- ■".-■'■. daß dies auf eine abweichend® SopogEapisie auf. ü®n unteren.:'-.' Släötaen'der Aaoöea bsi diesem Yersraots surtioksufttbren" ist,; ". ;990 ° C. The depth of the liquid metal in the penetration hole was 12.7 om and the depth of the bath was on average 16.5 om. This experiment illustrates two striking relationships in comparison with Table I. The first relationship is the dependence of the curve values of the countervoltage on the anode-cathode distance. It also shows that the shape of the curve is reproducible and only its position changes with the distance between the anode and the cathode. The second important relationship is that the resistance values of the bath are markedly different. This is not only due to a change in the distances .Anode-cathode zürüökssu ».. ';: lead. As already stated earlier, 'lsi' to assume:, - ■ ".- ■ '■. That this is due to a different® SopogEapisie on. Ü®n lower.:'-.'Släötaen'der Aaoöea bsi this Yersraots surtioksufttbren "is;".;
Dies kann auf irg8ffiö©iü@ Abhängigkeit der Stropdiobte"-von. This can be due to irg8ffiö © iü @ Dependence of the Stropdiobte "-von.
Safeell© IISafeell © II
1,631.63
19641 9 64
1?56
(Aluminiumoxid wurde zwischen den Messungen 7 uaö 81 ? 56
(Aluminum oxide was found between measurements 7 uaö 8
90983S/1 -1 S-990983S / 1 -1 S-9
139H2
139
Die'se-Versuche erläutern die Nützlichkeit der vorliegenden Erfindung. Wie bier gezeigt, kann die Aluminiumoxidkonzentration in dem Elektrolyten zu jedem Zeitpunkt nach den hier beschriebenen/Verfahren bestimmt werden. Wenn man die Konzentration des Aluminiumoxids zu irgendeinem gegebenen Zeitpunkt kennt, "kann man die Konzentration den Erfordernis*- sen nach reinstellen, um sie auf einem konstanten Wert zu halten. Bei konstanter Messung oder mit schnellen genauen Messungen der Aluminiumoxidkonzentration ist es auch möglich, kontinuierlich eine kleine Menge Aluminiumoxid der Zelle zuzusetzen1 und so die Betriebskonzentration an Aluminiumoxid sogar noch besser in der Nähe eines gewünschten konstanten Werts zu halten.The 'se experiments illustrate the usefulness of the present invention. As shown herein, the alumina concentration in the electrolyte can be determined at any point in time using the methods described herein. If one knows the concentration of the aluminum oxide at any given point in time, "the concentration can be adjusted as required in order to keep it at a constant value. With constant measurement or with rapid, accurate measurements of the aluminum oxide concentration, it is also possible, continuously add a small amount of aluminum oxide to the cell 1 and thus keep the operating concentration of aluminum oxide even better near a desired constant value.
-28--28-
9098 36/11 5 99098 36/11 5 9
Claims (1)
einer tlraileatenänderung. in -Sem eingespeisten
Strom auf den gewünschten Betriebestand eingestelit und(a) the decency of generation
a tlraileaten change. fed into -Sem
Electricity set to the desired operating status and
der Gradlentenänderung in dem eingespeisten
Strom konstant gebalten -wird.(b) the anode-cathode distance during generation
the graduation change in the fed
Electricity is kept constant.
wird, "bis eine Stabilisierung der Widerstandskurve der
Zelle eingetreten ist, bevor die Gradientenänderiing in dem eingespeisten Strom erzeugt wird«10. The method according to claim 9Y daäurcb characterized in that waited after the setting of the distance Anpäe — Eatbode
will "until a stabilization of the resistance curve of the
Cell entered before the gradient change is generated in the injected current «
3 Gew.-^gehalten1Ϊ. The method of claim 7, characterized in that the concentration of aluminum oxide is from about 2 # to about
3 wt .- ^ held
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