DE1925201A1 - Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseofens fuer die Reduktion von Aluminiumoxyd - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE 8902 AUGSBURG-GÖGGINGEN, den

v. Eichendorff-Straße 10

DR. ING. E. LIEBAU un„,z.id,_c„ B 7509 DlPl. ING. G. LI E BAU "

Ihr Zeichen

Ihre Nachricht vom

REYNOLDS METALS COMPANY
Henrico Towne, Virginia / U.S.A.

Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseofens für die Reduktion von Aluminiumoxyd

Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur wirksamen Steuerung von Elektrolyseöfen zur Aluminiumherstellung den Ofenwiderstand in bestimmter Weise heranzuziehen, so daß er ein objektives Vergleichsmaß zum Überwachen der Arbeitsweise des Ofens liefert. Eine derartige Steuer- und Überwachungsmethode ist in unserer noch anhängigen Patentanmeldung P 14 83 343,3 beschrieben und beansprucht worden,

to Nach der in der genannten Anmeldung gegebenen Lehre wird

^ ein bestimmter Reduktionsofen über bestimmte Zeitabschnitte

^ hinweg mit relativ gleichbleibenden Anoden-Kathoden-Abstatter den betrieben. Der Ofen wird danach objektiv gesteuert, indem to Aluminiumoxyd in Abhängigkeit von Änderungen des Ofenwider- *** stands in das Elektrolysebad gegeben wird. Die Erfindung betrifft bestimmte Änderungen des Grundgedankens der obengenannten Anmeldung»

Bei einer Verfahrensweise der genannten Anmeldung wird die

Telegr.-Adr.: ELPATENT Postscheckkonto München 86510 Deutsch· lank Aucjiburg Kto. 08/34192

Zufuhr von Aluminiumoxyd so gesteuert, daß der Elektrolyseofen auf einem für einen gegebenen Anoden-Kathoden-Abstand geringsten Widerstand gehalten wird; der Abstand zwischen Anoden und Kathoden wird, wie erwähnt, konstant gehalten· In der Praxis wird jedoch der Abstand zwischen Anoden und Kathoden von dem Bedienungspersonal ständig verändert· Diese Änderungen erfolgen im allgemeinen nicht, um den Verfahrensablauf zu steuern, sondern sie ergeben sich als Folge besonders schnellen AnodenVerbrauchs, wegen überhitzter Anoden oder vielleicht wegen verstellter Anodenanschlüsse usw. Ziel der Erfindung ist ein objektives Verfahren zur Ofen-

Λ steuerung, das diese zahlreichen Änderungen des Anoden- ™ Kathoden-Abstands berücksichtigt.

Es hat sich ferner ergeben, daß in vielen Fällen eine merkliche Widerstandsänderung des Elektrolyseofens erst lange nach der Zugabe von Aluminiumoxyd eintrat, mit der eine solche Widerstandsänderung hervorgerufen werden sollte. Diese Verzögerung führte dazu, daß die Zugaben weit über den Zeitpunkt hinaus fortgesetzt wurden, zu dem sie hätte unterbrochen werden sollen; diese Elektrolyseöfen sind dadurch "krank" geworden. Das gilt insbesondere für Söderberg-Öfen, bei denen die Verteilung des zugegebenen Aluminiumoxyds schwieriger ist. Es ist daher ein weiteres Ziel der Erfindung, ein fe objektives Verfahren für das Beschicken eines Ofens zu entwickeln, mit dem Ziel, eine übermässige Beschickung zu ver* hindern.

Der Minimalwiderstand eines bestimmten Reduktionsofens tritt bei einer bestimmten Aluainiumoxyd-Konzentration des Bades auf, und der Ofenwiderstand nimmt zu, wenn die AIuminiumoxyd-Konzentration einen anderen Wert annimmt. Um die Beschickung eines Reduktionsοfens so zu steuern, daß der Minimalwiderstand nicht überschritten wird, ist es aber erforderlich, zu bestimmen, ob ein höherer Widerstandswert von einer zu hohen oder einer zu niedrigen Konzentration von

909848/079 6

192520

Aluminiumoxyd herrührt; diese Bestimmug ist für das Bedienungspersonal nur schwer zu treffen, weil der blosse Wert des Ofenwiderstands keine derartige Aussage erlaubt. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist daher darin zu sehen, daß eine Ofensteuerungsmethode angegeben wird, bei deren Anwendung eine niedrige Aluminiumoxyd-Konzentration durch einfaches Aufzeichnen des Ofenwiderstands ermittelt wird.

Bei der Verbesserung der in der obenerwähnten Anmeldung angegebenen Steuerung eines Elektrolyseofens hat es sich herausgestellt, daß es nicht notwendigerweise einen bestimmten Widerstandswert gibt, bei dem der Ofen beschickt werden sollte, so wenig eine bestimmte Beschickungsmenge vorzusehen ist. *

Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß, abgesehen vom Auftreten von Anodeneffekten, grosse und schnelle Änderungen des Ofenwiderstands fast immer auf Änderungen des Anoden-Kathoden-Abstands im Ofen zurückzuführen sind, während verhältnismässig langsam ablaufende Widerstandsänderungen auf Änderungen der Aluminiumoxyd-Konzentration im Ofen zurückzuführen sind. Auch auf diesen Beobachtungen beruhen die mit der vorliegenden Erfindung zu gebenden Lehren. Der Ofenwiderstand wird nämlich ständig überwacht, und beim Beobachten eines Obergangs von einem nach unten gerichteten Trend des Ofenwiderstands zu einem aufwärts gerichteten Trend, der auf den Verbrauch von Aluminiumoxyd im Ofen zurückzuführen ist, wird dem Ofen Alu- ä miniumoxyd nach Maßgabe eines vorher festgelegten Beschickungszyklus zugeführt. Ferner folgt bei dem Elektrolyseofen auf jeden Beschickungszyklus eine Ruhephase, während welcher auch dann keine Beschickung stattfinden darf, wenn durch die Widerstandswerte an sich eine weitere Beschickung angeregt werden müßte.

Wie erwähnt, wird die Beschickung oder Nichtbeschickung des Elektrolyseofens durch den Trend des Ofenwiderstands in jedem gegebenen Zeiptunkt bestimmt. Der Augenblickswert des Ofenwiderstands in jedem gegebenen Zeitpunkt hat nur geringen Einfluß. Zum Beispiel kann es nach dem erfindungsgemässen

909848/0796

Verfahren erforderlich sein, daß der Ofen beim Auftreten einer bestimmten Anzahl aufeinander folgender Widerstandsanstiege innerhalb eines vorbestimmten Zeitabschnitts beschickt wird, während in einem anderen BetriebsZeitpunkt des Ofens selbst ein noch höherer Widerstandswert keine Be» Schickung des Ofens auslösen darf.

Die Erfindung verlangt im einzelnen, daß der Anoden-Kathoden-Abstand des Elektrolyseofens zunächst so eingestellt wird, daß ein vorgegebener Widerstands- (oder Spannungs-) Wert erreicht wird. Danach werden verhältnismässig weite A Grenzen festgelegt, innerhalb derer der Ofenwiderstand vari-

^ ieren darf, ohne daß eine Änderung des Anoden-Kathoden-Abstands eintritt. So lange der Ofenwiderstandswert sich innerhalb dieser Grenzen hält, wird die Stellung der Anode in dem Ofen nicht verändert. Da der Ofenwiderstand ständig überwacht wird, wird eine Bestimmung des Miniaalwiderstands oder "Führungswiderstands" vorgenommen, der benutzt wird um zu entscheiden, wann der Ofen beschickt werden muß. Das heißt, die positiv geneigte Widerstands-Zeit-Kurve oder der Widerstandsanstieg muß oberhalb des am häufigsten bestimmten Führungswiderstands für den Ofen liegen.

Weitere wesentliche Merkmale und Vorzüge der Erfindung er-A geben sich aus der nachstehenden Beschreibung vorzugsweise

angewandter Formen der Erfindung, die an Beispielen dargestellt und in den zugehörigen Zeichnungen erläutert wird, die folgende Bedeutung haben:

Fig. 1 zeigt einen Aluminium-Reduktionsofen in schematischer Darstellung;

Fig. 2 zeigt den mit dem Gehalt an Aluminiumoxyd wechselnden Ofenwiderstand bei einem typischen Reduktionsofen;

Fig. 3 gibt ein Steuersystem für die Beschickung und die Anodeneinste!lung wieder, das für die Anwendung der

909848/0796

192520!

Erfindimg geeignet ist;

Fig. 4 zeigt ein Diagramm des Ofenwiderstands, wie es sich beim Ablauf mehrerer BeschickungsZyklen ergeben kann und das zur Erläuterung des erfindungsgemässen Verfahrens dienen kann,

Die Schemazeichnung Fig. 1 stellt eine praktisch wichtige Art eines Aluminium-Elektrolyseofens dar. Dieser Ofentyp ist als "pre^bake^-Ofen bekannt und unterscheidet sich insbesondere von dem ebenfalls bekannten Ofen des Söderberg-Typs, Die Anode des "prepake"-Ofens besteht aus einer Mehrzahl von ä Kohleblöcken 12. Die Anode eines Söderberg-Ofens besteht demgegenüber aus einer einheitlichen grossen Kohlemasse, die in situ während des Betriebs des Ofens geformt wird. Zwar ist die Erfindung bei beiden Ofentypen anwendbar, jedoch wird sie in erster Linie am Beispiel eines "prebake"-Ofens beschrieben.

Jeder der Kohleblöcke 12 nach Fig. 1 ist an eine positive Anodensammeischiene 14 durch geeignete, nicht gezeichnete Verbindungsteile angeschlossen.

Der Wannenteil d3s Ofens, insgesamt mit 15 bezeichnet, besteht aus einem Stahlgehäuse 16, das mit einer isolierenden Schicht 18 und einer kohlenstoffhaltigen leitenden Schicht 20 i ausgekleidet ist. In die Auskleidung 20 sind Eisenstäbe 22 eingebettet, die mit einer Kathodensammeischiene 24 verbunden sind, Die Auskleidung 20 nimmt ein Bad von schmelzflüssigem Aluminium26 und ein Bad von Aluminiumoxyd (A^Oj), gelöst in einem aus geschmolzenem Kryolith bestehenden Elektrolyten, auf.

Mit einer passend gewählten Spannung wird ein Elektrolysestrom von der positiven Sammelschiene 14 durch die Kohleblöcke 12, das Bad 28, das schmelzflussige Aluminium 26 und die Kohlekathode 20 geleitet. Dann fließt der Strom in die verschiedenen

909848/0796

I -J L· U <£ W f

stroraleitenden Eisenstäbe 22 und von dort über die Kathodensammelschiene 24 in einen nachgeschalteten Elektrolyseofen.

Der schmelzflüssige Elektrolyt 28 ist von einer Kruste 30 bedeckt, die hauptsächlich aus erstarrten Kryolith-Bestandteilen und ferner aus Aluminiumoxyd besteht. Wenn Aluminiumoxyd verbraucht wird, kann weiteres Aluminiumoyd in das Bad eingebracht werden, indem entweder ein Teil der Kruste 30 eingedrückt wird oder, gemäß Fig. 3, eine mechanische Aluminiumoxyd-Beschickungseinrichtung 31 verwendet wird. Mit dem Fortschreiten des Elektrolyseprozesses sammelt sich schmelzflüssiges Aluminium in dem Bad 26, und der Sauerstoff des Aluminiumoxyds verbindet sich mit dem Kohlenstoff der Anode. Daher muß das sich sammelnde Aluminium periodisch abgehebert oder aus der Schmelze 26 "abgezapft" werden, und die Kohleblöcke sind zu ersetzen. Bei "prebake"-öfen werden periodisch vollständige neue Kohleblöcke eingesetzt, während bei Söderberg-Öfen neuer Kohlenbrei oben an der Einzelanode zugefügt wird«

Gewöhnlich werden 150 oder noch mehr Aluminium-Reduktionsöfen in Reihe zusammengesehaltet. Ein Amperemeter 32 mißt den die öfen durchsetzenden Strom und ein Spannungs- und Widerstandsmesser 34 dient zum Messen der Spannung undXder des Widerstands an jedem Ofen.

Beim Betrieb eines Ofens nach dem in der erwähnten, noch schwebenden Anmeldung angegebenen Verfahren wird dieser so beschickt, daß der Ofenwiderstand sich ungefähr auf dem Minimalwert 38 (Fig. 2) für einen gegebenen Anoden-Kathoden-Abstand hält. Hierzu wird nach der Methode der erwähnten Anmeldung der Anoden-Kathoden-Abstand auf einen Wert eingestellt, der als optimal angesehen wird, und danach wird angenommen, daß dieser Abstand im Rahmen eines gegebenen BetriebsZyklus in dem Ofen im wesentlichen konstant bleibt.

Wie erwähnt, sieht demgegenüber die vorliegende Erfindung vor,

909848/0796

laß während des Betriebes des Ofens und während der Beschickungszyklen periodische Einstellungen der Anode zu verschiedenen Zeiten und aus unterschiedlichen Gründen vorgenommen werden. Ferner ist der Ofen erfindungsgemäß so zu betreiben, daß Beschickungszyklen unterschiedlicher, vorgegebener Art vorgesehen werden, wobei nach jedem Beschickungszyklus eine obligatorische Ruhephase einzuschalten ist, während welcher der Ofen nicht beschickt werden darf; demgegenüber sieht zwar die erwähnte schwebende Anmeldung die Beendigung der Ofenbeschikkung aus verschiedenen bekannten Gründen vor, nicht aber die erfindungsgemässe obligatorische Beschickungspause·

Gemäß Fig. 2 entspricht bei festliegendem Anoden-Kathoden-Abs tan d ein minimaler Ofenwiderstand einem bestimmten Gehalt an Aluminiumoxyd, beispielsweise (Fig. 2) dem Gehalt 5 I. Nimmt der Aluminiumoxydgehalt zu,.so wächst auch der Widerstand längs einer Kurve mit "negativer" Neigung, d.h. die Kurve steigt nach links aufwärts· Wird der Aluminiumoxydgehalt zu hoch, tritt "Verschlammung" ein, und der Ofen wird "krank". Der Ofenwiderstand nimmt auch zu, wenn der Aluminiumoxydgehalt abnimmt· Unter Umständen wird ein Punkt erreicht, in dem der Ofen unter Bedingungen gelangt, die im allgemeinen als "Anoden-Effekt" bezeichnet wird. Diese Widerstandszunähme verläuft jedoch mit positiver Neigung· In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß der Ofenwiderstand nach einer umfangreichen Beschickung, etwa durch Eindrücken grosser Massen der Kruste, zunächst bis zum Minimalpunkt 38 abnehmen muß, ehe e-r wieder zunimmt, wenn der Gehalt an Aluminiumoxyd gegen 2 % Gehalt hin (Fig. 2) abnimmt. Infolgedessen kann unter der erfindungsgemässen Einhaltung einer Ruhephase der Oberwachungsmann am Ofen feststellen, ob eine auftretende Widerstandszunähme einem abnehmenden Aluminiumoxydgehalt zuzuschreiben ist, indem er eiriäch feststellt, ob der Widerstand zunächst einen relativen Minimalwert durchlaufen hat. Dieser einfache Grundgedanke ist von den älteren bekannten Steuerungsverfahren verändert worden, bei denen eine Technik des im wesentlichen kontinuierlichen Beschickens in der Ab-

909848/0796

sicht angewendet worden ist, in dem Ofen einen Minima!widerstand aufrechtzuerhalten, ohne dem Ofen eine Möglichkeit zu geben, die gesamte zuvor zugeführte Menge AlumJniumoxyd zu verarbeiten.

Zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens läßt- sich %,B. eine in Fig. 3 schematisch angegebene Anlage verwenden. In dieser Anlage werden die anodischen Kohleblöcke mittels einer Stellmechanik 40 für die Anode aufwärts oder abwärts bewegt; die Stellmechanik arbeitet auf Grund von Signalen aus einer Systemsteuerung 42, deren technische Ausgestaltung als einfache Schalttafel erfolgen oder bis zu einem Computer verfeinert werden kann. In manchen Fällen kann es sich sogar empfehlen, die Anode von Hand zu verstellen. Eine übliche Beschickungseinrichtung 31 für Aluminiumoxyd wird durch einen Beschickungsregler 44 gesteuert, der seinerseits Steuerimpulse von der Systemsteuerung 42 empfängt. Wenn auch verschiedene Arten mechanischer Beschickungseinrichtungen im Rahmen der Erfindung anwendbar sind, wurde als bestgeeignet eine Bauweise ermittelt, bei der das Beschickungsorgan in vorgegebenen Intervallen durch den Mittelteil der Kruste 30 stößt und dabei ebenfalls vorgegebene Mengen Aluminiumoxyd in das Bad 28 einträgt.

Stromstärke und Spannung des Ofens werden periodisch überprüft und der Ofenwiderstand wird ermittelt. In einer Anlage, in der die Erfindung angewandt worden ist, wurde beispielsweise der Ofenwiderstand etwa alle drei Minuten ermittelt. Dazu wurden alle dreissig Sekunden vier schnelle Widerstandsmessungen gemacht, und der Dreiminutenwert des Widerstands ergab sich als Resultat der Widerstandsmittelwerte, nachdem sie einer exponentieIlen Glättung unterworfen worden waren.

Es ist bereits erwähnt worden, daß die Erfindung in erster Linie ein objektives Verfahren der Ofensteuerung betrifft,

909848/0796

wonach die Einleitung eines vorgegebenen Beschickungszyklus durch den Trend des Ofenwiderstands bestimmt wird, und bei dem die verschiedenen Beschickungszyklen durch eine vorbestimmte Mindestruhezeit voneinander getrennt sind. Bevor dieser Erfindungsgedanke im einzelnen besprochen wird, sollen die Merkmale der Anodensteuerung beschrieben werden.

Üblicherweise sind Reduktionsöfen bisher dadurch geregelt worden, daß die Kruste periodisch eingedrückt wurde, um Aluminiumoxyd in das Bad einzuführen, und dadurch daß der Anoden-Kathoden-Abstand periodisch eingestellt wurde, um eine vorgeschriebene Spannung odx einen vorgeschriebenen Widerstand zu erzielen. Mit beiden Steuervorgängen wird der Ofenwiderstand verändert, Veränderungen des Anoden-Katho den-Abstands verändern den Widerstandsweg durch das Bad zwischen Anode und Kathode, und beim Eindrücken der Kruste wird der elektrische Widerstand infolge der Änderung des Aluminiumoxydgehalts im Bad verändert.

Jahrelang haben die Ofenarbeiter den vorgeschriebenen Widerstand eines Ofens empirisch ermittelt, in neuerer Zeit wurden diese vorgeschriebenen Widerstandswerte jedoch nach objektiveren Methoden bestimmt. Im allgemeinen wird der vorgeschriebene Widerstand eines Ofens auf eine Anzahl Faktoren gegründet, zu denen das Ofenalter, die Art der erzeugten Legierung und die Temperatur-Vorgeschichte des Ofens gehören. Diese Faktoren sind allgemein bekannt und werden hier daher nicht weiter erläutert. Es genügt die Angabe, daß der Ofen zu Beginn in Betrieb genommen wird, indem die Anode so eingestellt wird, daß ein spezieller vorgeschriebener Widerstandswert erreicht ist. Dieser Wert ist in Fig. 4 durch die Linie 50 des vorgeschriebenen Widerstands ^^Rset) ^darS^estellt·

Bisher war der Ofenarbeiter gehalten, die vorgeschriebene Spannung des Ofens zu überwachen und die Anode häufig zu

909848/0796

-10-

verstellen, um dadurch zu erreichen, daß ein vorgegebener Anoden-Kathoden-Abstand während der verschiedenen Betriebsabschnitte aufrechterhalten wird. Ein vorgegebener Anoden-Kathoden-Abs tand läßt sich aber nicht genau durch blosse Anodeneinstellung erzielen. Es wird gleich im einzelnen gezeigt werden, daß das erfindungsgemässe Verfahren auf einer Art der Widerstandsüberwachung beruht, die eine weit genauere Steuerung des Anoden-Kathoden-Abstands ermöglicht»

Fig. 4 zeigt, daß die Linie 50 des vorgeschriebenen Widerstands (bei 41,50 Mikro-Ohm) zwischen einer oberen Grenzlinie 52 bei 43,50 Mikro-Ohm und einer unteren Grenzlinie 54 bei 41,00 Mikro-Ohm liegt. Hierbei handelt es sich jedoch nur um Beispielsangaben, weil die Erfindung mit Grenzwerten ausgeübt worden ist, die um 10 % über dem vorgeschriebenen Widerstandswert R_g des Ofens und um 7 I unter R2 lagen. Andererseits ergibt sich aus den folgenden Ausführungen, daß manchmal eine bessere Steuerung möglich ist, wenn diese Grenzbereiche verkleinert werden. Während der obenerwähnten Testuntersuchungen haben sich die folgenden Grenzwerte als zweckraässig erwiesen: etwa 3 i von R_g für die untere Grenze und etwa 4 I von R2 für die obere Grenze,

Hinsichtlich des Änderns des Anoden-Kathoden-Abstands besteht ein wesentlicher Unterschied zwischen dem Erfindungsverfahren und den bekannten Steuermethoden darin, daß der Ofenarbeiter bisher die Anoden gewissermaßen gefesselt hielt, um eine gegebene vorgeschriebene Spannung einzuhalten, während gemäß der Erfindung eine Schwankung des Ofenwiderstands zwischen den genannten oberen und unteren Grenzen zulässig ist, Wenn jedoch der Augenblickswert des Ofenwiderstands aus diesem abgegrenzten Bereich heraustritt (wie in Fig. 4 bei dem Punkt 64), wird der Anoden-Kathoden-Abstand des Ofens geändert, damit der augenblickliche Widerstand näher an vorgeschriebenen Widerstand herankommt. Die erfindungsgemässe Methode unterscheidet sich demnach nicht nur von den bekannten Steuerungsverfahren, sondern auch von dem Verfahren nach

909848/0796

der erwähnten anhängigen Anmeldung, in der angenommen wird, daß der Anoden-Kathoden-Abstand während relativ langer Zeitabschnitte konstant bleibt. Diese Tatsache wird sich deutlicher bei der weiteren Besprechung der Fig, 4 zeigen, jedoch sollen zunächst die Merkmale des erfindungsgemässen Bes chicklings Vorgangs genauer untersucht werden.

Um eine wirklich objektive Ofensteuerung zu bekommen, müssen einerseits die erforderlichen Steuerkriterien genau bestimmt werden können und andererseits müssen die Ofen-Parameter so verändert werden können, daß diesen Kriterien entsprochen werden kann. Aus dem Obengesagten ergibt sich, daß I eine Steuerung der Anodenstellung allein keine befriedigenden Ergebnisse bringt. Demgemäß ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Ofenwiderstand genau überwacht wird, und daß die Beschickung des Ofens zu einem Zeitpunkt erfolgt, in dem der Ofenwiderstand sich auf dem positiven Ast des Anstiegstrends befindet, wobei aber auf jeden Beschickungsvorgang eine Ruhephase folgt, während dessen weitere Beschikkungsvorgänge unzulässig sind. Diese Betriebsweise ist in Fig. 4 dargestellt, in der der Kurvenzug 59 die Änderungen des Ofenwiderstands während des kontinuierlichen Betriebs eines Ofens nach der erfindungsgemässen Methode wiedergibt. Die Kreise 60 dagegen geben den FUhrungswiderstand R_t des Ofens in entsprechenden Zeitabschnitten T wieder« Der Füh- " rungswiderstand stellt einen Versuch dar, den Punkt minimalen Ofenwiderstands anzugeben, wie er in Fig. 2 durch den Punkt 38 bezeichnet ist.

Wie kurz gezeigt werden soll, wird immer dann ein neuer Minimalwiderstand (Führungswiderstand) angenommen, wenn zwei aufeinanderfolgende Widerstandswerte auf dem Kurvenzug 59 kleiner sind als der vorliegende Führungswiderstand, unabhängig von der relativen Grosse dieser beiden aufeinanderfolgenden Widerstandswerte. Mit anderen Worten, es wird ein

909848/0796

neuer R_t (R_tn) angesetzt, wenn

^Rt y ^Rn ^und ^^la·*

R_t > R_n+1 CIb)

wobei dann R_t = R oder auch, falls bevorzugt, R_tn gleich dem kleineren der beiden Werte R_n oder R₊₁. Ferner ist es in einigen Fällen erwünscht, den festgesetzten Wert R_t des Ofens auch dann zu verändern, wenn noch keine zwei aufeinanderfolgenden Werte niedrigeren Widerstands vorliegen. § Dieser Fall tritt zum Beispiel ein, wenn das Kurvenprofil des Ofenwiderstands erheblich verändert wird, etwa wenn der Ofenarbeiter eine grössere Änderung in der Stellung der Anode vornimmt oder nach Beendigung eines BeschickungsZyklus.

Zur Zeit Null (T ) war der vorgeschriebene Widerstand (Gerade 50) des betrachteten Ofens 41,50 Mikro-Ohm, sein Führungswiderstand 42,00 Mikro-Ohm, der tatsächliche Widerstand 42,50 Mikro-Ohm· In diesem Augenblick wurde der Ofen beschickt, und der Beschickungsabschnitt dauerte bis zur Zeit 3 (T₃), Darauf folgte eine Ruhepause von T₃ bis T₁₃ (d.h. von zehn Zeiteinheiten), und gemäß der erfindungsgemässen Methode konnte der Ofen während dieses Zeitabschnitts nicht beschickt werden.

Als der Ofen in die Ruhephase eintrat, wich sein tatsächlicher Widerstand R_n erheblich von dem vorgeschriebenen Widerstand ab. Daher wurde die Anode verstellt, um den tatsächlichen Widerstand in ungefähre Obereinstimmung mit dem vorgeschriebenen Widerstand R₅ zu bringen« Das ist durch den abwärts geneigten Pfeil 61 angedeutet, der vom Widerstandspunkt 62 zum Zeitpunkt T₃ bis zum Widerstandspunkt 63 zu» Zeitpunkt T₄ reicht; wegen dieser Änderung des Ofenwiderstands ergab sich ein neuer Führungswiderstand von 41,63 Mikro-Ohm zum Zeitpunkt T₄.

Im Zeitpunkt T_g sank der tatsächliche Ofenwiderstand mit

909848/0796

-13-

dem Punkt 64 unter die untere Grenzlinie 54 für R₂, so daß ein Signal oder eine Signalgruppe von der Systemsteuerung 42 auf die Stellmechanik 40 für die Anode übertragen wurde, um die Anode anzuheben und damit den Ofenwiderstand auf einen durch den Punkt 65 gekennzeichneten tatsächlichen Widerstand zu erhöhen, der etwas oberhalb des vorher eingeführten vorgeechriebenen Widerstands liegt.

Wegen dieser Änderung der Anodenstellung wurde der Ofenführungswiderstand neu bestimmt» In diesem Zusammenhang soll erwähnt werden, daß der Führungswiderstand einen Bezugswert für die Festsetzung liefert, wann eine Beschickung eingeleitet werden sollte. Während der Beschickungsphasen oder während besonderer Ereignisse (Ablassen von Schmelze oder Anodenveränderung) verliert der Führungswiderstand seine eigentliche Bedeutung und kann unberücksichtigt bleiben. Aber nach jeder Beschickungsphase bzw, nach jedem besonderen Ereignis wird der Anoden-Kathoden-Abstand den Erfordernissen entsprechend verändert, um den tatsächlichen Widerstand (R_n) bis auf beispielsweise etwa 1 I in Übereinstimmung mit dem vorgeschriebenen Widerstand (R_g) zu bringen. In Übereinstimmung mit den genannten Prinzipien wird dann der Führungswiderstand des Ofens neu bestimmt, um die Änderung der Ofenwiderstandskurve zu berücksichtigen. Nachdem der Führungswiderstand während der Beschickungsphase nicht überwacht wird, ist es eine einfache und empfehlenswerte Sache, den Führungswiderstand nach jedem Beschickungsabschnitt neu zu bestimmen, gleichgültig ob der Anoden-Kathoden-Abverändert worden ist ctder nicht.

Unter Berücksichtigung des Obengesagten hat es sich als zweckmässig erwiesen, den Führungswiderstand des Ofens nur willkürlich so zu bestimmen, als wäre er gleich dem augenblicklichen Widerstand, und dann diesen R^-Wert kontinuier lich anzuheben, wenn der Ofenwiderstand nachfolgend abnimmt« Das ist am Punkt 65 dargestellt, der im Zeitpunkt T

909848/0196

erreicht wird.

Eines der Kriterien, die im Rahmen der Erfindung angewandt werden, um den Zeitpunkt zu bestimmen, an dem ein Ofen beschickt werden muß, ist, daß ein gegebener augenblicklicher Widerstandswert R sowohl über dem am häufigsten aufgestellten Führungswiderstand und dem vorhergehenden augenblicklichen Widerstand R « liegt als auch unter dem nachfolgenden augenblicklichen Widerstandswert ^R _n+i· Mit anderen Worten: ein Beschickungssignal wird dann erzeugt, wenn

R_n > R_n., und (2a)

^Rt < ^Rn < Vi (^2b>

Entsprechend diesen Voraussetzungen und gemäß dem Verfahren nach der erwähnten anhängigen Anmeldung würde ein Beschickungssignal im Zeitpunkt T. <> (Fig. 4) erzeugt werden. Wegen der Forderung der vorliegenden Erfindung nach einer obligatorischen Ruhephase wurden jedoch bei dem hier betrachteten Ofen kein Beschickungsabschnitt eingeleitet. Dazu muß ein eine Ruhephase veranlassendes Übersteuerungssignal aus dem Steuerungssystem das im Zeitpunkt T-₂ erzeugte Beschickungssignal aufheben. Da die verlangte Ruhephase erst im Zeitpunkt T,, endete, konnte erst zu dieser Zeit eine Beschickungsphase eingeleitet werden. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß auch der Punkt 68 des tatsächlichen Widerstands die obengenannten Kriterien für das Einleiten eines Beschickungsabschnitts erfüllt, Punkt 68 liegt nämlich sowohl über dem Ftihrungswiderstand (Riq) des Ofens und dem vorhergehenden tatsächlichen Widerstand (Rj Λ als auch unter dem nachfolgenden tatsächlichen Widerstand am Punkt 70 (R^₂ ]> R^^ und ^R1O^ ^R12 ^ ^R13^* Natürlich konnte die Erfüllung des Kriteriums durch den Punkt 68 erst festgestellt werden, als der Punkt 70 bestiaat war« Daher wurde ein Beschickungsabschnitt erst bei ?,~ eingeleitet, d.h. um einen Zeitabschnitt nach Beendigung des von dem Steuerungssystem gegebenen Obersteu-

erungssignal zur Hervorrufung einer Ruhephase.

Dauer und Aufbau eines gegebenen Beschickungssignals hängt von zahlreichen Faktoren ab, von denen nicht der unwichtigste die Vorgeschichte eines speziellen Ofens ist. So haben z.B. ältere Ofen die Tendenz, Aluminiumoxyd etwas schneller zu lösen als andere. Im Hinblick darauf könnte die zwischen T- und T₂₀ liegende Beschickungsphase aus sieben Schritten der Beschickungsmechanik 31 mit 100-Sekunden-Intervallen und darauffolgenden elf Schritten mit 180-Sekunden-Intervallen bestehen; der gesamte Beschickungsabschnitt würde sich dann über 45 Minuten erstrecken. ä

Ein weiterer in Verbindung mit dem Aussehen eines bestimmten Beschickungsabschnitts stehender Faktor ist die Geschwindigkeit, mit der der tatsächliche Ofenwiderstand zunimmt. Wäre beispielsweise der tatsächliche Widerstand zum Zeitpunkt T₁₃ bei 70* gewesen, hätte es zweckmässig gewesen sein können, den Ofen sowohl schneller als auch während eines längeren Zeitabschnitts zu beschicken. In diesem Fall hätte die Beschickungsmechanik 31 so gesteuert werden können, daß z.B. elf Schritte in 70-Sekunden-Intervallen mit darauffolgenden dreizehn Schritten in 180-Sekunden-Intervallen abgelaufen wären. Der Ofen hätte in diesem Fall weitere sechs Chargen erhalten und wäre insgesamt während 52 Minuten beschickt f

worden. Nach dem Muster der obenbeschriebenen verschiedenartigen Beschickungsabläufe kann der Fachmann leicht weitere geeignete Beschickungsabläufe einrichten.

Im Zeitpunkt T₂₀ werden die Wirkungen des gerade abgeschlossenen Beschickungsabschnitts insofern offensichtlich als der tatsächliche Widerstand auf 42,00 Mikro-Ohm (Punkt 72) gefallen ist, d.h. er liegt nur wenig über dem vorher festgelegten Minimal- oder Führungswiderstand R_t (R₁₀) ^des Ofens. Zur Zeit T₂₁ war jedoch der tatsächliche Widerstand niedriger als der vorhergehende Wert von R^, und zur Zeit T₂₂ noch einmal niedriger. Daher wurde mit R₂₂ ein neuer Wert

909848/079 6

von R_t festgelegt, nachdem auf den bisherigen Wert \^ron R_£ zwei niedrigere Widerstandswerte CR₂I ^un<* ^R22^ folgten. Das heißt, es waren die Forderungen (la) und (Ib) erfüllt. Der Wert des neuen Führungswiderstands bei T₂₂ beträgt nach Fig. 4 41,63 Mikro-Ohm,

Die beiden nächsten Werte R₂₃ und R₂₄ lagen über F₂Z* ^R24 war nicht nur höher als R₂₂* sondern auch ein gegenüber R₂₃ höherer nachfolgender Wert. Daher war den Beziehungen (2a) und (2b) Genüge getan und waren die Voraussetzungen gegeben für die Einleitung einer Beschidcungsphase im Zeitpunkt T₂*, Jedoch trat das Beschickungssignal wiederum während eines obligatorischen Ruheabschnitts auf, so daß keine neue Beschickungsphase eingeleitet werden konnte. Im Zeitpunkt T-g lag der tatsächliche Widerstandswert wieder unterhalb des häufigsten R_t-Wertes, und im Zeitpunkt T₂₆ blieb der tatsächliche Widerstand unterhalb der festgelegten Höhe für ^Rt (^R22^* ^Daner wurde, obwohl R₂^ höher lag als R₂^ ein neues R_t festgelegt, weil auf R₂₂ zwei aufeinanderfolgende niedrigere Werte auftraten, wenn diese auch nicht zunehmend niedriger lagen« Darüber hinaus wurde dieser gerade erst festgelegte Wert R_t wiederum ersetzt, als dieselben Kriterien durch den tatsächlichen Widerstand im Punkt 78 zum Zeitpunkt T₂₈ erfüllt waren.

Die obligatorische Ruhephase, die von T₂₀ bis T₃₀ reichte, endete in einem Zeitpunkt, als zwei der aufeinanderfolgenden tatsächlichen Widerstandswerte höher lagen als das im Punkt 78 festgesetzte R^-Niveau. Da der tatsächliche Widerstand im Punkt 80 ebenso groß war wie der vorhergehende Wert, war jedoch das Beschickungskriterium nach der Beziehung (2b) nicht erfüllt. Im Zeitpunkt T₃₂ wurde dann aber ein Beschickungsabschnitt eingeleitet, weil in diesem Zeitpunkt (T₃₂) der vorhergehende Punkt 81 höher als R^. und Punkt 80, aber niedriger als Punkt 82 lag·

909848/0796

Es ist besonders zu beachten, aß der Ofenwiderstand im Punkt 32 (41, 87 Mikro-Ohm) beträchtlich niedriger lag als der uifanwiderstand im Punkt 70 (43,00 Mikro-Ohm), Das ist w-isRiiich, denn bei beiden der genannten !'ilders tandswerte wurden Beschickungsabschnitte begonnen, obwohl dazwischen keine Änderungen Jes Anoden-Kathoden-Abstands beobachtet wurden. Daraus ergibt sich, daß das erfindungsgemässe Verfahren erheblich von dem Verfahren nach der noch schwebenden Anmeldung abweicht, das, obwohl auch auf widerstandsgestöuerter Beschickung basierend, einige Gegebenheiten des Ofenbetriebs nicht berücksichtigt»

Der im Zeitpunkt T₃₂ begonnene Beschickungsabschnitt endete im Zeitpunkt T,-; hier trat der Ofen in eine weitere obligatorische Ruhephase ein. Im Zeitpunkt T₃^ wurde der Führungswiderstand willkürlich so eingestellt, daß er mit dem tatsächlichen Widerstand im Punkt 83 übereinstimmte, jedoch wurde im Zeitpunkt T-« ein weiterer neuer Führungswiderstand im Punkt 84 hergestellt, und auf diesen folgten noch niedrigere Führungswiderstände in den Punkten 85 bzw* 86 (T₄₄ bzw. T₄₆).

Die obligatorische Ruhepause endete im Zeitpunkt T₄^, wo ein neuer Beschickungsabschnitt eingeleitet wurde, obwohl die Bedingungen der Beziehungen (2) nicht erfüllt waren. Das ( hat seine Ursache in der Erfüllung eines weiteren Satzes von Beschickungskriterien, die folgendermaßen aussehen:

und (3a)

° (3b,

Mit anderen Worten: die Zunahme des tatsächlichen Widerstand

909848/0796

war so stark und geschah in so kurzer Zeit, daß der Ofen möglicherweise einem Anodeneffekt zusteuert, wenn nicht sofort eine Beschickung erfolgt, Wenn diese letztgenannten Kriterien zur Vermeidung von Anodeneffekten dienen konnten, so sind sie doch in manchen Fällen ausser acht gelassen worden, ohne daß sich an dem Ofen oder in seiner Wirkung deswegen besondere nachteilige Folgen bemerkbar gemacht hätten.

Wie oben erwähnt, wird es manchmal für erforderlich gehalten, die Kruste in dem Ofen zu einem grösseren Teil einzudrücken, Zum Beispiel ist es in manchen Fällen üblich, die Hälfte der Kruste oder auch die gesamte Kruste während jedes derartigen Vorgangs einzudrücken. Bei einem solchen Vorgehen verringert sich die Gefahr einer Verunreinigung der Wanne etwa durch eine Anhäufung von unverbrannter Kohle in dem Bad, Wenn die Kruste in dieser Weise eingedrückt wird, kann aber die Kohle abbrennen. Während dieser Zeit braucht man sich daher nicht um die Beschickung des Ofens oder um Führung zu bekümmern. Nach jedem Eindrücken der Kruste wird daher auch eine obligatorische Beschickungspause für den Ofen festgesetzt. Da ferner der Führungsvorgang abgeschlossen ist und daher keine Signale auftreten, wird der Anodensteuerung mehr Bedeutung zugemessen. Nach einem Eindrücken der Kruste hat es sich daher als zweckmässig erwiesen, die obere Grenze 52 des vorgeschriebenen Widerstands während des nachfolgenden Ruheabschnitts herabzusetzen.

Wenn in dem Ofen ein Anodeneffekt auftritt, steigt der tatsächliche Widerstand wegen der äusserst schnellen Zunahme der Oberspannung sehr weit an, Natürlich ist das nicht auf einen unrichtigen Anoden-Kathoden-Abstand zurückzuführen» Daher wird während eines Anodeneffekts nicht der Versuch gemacht, den Ofenwiderstand durch Absenken der Anode zu erniedrigen. Nach einem Anodeneffekt wird die obere Grenze 52 des vorgeschriebenen Widerstandes für eine passende Zeitspanne (30 Minuten etwa nach Beendigung des Anodeneffekts)

909848/0796

aufgehoben·

Es ist daher zu beachten, daß, obwohl das er£indungsgemässe Verfahren die Einrichtung normaler R -Grenzen für die Steuerung während des normalen Ofenbetriebs vorsieht, diese Gren zen passend verändert werden können, wenn die Kruste eingedrückt wird, wenn Anodenaffekte auftreten, Metall abgelassen wird od. dgl.

Die Erfindung ist an Hand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben xforden, natürlich kann der Fachmann aber verschiedene Änderungen des Aufbaus und der Einzelheiten vorneh men. Statt bestimmte Variable zu messen und aufzuzeichnen, können natürlich Computer benutzt werden, die die erforderli chen Funktionen sehr viel leichter und schneller ausüben. In der Praxis ist bereits mit sehr gutem Erfolg ein Computer für die Ausübung der Erfindung angewendet worden; das geschah mit einem minimalen Aufwand an Zeit und Mühe, und es ergab sich bei den so gesteuerten Aluminiumöfen ein maximaler Wirkungsgrad,

Im übrigen ist es im allgemeinen wünschenswert, gewisse Toleranzen bei den Instrumentenablesungen der verschiedenen Ofenparameter zuzulassen. Zum Beispiel kann es, je nach der Art des benutzten Meßgeräts, erwünscht sein, daß ein gegebener tatsächlicher Widerstand bestimmte Toleranzgrenzen überschreiten muß,'ehe er als "niedriger als" R_t angesehen wird und damit zur Festsetzung eines neuen Führungswiderstands herangezogen wird.

Patentansprüche;

909848/0796

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1, Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseofens für die Reduktion von Aluminiumoxyd, das in einer Salzschmelze gelöst ist, durch Hindurchleiten eines elektrischen Stroms durch das Bad zwischen einer Kathode und einer relativ hierzu verstellbaren Anode, wodurch der Ofenwiderstand durch Änderungen des Anoden-Kathoden-Abstands einerseits und der Aluminiumoxydkonzentration im Bad andererseits beeinflußt wird,

   dadurch gekennzeichnet, daß das Bad mit Aluminiumoxyd beschickt wird, daß nach der Beschickungsphase eine obligatorische Ruhephase eintritt und Beschickung während dieser Ruhephase unterlassen wird, und daß eine weitere Beschickung erst nach Beendigung der Ruhephase und nach einer Anzeige erfolgt, die einen Trend zur Zunahme des Ofenwiderstands im Anschluß an einen Trend zur Abnahme des Ofenwiderstands erkennen läßt·

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Ruhephase so gewählt ist, dß am Ende dieser Phase sämtliches zuvor eingeführtes Aluminiumoxyd von dem Ofen aufgenommen ist,

   3. Verfahren nach Anspruch 2," dadurch gekennzeichnet, daß die Beschickung mit Aluminiumoxyd in Abhängigkeit von einem zunehmend anwachsenden Ofenwiderstand eingeleitet wird, der nach dem Abschluß der Ruhephase eintritt.

   909848/0796

   4, Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein i'orgeschriebener Widerstandswert für den Ofen im voraus festgesetzt wird und daß der Anoden-Kathoden-Abstand nach der Beschickungsphase so eingestellt wird, daß ein in der Nähe des vorgeschriebenen Ofenwiderstands liegender Ofenwiderstand erzielt wird.

   5, Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anoden-Kathoden-Abstand so eingestellt wird, daß ein Ofenwiderstand im Bereich von ungefähr 1 * Abweichung gegenüber dem vorgeschriebenen Widerstandswert erzielbar ist.

   Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anoden-Kathoden-Abstand so eingestellt wird, daß ein Ofenwiderstandswert erzielt wird, der einem vorgeschriebenen Ofenvriderstandswert entspricht, daß ein Ofenwiderstandsbereich festgesetzt wird, der den vorgeschriebenen Widerstandswert über- und unterschreitet, und daß der Ofenwiderstand während des Betriebs innerhalb dieses Widerstandsbereichs variieren kann, ohne daß der Anoden-Kathoden-Abstand neueingestellt wird, daß jedoch dieser Abstand dann neueingestellt wird, wenn der Ofenwiderstandswert ausserhalb des genannten Ofenwiderstandsbereichs liegt, und so lange verändert wird, bis der Widerstand innerhalb des Bereichs liegt.

   Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofenwiderstandsbereich von einem Wert höchstens 10 I oberhalb des vorgeschriebenen Widerstandswerts bis höchstens 7 % unterhalb dieses Wertes reicht,

   909848/0796

   8, Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Grenze des Ofenwiderstandsbereichs ungefähr 4 I oberhalb des. vorgeschriebenen Widerstandswerts und die untere Grenze ungefähr 3 I unterhalb dieses Widerstandswerts liegt,

   9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofenwiderstand in gleichmässigen zeitlichen Abständen bestimmt wird, und daß eine Beschickungsphase eingeleitet wird, nachdem die Beobachtung des Widerstands ergeben hat, daß der Betrag der Widerstandsänderung in einem bestimmten Zeitintervall grosser ist als die Änderung in dem unmittelbar vorausgegangenen Zeitintervall,

   10, Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschickungsphase eine Reihe selbständiger Beschickungsschritte umfaßt, die/lurch ein festgelegtes Zeitintervall voneinander getrennt sind, und daß mit jedem Schritt eine vorgegebene Menge Aluminiumoxyd zugeführt wird.

   11, Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschickungsmenge und -dauer vor der Einleitung der Beschickungsphase im Einklang mit dem Betrag der Änderung des Ofenwiderstands bestimmt wird.

   12, Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wert des Führungswiderstands auf der Basis der beobachteten Werte des Ofenwiderstands festgelegt wird, und daß ausserhalb der Ruhephase eine Beschickungsphase einge-

   909848/0796

   leitet wird, wenn ein relativ zum Wert des Führungswiderstands zunehmender Ofenwiderstand festgestellt wird.

   13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofenwiderstand in gleichmässigen zeitlichen Intervallen bestimmt wird, und daß ein neuer Wert des Führungswiderstands festgelegt wird, der dem Wert des Ofenwiderstands zu einer gegebenen Zeit entspricht, wenn dieser Widerstandswert und der Widerstandswert des vorvergangenen Zeitintervalls niedriger liegen als der beste- " hende Führungswiderstand.

   14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beschickungsphase dann eingeleitet wird, wenn der Ofenwiderstand zu einem gegebenen Zeitpunkt einerseits grosser ist als Führungswiderstand und Ofenwiderstand vor dem vergangenen Zeitintervall und andererseits kleiner als der Ofenwiderstand, der nach dem nächsten Zeitintervall bestimmt wird.

   15, Verfahren nach den Ansprüchen 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungswiderstandswert nach jeder Einstellung des Anoden-Kathoden-Abstands als im wesentlichen gleich dem Ofenwiderstand wieder festgelegt wird.

   16. Verfahren nach den Ansprüchen 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungswiderstandswert nach jeder Be· schickungsphase als im wesentlichen gleich dem Ofen widerstand wieder festgelegt wird,

   9098A8/0796

   17· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofenwiderstand periodisch auf folgende Weise bestimmt wird:

   erstmaliges schnelles Bestimmen von Ofenstrom und -spannung zum Ermitteln einer ersten Gruppe von Ofenwiderstandswerten und Mittelbildung zur Erlangung eines ersten mittleren Ofenwiderstandswerts;

   zweites oder weiteres schnelles Bestimmen von Ofenstrom und -spannung zum Ermitteln einer zweiten Gruppe oder weiterer Gruppen von Ofenwiderstandswerten und Mittelwertbildung zur Erlangung eines zweiten mittleren Ofenwiderstandswerts oder weiterer mittlerer Ofenwiderstandswerte; exponentielles Glättin der auf diese Weise ermittelten Mittelwerte des Ofenwiderstands·

   909848/0796

   L e e r s e i t