DE1925201B2 - Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseofens für die Reduktion von Aluminiumoxyd - Google Patents

Description

4. Verfahren nach den Ansprüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofenwiderstand in gleichmäßigen Zeitabständen bestimmt wird und ein neues W'iderstand-Führungssignal entsprechend dem Wert des Ofen Widerstands zu einer gegebenen Zeit festgelegt wird, wenn sowohl dieser Widerstandswert als; auch der Ofenwiderstandswert des vorangegaingenen Zeitabschnitts kleiner sind als der Wert des bestehenden Führungssignals.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beschickung dann eingeleitet wird, wenn der Ofenwiderstand zu einem gegebenen Zeitpunkt einerseits größer als der dem Führungssignal entsprechende Wert und als der Ofenwiderstand vor dem vorangegangenen Zeitabschnitt ist und andererseits kleiner als der Ofenwiderstand ist, der nach dem nächsten Zeitabschnitt bestimmt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofenwiderstand in gleichmüßigen Zeitabständen bestimmt und eine Beschikkung dann eingeleitet wird, wenn der Betrag der Widerslandsänderung in einem bestimmten Zeitabschnitt größer ist als die Widerstandsänderung in dem vorangegangenen Zeitabschnitt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für den Ofen ein bestimmter Widerstandswert festgesetzt und der Elektrodenabstand nach jeder Beschickung so eingestellt wird, daß ein Ofenwiderstandswert erhalten wird, der nahe dem und vorzugsweise innerhalb 1% des festgesetzten Widerstandswerts liegt,

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ofenwiderstandsbereich festgesetzt wird, der vorzugsweise höchstens 10% oberhalb und 7% unterhalb dem festgesetzten Widerstandswert liegt, und daß, wenn d;r Ofenwiderstandswert außerhalb des genannten Ofenin Widerstandsbereichs fällt, der Elektrodenabstand so lange verändert wird, bis der Widerstand wieder innerhalb des Bereichs liegt

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschickungsmenge und -dauer vor der Einleitung der Beschickungsphase entsprechend dem Betrag der Änderung des Ofenwiderstands bestimmt wird.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschickung in einer Reihe gleichmäßiger Beschickungsschritte erfolgt, wobei mit jedem Beschickungsschritt eine vorbestimmte Menge Aluminiumoxyd zugegeben wird.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, >> dadurch gekennzeichnet, daß der Ofenwiderstand

periodisch bestimmt wird, indem eine erste Gruppe von Ofenwiderstandswerten, die durch mehrmaliges rasches Bestimmen von Ofenstrom- und Spannung erhalten sind, sowie zumindest eine weitere Gruppe κι von Ofenwidc-i standswerten gemittelt werden, und indem die auf diese Weise bestimmten Mittelwerte des Ofenwiderstands exponentiell geglättet werden.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseofens für die Reduktion von in einer Salzschmelze gelöstem Aluminiumoxid in Aluminium gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I.

In der DE-OS 14 83 343 ist vorgeschlagen worden, zur wirksamen Steuerung von Elektrolyseöfen zur Aluminiumherstellung den Ofenwiderstand in bestimmter Weise heranzuziehen, so daß er einen objektiven Vergleichsmaßstab zum Überwachen der Arbeitsweise des Ofens liefert.

Nach der in der genannten DE-OS gegebenen Lehre wird ein bestimmter Reduktionsofen über bestimmte Zeitabschnitte hinweg mit relativ gleichbleibenden Anoden-Kathoden-Abständen. Der Ofen wird so gesteuert, daß Aluminiumoxid in Abhängigkeit von Änderungen des Ofenwiderstands in das Elektrolysebad gegeben wird. Die vorliegende Erfindung betrifft bestimmte Änderungen dieses Grundgedankens.

Bei einer Verfahrensweise der genannten DE-OS wird die Zufuhr von Aluminiumoxid so gesteuert, daß der Elektrolyseofen auf einem für einen gegebenen Anoden-Kathoden-Abstarid 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.

Es hat sich ferner ergeben, daß in vielen Fällen eine merkliche Widerstandsänderung des Elektrolyseofens erst lange nach der Zugabe von Aluminiumoxid 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 hätten unterbrochen werden sollen. Diese Elektrolyseöfen sind dadurch »krank« geworden. Das gilt insbesondere für Söderberg-Öfen, bei denen die Verteilung des zugegebenen Aluminiumoxids schwieriger ist.

Der Minimalwiderstand eines bestimmten Reduktionsofens tritt bei einer bestimmten Aluminiumoxid-Konzentration des Bades auf, und der Ofenwiderstand nimmt zu, wenn die Aluminiumoxid-Konzentration einen anderen Wert annimmt Um die Beschickung eines Reduktionsofens 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 Aluminiumoxid herrChrt; diese Bestimmung ist für das Bedienungspersonal nur schwer zu treffen, weil der bloße Wert des Ofenwiderstands keine derartige Aussage erlaubt

Bei der Beobachtung der in der oben erwähnten DE-OS angegebenen Steuerung eines Elektrolyseofens hat es sich außerdem herausgestellt, daß es nicht notwendigerweise einen bestimmten Widerstandswert gibt, bei dem der Ofen beschickt werden sollte, sowenig wie 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 Aluminiumoxid-Konzentration im Ofen zurückzuführen sind.

Aus der AT-PS 2 59 887 ist ein Verfahren zum regelmäßigen Chargieren von Zellen für die Schmelzfluß-Elektrolyse von Tonerde bekannt Nach diesem Verfahren wird der Ofenwiderstand ebenfalls überwacht. Es ist jedoch wesentlich mit der Einstellung der Elektroden nach einer Reihe von Vorbehandlungs-Zeitabschnitten befaßt, um den Ofenv. iderstand auf einen Bezugswert Rn zurückzubringen. Nur wenn es sich als unmöglich erweist, den Ofenwiderstand durch Verstellung der Anode zu steuern, wird dem Ofen zur Vermeidung des Anod?neffekts Aluminiumoxid zugeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseofens für die Reduktion von Aluminiumoxid objektive Kriterien zur Beschickung des Ofens mit Aluminiumoxid zu ermitteln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren nach dem Anspruch I gelöst. Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Der vorliegenden Erfindung geht es darum, zwischen Widerstandsänderungen des Ofens zu unterscheiden, die bezüglich des Aluminiumoxidgehaltes wesentlich sind und die Zufuhr frischen Aluminiumoxids erfordern, sowie solchen Widerstandsänderungen, die in dieser Hinsicht unwesentlich sind.

Der Ofenwiderstand wird ständig überwacht, und beim Beobachten eine- Übergangs von einem nach unten gerichteten Trend des Ofenwiderstands zu einem aufwärts gerichteten Trend des Ofenwiderstands, der auf den Verbrauch von Aluminiumoxid im Ofen zurückzuführen ist, wird dem Ofen Aluminiumoxid nach Maßgabe eines vorher festgelegten Beschickungszyklus zugeführt

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 Grenzen festgelegt innerhalb derer der Ofenwiderstand variieren darf, ohne daß eine Änderung des Anoden-Kathoden-Abstands eintritt Solange 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 Minimalwiderstanries oder »Führungswiderstandes« vorgenommen, der benutzt wird, um zu entscheiden, wenn der Ofen beschickt werden muß. Das heißt die positiv geneigte Widerstaris-Zeit-Kurve oder

in der Widerstandsanstieg muß oberharh de·; gerade zuvor bestimmten Führungswiderstands für den Ofen liegen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Aluminium-Reduktionsofen in schemati-

2-Ί scher Darstellung,

Fig. 2 den mit dem Gehalt an Aluminiumoxid wechselnden Ofenwiderstand bei einem typischen Reduktionsofen,

Fig. 3 ein Steuersystem für die Beschickung und die

in Anodeneinstellung,

Fig.4 ein Diagramm des Ofenwiderstands, wie er sich beim Ablauf mehrerer Beschickungszyklen ergeben kann.

Die Schemazeichnung F i g. 1 stellt eine praktisch

j) wichtige Art eines Aluminium-EIektrolyr.ecfens dar. Dieser Ofentyp ist als »prebake«-Ofen bekannt und unterscheidet sich insbesondere von dpm ebenfalls bekannten Ofen des Söderberg-Typs. Die Anode des »prebake«-Ofens besteht aus einer Mehrzahl von 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

•r> 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 des Ofens, insgesamt mit 15

•ίο bezeichnet, besteh; aus einem Stahlgehäuse 16, das mit einer isolierenden Schicht 18 und einer kohlenstoffhaWigen leitenden Schicht 20 ausgekleidet ist. In die auskleidung 20 sind Eisenstäbe 22 eingebettet die mit einer Kathodensammelschiene 24 verbunden sind. Die

■j) Auskleidung 20 nimmt ein Bad von schmelzflüssigem Aluminium 26 und ein Bad 28 von Aluminiumoxyd (AbOj), gelöst in einem aus geschmolzenem Kryolith bestehenden Elek'rolyten, auf.

Mit einer passend gewählten Spannung wird ein

Wi Elektrolysestrom von der positiven Sammelschiene 14 durch die Kohleblöcke 12, das Bad 28, das schmelzfluss!· ge Aluminium 26 und die Kohiekathode 20 geleitet. Dann fließt der Strom in die verschiedenen stromleitenden Eisenstäbe 21 iwd von dort über die Kathodensam-

·,-, melschiene 24 in einen nachgeschalteten Elektrolyseofen.

Der schmelzflüssige Elektrolyt 28 ist von einer Kruste 30 bcJeckt. die hauotsächlich aus erstarrten Krvolith-

Bestandteilen und ferner aus Aluminiumoxyd besteht. Wenn Aluminiutnoxyd verbraucht wird, kann weiteres Aluminiumoxyd 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«-Öfcn weiden periodisch vollständige neue Kohlcblöcke eingesetzt, während bei Söderberg-Öfen neuer Kohlenbrei oben an der Einzelanodc zugefügt wird.

Gewöhnlich werden 150 oder noch mehr Aliiminium-Kcduktionsöfen in Reihe ziisammengeschiiltct. Kin Amnrrpniplpr X7 müll i\ntt li'tn Afon rlnrcht*»» /ρπίίρη r ' ■ -------- — ...._. —.. _._ .-._.. — — ....................

Strom und ein Spannungs- und Widerstandsmesser 34 dient zum Messen der .Spannung und/oder des Widerstands an jedem Ofen.

Beim Betrieb eines Ofens nach dem in der erwähnten DK-OS 14 83 343 wird dieser so beschickt, daß der Ofenwiderstand sich ungefähr auf dem Minimalwert 38 (Fig. 2) für einen gegebenen Anodcn-Kathoden-Abstand hält. Hierzu wird der Anoden-Kathoden-Abstand auf einen Wert eingestellt, der als optimal angesehen wird, und danach wird angenommen, daß dieser Abstand im Rahmen eines gegebenen Bciricbszykliis in dem Ofen im wesentlichen konstant bleibt. Wie erwähnt. sieht demgegenüber die vorliegende Erfindung vor. daß während des Betriebes des Ofens und wahrend der Bcschickungszyklcn periodische Einstellungen der Anode zu verschiedenen /eilen und au> unterschiedlichen Gründen vorgenommen werden. Ferner ist der Ofen erfindungsgemäß so zu betreiben, daß Beschickiingszyklen unterschiedlicher, vorgegebener Art vorgesehen werden, wobei nach jedem Beschicknngs/yklus eine obligatorische Ruhephase einzuschalten ist. wahrend welcher der Ofen nicht beschickt werden darf.

Gemäß F i g. 2 entspricht bei festliegendem Anoden-Kathoden-Abstand ein minimaler Ofenwiderstand einem bestimmten Gehalt an Aluminiumoxyd, beispielsweise (F i g. 2) dem Gehalt 5%. 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 Um ständen wird ein Punk! erreicht, in dem der Ofen unter Bedingungen gelangt, die im allgemeinen als »Anode.t-Effekt« bezeichnet wird. Diese Widerstandszunahme 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 er wieder zunimmt, wenn der Gehalt an Aluminiumoxyd gegen 2% Gehalt hin (Fig.2) abnimmt. Infolgedessen kann unter Einhaltung der Ruhephase der Überwachungsmann am Ofen feststellen, ob eine auftretende Widerstandszunahme einem abnehmenden Aluminiumoxydgehalt zuzuschreiben ist, indem er einfach 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 wescntli chen kontinuierlichen Beschickens in der Absich angewendet worden ist, in dem Ofen einen Minimal widerstand aufrechtzuerhalten, ohne dem Ofen eine Möglichkeit zu geben, die gesamte zuvor zugeführti Menge Aluminiumoxyd zu verarbeiten.

Zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahren? läßt sich z.B. eine in Fig. 3 schematisch angegebene Anlage verwenden. In dieser Anlage werden die anodischen Kohleblöcke mittels einer Stellmechanik 4C für die Anode aufwärts oder abwärts bewegt: dit .Stellmechanik arbeitet auf Grund von Signalen au* 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. Fine übliche Beschickungseinrichtung 31 für Aluminiutnoxyd wird durch einen Besilitckiingsregler

Systemsteuerung 42 empfängt. Wenn auch verschiedene Arten mechanischer Beschicktingseinrichlungcn im Rahmen der Erfindung anwendbar sind, wurde so 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 Had 28 eintragt.

Stro'nrtärke und Spannung des Ofens werden periodisch überprüft und der Ofenwiderstand wird ermittelt. In einer Anlage, in der die !"Mindung angewandt worden ist. wurde beispielsweise der Ofcnwiderstand etwa alle drei Minuten ermittelt. Da/u wurden alle dreißig Sekunden vier schnelle Widerstandsmessungen gemacht, und der Dreiminutenweri des Widerstands ergab sich als Resultat der Widerstandsmittclwerte. nachdem sie einer exponcntiellen Glättung unterworfen worden waren.

Es ist bereits erwähnt worden, daß die Erfindung in erster Linie ein objektives Verfahren derOfensteuerung betrifft, wonach die Einleitung eines vorgegebenen Beschickungszyklus durch den Trend des ΟΥη·ΛϋΙ·.·Γ stands bestimmt wird, und bei dem die verschiedenen Beschickungszyklen durch eine vorbestimmie MindcM-ruhezeit voneinander getrennt sind. Bevor dieser Erfindungsgedanke im einzelnen besprochen wird. sollen die Merkmale der Anodensteuerung beschrieben werden.

Üblicherweise sind Reduktionsofen bisher dadurch geregelt worden, daß die Kruste periodisch eingedrückt wurde, um Aluminiumoxyd in das Bad einzuführen, und dadurch daß der Anoden-Kathoden-Abstand peru-disc" eingestellt wurde, um eine vorgeschriebene Spannung oder einen vorgeschriebenen Widerstand zu erzielen. Mit beiden Steuervorgängen wird der Ofenwiderstand verändert Veränderungen des Anoden-Kathoden-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 F i g. 4 durch die Linie 50 des vorgeschriebenen Widerstands (^„,,/dargestellt.

Bisher war der Ofenarbeiter gehalten, die vorgc- schncoene Spannung des Ofens zu überwachen und die Anode häufig zu verstellen, um dadurch zu erreichen, daß ein vorgegebener Anodt n-Kathoden-Abstand während der verschiedenen Betriebsabschnitte aufrechterhalten wird. Kin vorgegebener Anoden-Kathoden-Abstand läßt sich aber niclv. genau durch bloße Anodeneinstelliing erzielen. Es wird gleich im einzelnen gezeigt werden, daß das erfindurgsgemälie Verfahren auf einer Art der Widcrstandsiibcrwachung beruht, die eine weit genauere .Steuerung des Anoden-Kathodcn-Abstands ermöglicht.

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

Hinsichtlich des Änderns des A coden-Kathoden-Abstands besteht ein wesentlicher unterschied zwischen dem Erfindungsverfahren und den bekannten Steuerme thoden darin, daß der Ofenarbeie.T bisher die Anoden gewissermaßen gefesselt hielt, um eine gegebene vorgeschriebene Spannung einzuhalten, während gemäß der Erfindung eine Schwankung des Ofenwiderstands zwischen den genannten nberen und unteren Grenzen zulässig ist. Wenn jedoch der Augenblickswerl 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 den vorgeschriebenen Widerstand herankommt. Die erfindungsgemäße Methode unterscheidet sich demnach nicht nur von den bekannten Steuerungsverfahren, sondern auch von dem Verfahren nach der erwähnten DE-OS, 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 F i g. 4 zeigen, jedoch sollen zunächst die Merkmale des erfindungsgemäßen Beschickungsvorgangs 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 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 der weitere Beschickungsvorgänge unzulässig sind. Diese Betriebsweise ist in F i g. 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 Führungswiderstand R, des Ofens in entsprechenden Zeitabschnitten 7"wieder. Der Führungswiderstand stellt einen Versuch dar, den Punkt minimalen Ofenwiderstands anzugeben, wie er in I i g. 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 Größe dieser beiden aufeinanderfolgenden Widerstandswerte. Mit anderen Worten, es wird ein neuer R, (7?,,,,)angesetzt, wenn

R₁

K,

Ha)
HbI

wobei dann /?,„= /?„oder auch, falls bevorzugt, R₁- gleich dem kleineren der beiden Werte R₁, oder R_n ^. Ferner ist es in einigen Fällen erwünscht, den festgesetzten Wert R, 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 1er 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 (T₁). Darauf folgte eine Ruhepause von T\ bis Tu (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 Übereinstimmung mit dem vorgeschriebenen Widerstand R, zu bringen. Das ist durch den abwärts geneigten Pfeil 61 angedeutet, der vom Widerstandspunkt 62 zum Zeitpunkt Ti bis zum Widerstandspunkt 63 zum Zeiipunkt T₄ reicht; wegen dieser Änderung des Ofenwiderstandes ergab sich ein neuer Führungswiderstand von 41,63 Mikro-Ohm zum Zeitpunkt Tt.

Im Zeitpunkt 7g sank der tatsächliche Ofenwiderstand mit 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 vorgeschriebenen Widerstands liegt.

Wegen dieser Änderung der Anodensteüung wurde der Ofenführungswiderstand neu bestimmt In diesem Zusammenhang soil erwähnt werden, daß der Führungswiderstand einen Bezugswert für die Festsetzung

liefert, wenn 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% in Übereinstimmung mit dem vorgeschriebenen Widerstand (RJ 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 Anouen-Kathoden-Abstand verändert worden ist oder 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 /?,-Wert kontinuierlich anzuheben, wenn der Ofenwiderstand nachfolgend abnimmt. Das ist am Punkt 65 dargestellt, der im Zeitpunkt Γι» 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_n sowohl über dem am häufigsten aufgestellten Ftihrungswiderstand und dem vorhergehenden augenblicklichen Widerstand R_n ι liegt als auch unter dem nachfolgenden augenblicklichen Widerstandswert R_{n t}\. Mit anderen Worten: ein Beschickungssignal wird dann erzeugt, wenn

R, < .R₁ < K„., .

(2a)

12 b)

Entsprechend diesen Voraussetzungen und gemäß dem Verfahren nach der erwähnten DE-OS würde ein Beschickungssignal im Zeitpunkt T₂ (Fig. 4) erzeugt werden. Wegen der Forderung der vorliegenden Erfindung nach einer obligatorischen Ruhephase wurde jedoch bei dem hier betrachteten Ofen kein Beschikkungsabschnitt eingeleitet. Dazu muß ein eine Ruhephase veranlassendes Übersteuerungssignal aus dem Steuerungssystem das im Zeitpunkt T₂ erzeugte Beschickungssignal aufheben. Da die verlangte Ruhephase erst im Zeitpunkt Tm endete, konnte erst zu dieser Zeit eine Beschickungsphase eingeleitet werden. In diesem Zusammenhang ist daraur 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 Führungswiderstand (R\o) des Ofens und dem vorhergehenden tatsächlichen Widerstand (An) als auch unter dem nachfolgenden tatsächlichen Widerstand am Punkt 70(R_i2> R₁, und Rm< Ru<Rn). Natürlich konnte die Erfüllung des Kriteriums durch den Punkt 68 erst festgestellt werden, als der Punkt 70 bestimmt war. Daher wurde ein Beschickungs^bschnitt erst bei Γι j eingeleitet, d. h. um einen Zeitabschnitt nach Beendigung des von dem Steuerungssystem gegebenen Übersteuerungs<-ignal 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 öfen die Tendenz, Aluminiumoxyd etwas schneller zu lösen als andere. Im Hinblick darauf könnte die zwischen Tm und Γ20 liegende Beschickungsphase aus sieben Schritten der Beschickungsmechanik 31 mit 100-Sekunden-intervallen und darauffolgenden elf Schritten mit 180-Sekunden-lntervallen bestehen; der gesamte Beschickungsabschnitt würde sich dann über 45 Minuten erstrecken.

Ein weiterer in Verbindung mit dem Aussehen eint's bestimmten Beschickungsabschnitts stehender Faktor ist die Geschwindigkeit, mit der der tatsächliche Ofenwiderstand zunimmt. Wäre beispielsweise der tatsächliche Widerstand zum Zeitpunkt Γι ι bei 70' gewesen, hätte es zweckmäßig ge-'esen 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 ζ. B. elf Schritte in 70-Sekunden Intervallen mit darauffolgenden dreizehn Schritten in 180-Sekundcn-lntervallen abgelaufen wären. Der Ofen hätte in diesem Fall weitere sechs Chargen erhalten und wäre insgesamt während 52 Minuten beschickt worden. Nach dem Muster der obenbeschriebenen verschiedenartigen Beschickungsabläufe kann der Fachmann leicht weiten, geeignete Beschickungsabläufe einrichten.

Im Zeitpunkt T_2n 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, (/?,,>) des Ofens. Zur Zeil 7.., 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 von R, festgelegt, nachdem auf den bisherigen Wert von R, zwei niedrigere Widerstandswerte (R₂, und R₂₂) folgten. Das heißt, es waren die Forderungen (la) und (Ib) erfüllt. Der Wert des neuen Führungswiderstandes bei T₂₂ beträgt nach Fi g. 4 41,63 Mikro-Ohm.

Die beiden nächsten Werte R₂s und R₂t lagen über R₂₂. R₂i war nicht nur höher als R₂₂. sondern auch ein gegenüber R₂1 höherer nachfolgender Wert. Daher war den Beziehungen (2a) und (2b) Genüge getan und waren die Voraussetzungen gegeben für die Einleitung einer Beschickungsphase im Zeitpunkt T_2i. Jedoch trat das Beschickungssignal wiederum während eines obligatorischen Ruheabschnitts auf, so daß keine neue Beschikkungsphase eingeleitet werden konnte. Im Zeitpunkt T₂=, lag der tatsächliche Widerstandswert wieder unterhalb des letzten R,-Wertes, und im Zeitpunkt Γ₂6 bliebt der tatsächliche Widerstand unterhalb der festgelegten Höhe für R, (R₂₂). Daher wurde, obwohl R₂* höher lag als Rn ein neues R, festgelegt, weil auf Ä22 zwei aufeinanderfolgende niedrigere Werte auftraten, wenn diese auch nicht zunehmend niedriger lagen. Darüber hinaus wurde dieser gerade erst festgelegte Wert R, wiederum ersetzt, als dieselben Kriterien durch den tatsächlichen Widerstand im Punkt 78 zum Zeitpunkt Γ28 erfüllt waren.

Die obligatorische Ruhephase, die von T₂O bis Γ30 reichte, endete in einem Zeitpunkt, als zwei der aufeinanderfolgenden tatsächlichen Widerstandswerte höher lagen als das im Punkt 78 festgesetzte /?,-Niveau.

Il

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 Tn wurde dann aber ein Beschickungsabschnitt eingeleitet, weil in diesem Zeitpunkt (Tn) der vorhergehende Punkt 81 höher als R, und Punkt 80, aber niedriger als Punkt 82 lag.

Es ist besonders zu beac ., daß der Ofenwiderstand im Punkt 82 (41,87 Mikro-Ohm) beträchtlich niedriger lag als der Ofenwiderstand im Punkt 70 (43.00 Mikro-Ohm). Das ist wesentlich, denn bei beiden der genannten Widerstandswerte wurden Beschickungsabschnitte begonnen, obwohl dazwischen keine Änderungen des Aiiodcn-Kathoden-Abstandes beobachtet wurden. Daraus ergibt sich, daß das erfindungsgemäße Verfahren erheblich von dem Verfahren nach der DE-OS abweicht, das, obwohl auch auf widerstandsgesteuerter Beschickung basierend, einige Gegebenheiten des Ofenbetriebes nicht berücksichtigt

Der im Zeitpunkt 7j2 begonnene Beschickungsabschnitt endete im Zeitpunkt Tu; hier trat der Ofen in eine weitere obligatorische Ruhephase ein. Im Zeitpunkt Tu wurde der Führungswiderstand willkürlich so eingestellt, daß er mit dem tatsächlichen Widerstand im Punkt 83 übereinstimmte, jedoch wurde im Zeitpunkt ΤΊ-ι ein weiterer neuer Führungswiderstand im Punkt 84 hergestellt, und auf diesen folgten noch niedrigere Führungswiderstände in den Punkten 85 bzw. 86 (Τλα bzw. Γ«).

Die obligatorische Ruhepause endete im Zeitpunkt Tai, 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:

dr

J²K_n dt²

(3a)

(3 b)

Mit anderen Worten: Die Zunahme des tatsächlichen Widerstandes war so stark und geschah in so kurzer Zeit, daß der Ofen möglicherweise einem Anodeneffekt zusteuerte, wenn nicht sofort eine Beschickung erfolgte. Wenn diese letztgenannten Kriterien zur Vermeidung von Anodeneffekten dienen konnten, so sind sie doch in manchen Fällen außer acht gelassen worden, ohne daß

^r) sich an dem Ofen oder in seiner Wirkung deswegen besondere nachteilige Folgen bemerkbar gemocht hätten.

Wie oben erwähnt, wird es manchmal für erforderlich gehalten, die Kruste in dem Ofen zu einem größeren

K) Teil einzudrücken. Zum Beispiel isi es in manchen Fällen üblich, die Hälfte der Kruste oder auch die gesamte Kruste während jedes derartigen Vorgangs einzudrük ken. Bei einem solchen Vorgehen verringert sich die Gefahr einer Verunreinigung tier Wanne etwa durch

i") eine Anhäufung von unverbrannter Kohle in dem B?d. 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

.»(ι 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

2^r> Kruste hat es sich daher als /weckmäßig erwiesen, die obere Grenze 52 des vorgeschriebenen Widerstandes während des nachfolgenden Ruheabschnittes herabzusetzen.

Wenn in dem Ofen ein Anodeneffekt .mitritt, steigt

κι der tatsächliche Widerstand wegen der äußerst schnellen Zunahme der Überspannung sehr weit an. Natürlich ist das nicht auf einen unrichtigen Anoden-Kathoden-Abstand zurückzuführen. Daher wird während eines Anodeneffekts nicht der Versuch gemacht.

η 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) aufgehoben.

in Es ist daher zu beachten, daß. obwohl das erfindungsgemäße Verfahren die Einrichtung normaler /?,-Gienzen für die Steuerung während des normalen Ofer.betriebs vorsieh;, diese Grenzen passend ve: jndert werden können, wenn die Kruste eingedrückt wird,

■Γι wenn Anodeneffekte auftreten. Metall abgelassen wird od. dgl.

Hierzu 2 Blatt Zeichnunuei

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseofens für die Reduktion von in einer Salzschmelze gelöstem Aluminiumoxyd in Aluminium, indem ein elektrischer Strom durch die Schmelze zwischen einer Kathode und einer relativ zu dieser verstellbaren Anode geleitet wird, wobei Änderungen des Ofenwiderstands einerseits durch Änderung des Anodein-Kathoden-Abstandes und andererseits durch Änderung der Aluminiumoxydkonzentration in der Schmelze erhalten werden, und indem der Ofenwiderstand überwacht wird, um ein Beschik- !cungssignal zu erzeugen, das eine Beschickung von Alumimiumoxyd in die Schmelze beim Übergang von einem nach unten gerichteten zu einem aufwärts gerichteten Trend des Ofenwiderstands auslöst, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofenwidersnand in dem Zeitabschnitt zwischen aufeinanderfolgenden Einstellungen des Elektrodenabstandes überwacht wird, daß ein Ofenwiderstand-Führangssignal erzeugt wird, das wesentlichen Verminderungen des Ofenwiderstandswerts während des Ofenbetriebs folgt, so daß das Führungssignal den niedrigsten Wert des Ofenwi-Jerstands anzeigt, der während des nach unten gerichteten Trends auftritt, und daß ein Beschickungssignal erzeugt wird, wenn sich bezüglich des Führungssignals ein Aufwärtstrend des Ofenwiderstands eingestellt hat.

2. Ve:rfahr<_n nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Änderungen des Ofenwiderstands während einer bestimmten Zeitspanne nach dem Einführen von Aluminiunioxyrf 'n den Elektrolyseofen kein erneutes Beschicken auslösen können.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein neues Führungssignal eingestellt wird, wenn der Elektrodenabstand zur Veränderung des Ofenwiderstands verstellt worden