DE19530910C2 - Vorrichtung zur Messung der Konzentration von Fluoriden in einer kryolithischen Schmelze - Google Patents
Vorrichtung zur Messung der Konzentration von Fluoriden in einer kryolithischen SchmelzeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der
Konzentration von Fluoriden, insbesondere von Aluminium
fluoriden, bzw. des Verhältnisses von Natrium- zu Alumi
niumfluorid in einer kryolithischen Schmelze.
Bei der Aluminiumgewinnung mittels Schmelzflußelektrolyse
erfolgt die Reduktion des Aluminiumoxids in Schmelzfluß
elektrolyseöfen bei einer Temperatur von 950-970°C. Die
Öfen bestehen in der Regel aus mit Kohlenstoffsteinen
ausgekleideten eisernen Wannen, in die von oben Anoden in
Form von Kohleelektroden hineinragen. Der aus Kohlen
stoffstein bestehende Boden des Ofens bildet die Kathode.
Als schmelzflüssiger Elektrolyt befindet sich in einer
derartigen Ofenzelle bspw. sogenanntes Kryolith, ein
Natrium-Aluminium-Fluorid (Na3[AlF6]).
In diese Schmelze wird in regelmäßigen Zeitabständen Alu
miniumoxid aufgegeben und unter Einwirkung des elektri
schen Stroms in Aluminium und Sauerstoff zerlegt. Der
Sauerstoff setzt sich mit der Anodenkohle zu CO und CO2
um, die oben aus der Zelle entfernt werden. Auf dem Boden
der Zelle sammelt sich das geschmolzene Aluminium und
wird von Zeit zu Zeit abgestochen bzw. abgesaugt und ver
gossen.
Als Stromausbeute wird das Verhältnis von theoretischem zu tatsächlichem
Stromaufwand zur Abscheidung einer bestimmten Aluminiummenge bezeichnet.
Die Stromausbeute, die aus Kosten- und Umweltgründen möglichst hoch sein
sollte, hängt insbesondere vom NaF/AlF3 Verhältnis der Kryolithschmelze, dem
Anodeneffekt, der Badtemperatur, dem Elektrodenabstand und den Salzzusätzen
der Schmelze ab. Unter dem Anodeneffekt versteht man dabei eine Verarmung des
Elektrolyten an Tonerde, wodurch zunächst eine Elektrolyse des Kryoliths bzw. des
Aluminiumfluorids hervorgerufen wird. An der Kathode scheidet sich Aluminium ab
und an der Anode freies Fluor. Dieses Fluor verbindet sich in statu nascendi mit
dem Kohlenstoff der Anode zu Kohlenstofftetrafluorid, das einen Gasfilm um die
Anoden kohle bildet und eine Erhöhung der Ofenspannung auf über 40 V verur
sacht. Der Anodeneffekt verursacht folglich große Energie- und Umweltprobleme
(z. B. Bildung von CF4), weshalb eine zuverlässige Feststellbarkeit des Zeitpunktes
seines Eintritts, d. h. der Verarmung des Elektrolyten an Tonerde, von großer
Bedeutung ist.
Aus der DE 35 35 754 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung des Aluminiumoxidge
halts der in Aluminiumelektrolyseöfen befindlichen Kryolitschmelze bekannt, die als
ein galvanisches Element mit einem Sauerstoffionen leitenden festen Elektrolyten
ausgeführt ist. Die Vorrichtung ist mit einer Referenzelektrode gegebenen Sauer
stoffpotentials, angeordnet in einem an seinem Ende geschlossenen Zirkonium
oxidrohr, sowie mit einer mit der Kryolithschmelze in Berührung befindlichen
Meßelektrode mit Aluminiumüberzug versehen. Der auf diese Weise meßbare
Tonerdegehalt der Schmelze kann aber nur indirekt zur Feststellung des Anoden
effekts genutzt werden, da dessen charakteristisches Merkmal der erhebliche
Verflüchtigungsverlust von Fluor bzw. Aluminiumfluorid ist, der mit der bekannten
Vorrichtung nicht feststellbar ist.
Aus der Druckschrift "Energy Efficiency Process Techno
logy", 1993, Seiten 1181-1191 ist ein Verfahren bekannt,
mit dem das NaF/AlF3-Verhältnis mit Hilfe von Temperatur
messungen in der kryolithischen Schmelze bestimmt werden
soll. Der hierbei auftretende Fehler beträgt jedoch mehr
als 20%, so daß sich dieses Verfahren als für einen
Praxiseinsatz untauglich herausgestellt hat.
In der Druckschrift "Ceramics in Energy Application",
1994, Seiten 191-206 wird ein Verfahren zur Bestimmung
des NaF/AlF3-Verhältnisses offenbart, bei dem ein Natri
umsensor verwendet wird, der auf β-Al2O3 basiert. Dabei
können die Aluminiumfluoridverluste während der Elektro
lyse jedoch nicht gemessen werden, da der verwendete
feste Elektrolyt lediglich eine Leitfähigkeit für
Natriumionen besitzt.
Desweiteren sind eine Vielzahl von klassischen analyti
schen Methoden zur Messung der Tonerdekonzentration
bekannt, die jedoch eine in gewissen Zeitabständen immer
wieder erfolgende Probenentnahme aus der Schmelze erfor
derlich machen und daher für eine kontinuierliche Messung
ungeeignet sind.
Allgemein sind Festelektrolytzellen, und zwar auch solche
mit CaF2-Festelektrolyten, schon seit langem bekannt und
werden auch für die Messung des Sauerstoffpotentials in
Metallschmelzen oder zur Bestimmung thermodynamischer
Kennwerte von Oxid- und Fluoridverbindungen verwendet
(Fischer, Janke, Metallurgische Elektrochemie, 1975, Ver
lag Stahleisen m.b.H., Düsseldorf und Springer-Verlag,
Berlin, Heidelberg, New York, Seiten 193-196 und 441-
444). Außerdem ist in der DD 21 673 ein Verfahren zur Gas
analyse bei erhöhten Temperaturen mit Hilfe galvanischer
Festelektrolytelemente zu entnehmen, um Reduktionspro
zesse in Hochöfen und anderen metallurgischen Anlagen,
die Verhältnisse in Gasgeneratoren, Feuerungsanlagen,
Brennkammern, Katalyseöfen, in Fluorisierungs-, Chlorie
rungs- und Bromierungsanlagen und anderen Einrichtungen
mit Gasumsätzen bei erhöhten Temperaturen zu untersuchen,
zu registrieren und zu regulieren. Dabei wird als Fest
elektrolyt jeweils ein Stoff verwendet, der nur eine
Leitfähigkeit für das Ion besitzt, mit dem das zu analy
sierende Gas in Wechselwirkung zu treten vermag.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich
tung bereitzustellen, mit der eine Fluorkonzentration
bzw. ein Fluorverhältnis in einer kryolithischen Schmelze
kontinuierlich und dennoch einfach und zuverlässig gemes
sen werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung
zur Messung der Konzentration von Fluoriden bzw. des Ver
hältnisses von Metallfluoriden in einer kryolithischen
Schmelze mit folgenden Merkmalen gelöst:
- a) einem Feststoffelektrolyten (1) aus Calciumfluorid;
- b) einer Referenzelektrode (2) aus einem Metall und dem betreffenden Metallfluorid und
- c) einer Spannungsmeßeinrichtung (3) mit Ableitern (4, 5), wobei ein Ableiter (4) mit der Referenz elektrode (2) verbunden und ein anderer Ableiter (5) der Schmelze (18) zuführbar ist und dann als Arbeits elektrode dient.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich im Vergleich mit den bisher
bekannten Lösungen in Form von Einwegmessungen durch eine deutlich größere
Genauigkeit und Zeitstabilität aus. Mehrfachmessungen zu Verifizierungszwecken
sind daher nicht mehr nötig, wodurch die Wirtschaftlichkeit erhöht wird.
Das erfindungsgemäße Meßprinzip basiert auf der Änderung der elektromotori
schen Kraft (EMK) der Meßzelle, die durch den Fluor- und Aluminiumfluoridverlust
der Schmelze hervorgerufen und während des Meßvorgangs registriert wird. Aus
einem bekannten Zusammenhang zwischen der EMK und dem NaF/AlF3-Verhältnis
in Form einer Eichkurve, die mit Hilfe von Standardproben und der wellenlänge
dispersiven Röntgenfluoreszenzanalyse bestimmbar ist, läßt sich die AlF3-Konzen
tration im Kryolith bestimmen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung liefert nach ca.
10 sec nach dem Eintauchen in die kryolithische Schmelze über einen Zeitraum
von mehr als 3 min ein konstantes Signal und erlaubt daher über diesen Zeitraum
eine kontinuierliche Überwachung der AlF3-Konzentration. Die lange Standzeit der
Meßvorrichtung wird durch die überraschend hohe Korrosionsbeständigkeit des Calci
umfluorids gegenüber der kryolithischen Schmelze erzielt.
Des weiteren ist als ein sehr großer Vorteil anzusehen, daß weder die große
Badzirkulation mit Spitzengeschwindigkeiten < 10 m/sec noch das starke elek
tromagnetische Feld in einem Schmelzflußelektrolyseofen irgendwelche Störungen
im Signal der Vorrichtung gemäß der Erfindung hervorrufen.
Die kontinuierliche Messung der AlF3-Konzentration der Schmelze gestattet es
folglich, daß NaF/AlF3-Verhältnis in der kryolithischen Schmelze während der
Aluminiumschmelzflußelektrolyse ständig zu überwachen und bei Unterschreitung
einer bestimmten AlF3-Konzentration der Schmelze Zusatzmengen an AlF3 zuzuset
zen. Der sehr nachteilige Anodeneffekt kann somit sicher vermieden werden,
wodurch sowohl die Wirtschaftlichkeit als auch die Umweltverträglichkeit der
Aluminiumschmelzflußelektrolyse deutlich erhöht werden kann.
Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschla
gen, daß der Feststoffelektrolyt aus dotiertem Calciumfluorid besteht.
Die Signalspannung kann hierdurch aufgrund einer Verbesserung der Ionenleitfähig
keit erhöht werden, wodurch die Meßgenauigkeit steigt. Als besonders vorteilhaft
hat sich in diesem Zusammenhang eine Dotierung des Calciumfluorids des Fest
stoffelektrolyten mit Yttrioumfluorid oder Natriumfluorid herausgestellt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung besteht darin, daß der Feststoff
elektrolyt mit der Referenzelektrode so gefüllt oder beschichtet ist, daß die Refe
renzelektrode für die Schmelze bzw. das Gasgemisch unzugänglich ist, wodurch
die Referenzelektrode wirksam gegen einen Angriff des aggressiven Fluors ge
schützt werden kann.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
besteht darin, daß die in den behälterförmig ausgebildeten Feststoffelektrolyten
gefüllte Referenzelektrode mit einem Bindemittel oder einer Abdichtplatte aus Al2O3
verschlossen ist. Dies stellt eine elegante und sichere Form einer abgedichteten
Integration der Referenzelektrode in den Feststoffelektrolyten dar.
Die Erfindung weiter ausgestaltend, wird vorgeschlagen, daß das Verhältnis
zwischen dem Metall und dem Metallfluorid in der Referenzelektrode äquimolar ist,
wodurch sich die besten Meßergebnisse ergeben.
Aufgrund von Versuchen konnte festgestellt werden, daß es besonders günstig ist,
wenn die Referenzelektrode aus Aluminium und Aluminiumfluorid oder aus Nickel
und Nickelfluorid besteht.
Vorteilhafterweise besteht der mit der Arbeitselektrode verbundene Ableiter aus
Molybdän oder Kohlenstoff und ist durch eine Ummantelung aus ZrO2 geschützt
und gestützt, so daß er beim Eintauchen in die korrosive Schmelze nicht beschä
digt wird.
Wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung noch ein Thermoelement vorgesehen,
das von einer Schutzkappe gegen die Schmelze bzw. das Gasgemisch abgeschirmt
ist, so läßt sich mit einer komptakten Baueinheit sowohl die AlF3-Konzentration als
auch die Temperatur der Schmelze an nahezu demselben Ort bestimmen. Dabei hat
es sich als besonders günstig erwiesen, die Schutzkappe aus Zirkondioxid herzu
stellen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Refe
renzelektrode, der Feststoffelektrolyt und das Thermoelement in einem mobilen
Meßfühler angeordnet sind.
Hierdurch läßt sich die synchrone Konzentrations- und Temperaturmessung an
beliebigen Orten innerhalb des Schmelzbades durchführen, um somit eventuell
bestehende lokale Unterschiede festzustellen.
Die Erfindung weiter ausgestaltend, wird vorgeschlagen, daß der Meßfühler aus
einem Tauchrohr aus ZrO2 besteht, an dessen distalem Ende der mit der Abdicht
platte verschlossene Feststoffelektrolyt und das von der Schutzkappe abgeschirm
te Thermoelement mittels Sauereisenzement befestigt sind, wobei das Tauchrohr
den Ableiter der Referenzelektrode sowie die Anschlußleitungen des Thermoele
ments aufnimmt.
Hierdurch ergibt sich eine äußerst robuste und dennoch leicht handzuhabende
Meßvorrichtung, die mobile Messungen erlaubt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der
Feststoffelektrolyt von einer Aluminiumkappe abgeschirmt ist, um sowohl gegen
Schlag als auch gegen Thermoschock beim Eintauchen geschützt zu sein.
Schließlich ist vorgesehen, daß die Aluminiumkappe und die Schutzkappe des
Thermoelements von einer äußeren, mit mindestens einer Durchbrechung ver
sehenen Aluminiumkappe abgeschirmt sind, wodurch sich ein weiter verbesserter
Schutz gegen Schlag und Thermoschock beim Eintauchen der Vorrichtung in die
Schmelze ergibt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der
Zeichnung dargestellt ist, näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem mobilen Meßfühler und
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Endbereichs des Meßfühlers nach
Fig. 1.
Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration von
Fluorionen bzw. eines Verhältnisses von Metallfluoriden in einer Schmelze
aus einem Feststoffelektrolyten 1, einer Referenzelektrode 2,
einer Spannungsmeßeinrichtung 3, zwei Ableitern 4 und 5 sowie einem Thermoele
ment 6 besteht.
Der Feststoffelektrolyt 1, der aus mit Yttriumfluorid dotiertem Calciumfluorid
besteht, die Referenzelektrode 2, die aus Nickel und Nickelfluorid (in äquimolarem
Verhältnis) besteht, und das Thermoelement 6 sind in einem mobilen Meßfühler 7
angeordnet, dessen Endabschnitt in Fig. 2 abgebildet ist. Der Meßfühler 7 besteht
aus einem Tauchrohr 8 aus ZrO2 an dessen distalem Ende der Feststoffelektrolyt
1, die Referenzelektrode 2 und das Thermoelement 6 befestigt sind. Der Feststoff
elektrolyt 1 ist behälterförmig ausgebildet, mit der Referenzelektrode 2 gefüllt und
mit einer Abdichtplatte 9 aus Al2O3 verschlossen, so daß die Referenzelektrode 2
für die Schmelze unzugänglich ist. Das Verhältnis zwischen dem Nickel und dem
Nickelfluorid in der Referenzelektrode 2 ist äquimolar. Der Feststoffelektrolyt 1, der
zu der Referenzelektrode 2 gehörige Ableiter 4, das Thermoelement 6 und eine
dieses zur Schmelze hin abschirmende Schutzkappe 10 aus ZrO2 sind mittels
Sauereisenzement 11 an dem Tauchrohr 8 des Meßfühlers 7 befestigt. Dabei
nimmt das Tauchrohr 8 den Ableiter 4 der Referenzelektrode 2 sowie die An
schlußleitungen des Thermoelements 6 auf.
Der Feststoffelektrolyt 1 ist von einer Aluminiumkappe 12 abgeschirmt. Zwecks
weiteren Schutzes gegen Schlag und Thermoschock beim Eintauchen ist sowohl
die Schutzkappe 10 als auch die Aluminiumkappe 12 von einer weiteren Alumini
umkappe 13 abgeschirmt, die in ihrem Außendurchmesser mit dem Außendurch
messer des Tauchrohrs 8 übereinstimmt und mit einer zentralen Durchbrechung 14
versehen ist.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist der aus Molybdän bestehende Ableiter 5 durch
eine Ummantelung 15 aus ZrO2 vor der Schmelze geschützt.
In Fig. 1 ist die Anordnung der Meßvorrichtung in einer Anlage 16 zur Aluminium
schmelzflußelektrolyse dargestellt. Die Anlage 16 besteht aus einer Wanne 16', in
der sich unten flüssiges Aluminium 17 befindet. Über dem Aluminium 17 befindet
sich eine Schmelze 18 aus Kroylith und Tonerde. Wiederum oberhalb dieser
Schmelze 18 liegt eine Schlackenschicht 19. In die Schmelze 18 aus Kryolith und
Tonerde taucht eine Anode 20 aus Kohlenstoff ein.
Zur Durchführung einer kontinuierlichen Messung der AlF3-Konzentration wird der
Meßfühler 7 mit seinem distalen Ende so weit in das Schmelzbad eingetaucht, daß
er sich in der Schmelze 18 aus Kryolith und Tonerde befindet. In die als Arbeits
elektrode dienende Schmelze 18 ist des weiteren der ummantelte Ableiter 5
eingetaucht. Aufgrund der hohen Korrosionsbeständigkeit des Fluorionen leitenden
Feststoffelektrolyten 1 läßt sich die AlF3-Konzentration im Kryolith durch Änderung
der elektromotorischen Kraft der Meßvorrichtung über einen relativ langen Zeitraum
kontinuierlich und mit einer hohen Meßgenauigkeit messen.
Claims (4)
1. Vorrichtung zur Messung der Konzentration von Fluori
den, insbesondere von Aluminiumfluoriden bzw. des Ver
hältnisses von Natrium- zu Aluminiumfluorid, in einer
kryolithischen Schmelze mit folgenden Merkmalen:
- a) einem Feststoffelektrolyten (1) aus Calciumfluorid;
- b) einer Referenzelektrode (2) aus einem Metall und dem betreffenden Metallfluorid und
- c) einer Spannungsmeßeinrichtung (3) mit Ableitern (4, 5), wobei ein Ableiter (4) mit der Referenzelek trode (2) verbunden und ein anderer Ableiter (5) der Schmelze (18) zuführbar ist und dann als Arbeitselek trode dient.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff
elektrolyt (1) aus dotiertem Calciumfluorid besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Calcium
fluorid des Feststoffelektrolyten (1) mit Yttriumfluorid oder Natriumfluorid
dotiert ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Feststoffelektrolyt (1) mit der Referenzelektrode (2) so gefüllt oder
beschichtet ist, daß die Referenzelektrode (2) für die Schmelze (18) bzw.
das Gasgemisch unzugänglich ist.
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