DE2153294A1 - Process for the production of aluminum by electrolysis of aluminum oxide in a fluoride melt flow - Google Patents

Process for the production of aluminum by electrolysis of aluminum oxide in a fluoride melt flow

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DE2153294A1
DE2153294A1 DE19712153294 DE2153294A DE2153294A1 DE 2153294 A1 DE2153294 A1 DE 2153294A1 DE 19712153294 DE19712153294 DE 19712153294 DE 2153294 A DE2153294 A DE 2153294A DE 2153294 A1 DE2153294 A1 DE 2153294A1
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Wolfgang Dr.El.-Ing.; Pfammatter Paul Dipl.-El.-Ing.; Chippis Schmidt-Hatting (Schweiz)
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    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25CPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/20Automatic control or regulation of cells

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Description

Verfahren zur Gewinnung von Aluminium durch'Elektrolyse von Aluminiumoxid im FluoridschmelzflussProcess for the production of aluminum by electrolysis of Alumina in the fluoride melt flow

Priorität: 1. Dezember 1970, Schweiz, Nr. 17762/70Priority: December 1, 1970, Switzerland, No. 17762/70

Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid (A] O , Tonerde) wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst. Die Elektrolyse erfolgt in einem Temperaturbereich von etwa 9-10 bis 975 C. In die Schmelze tauchen von oben Anoden aus amorphem Kohlenstoff ein. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt s;ch unter der Fluoridschmelze auf dem Boden der Zelle. An den Anoden entsteht durchdie elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu CO und CO verbindet.For the production of aluminum by electrolysis of aluminum oxide (A] O, alumina), this is dissolved in a fluoride melt. The electrolysis takes place in a temperature range of about 9-10 to 975 C. Anodes made of amorphous carbon are immersed in the melt from above . The cathodically deposited aluminum collects under the fluoride melt on the bottom of the cell. At the anodes, the electrolytic decomposition of the aluminum oxide produces oxygen, which combines with the carbon of the anodes to form CO and CO.

Das Prinzip einer Aluminium-Eleklrolysezelle mit vorgebrannten (vorgebacken en) Anoden geht aus der Figur hervor, die einen Schnitt in Längsrichtung zeigt. Die Fluoridschrnelze 10 (der Elektrolyt) befindet sich in einer mit Kohlenstoff 11 ausgekleideten Stahhvanne 12, die mit einer thermischen Isolation 13 aus hitzebeständigeni, -.värmedänimendcm Au.skleidung.smatcrinl versehen ist. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium 14 liegt auf dem Boden 15 der Zelle. Die Oberfläche IG desThe principle of an aluminum electrolysis cell with prebaked (prebaked) anodes can be seen from the figure, which shows a section in the longitudinal direction. The Fluoridschrnelze 10 (the electrolyte) is located in a lined carbon 11 Stahhvanne 12, which is provided with a thermal insulation 13 from hitzebeständigeni, -.värmedänimendcm Au.skleidung.smatcrinl. The cathodically deposited aluminum 14 lies on the floor 15 of the cell. The IG surface of the

209825/0635209825/0635

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

t ■ flüssigen Aluminiums stellt die Kathode dar. Li die Kohlenstoffauskleidung 11 sind eiserne Kathodenbarren 17 eingelassen, die den Strom aus dem Boden der Zelle nach aussen führen. In die Fluoridschmelze 10 tauchen von oben Anoden 18 aus amorphem Kohlenstoff ein, die den Gleichstrom dem Elektrolyten zuführen. Sie sind über Stromleiterstangen 19 und durch Schlösser 20 mit dem Anodenbalken 21 fest verbunden. Der Elektrolyt 10 ist mit einer Kruste 22 aus erstarrter Schmelze und einer darüber befindlichen Aluminiumoxidschicht 23 bedeckt. Der Abstand d der Anodenunterseite 24 zur Aluminiumoberfläche 16, auch Interpolärdistanz genannt, lässt sich durch Heben oder Senken des Anodenbalkens 21 mit Hilfe der Hubwerke 25 verändern, die auf Säulen 26 montiert sind. Infolge des Angriffs durch den bei der Elektrolyse in Freiheit gesetzten Sauerstoff verbrauchen sich die Anoden an ihrer Unterseite täglich um t ■ liquid aluminum, the cathode is. Li the carbon lining 11 iron cathode bars 17 are inserted, which lead outwards from the bottom of the cell according to the current. Anodes 18 made of amorphous carbon, which feed the direct current to the electrolyte, are immersed in the fluoride melt 10 from above. They are firmly connected to the anode bar 21 via conductor rods 19 and locks 20. The electrolyte 10 is covered with a crust 22 of solidified melt and an aluminum oxide layer 23 located above it. The distance d between the anode underside 24 and the aluminum surface 16, also called the interpolar distance, can be changed by raising or lowering the anode bar 21 with the aid of the lifting mechanisms 25 which are mounted on columns 26. As a result of the attack by the oxygen released during electrolysis, the anodes on their underside are used up daily

ca. 1, 5 bis 2 cm je nach Zellentyp.approx. 1.5 to 2 cm depending on the cell type.

Das Prinzip einer Aluminiuni-ElekThe principle of an aluminum elec

trolysezelle mit.selbst backender Anode (Soederberg-Anode) ist das Gleiche wie dasjenige einer Aluminium-Elektrolysezelle mit vorgebrannten ψ Anoden. An Stelle einer Vielzahl von vorgebrannten Anoden ist eine einzige Anode vorhanden, die von einem Stahlmantel umgeben ist; diese Anode wird durch Einschütten von grüner Elektrodenmasse in den Stahlmantel nach Bedarf ergänzt und die grüne Elektrodenmasse wird durch die Zellenwärme allmählich gebacken.A trolysis cell with a self-baking anode (Soederberg anode) is the same as that of an aluminum electrolysis cell with pre-burnt ψ anodes. Instead of a plurality of prefired anodes, there is a single anode which is surrounded by a steel jacket; this anode is supplemented by pouring green electrode mass into the steel jacket as required and the green electrode mass is gradually baked by the heat of the cell.

Durch Einschlagen der oberen Elektrolytkruste 22 (der verkrusteten Badoberfläche) wird das darüber befindliche Aluminiumoxid 23 in den Elektrolyten 10 gebracht. Im Laufe der' Elektrolyse verarmt dieser an Alumini-By hammering in the upper electrolyte crust 22 (the encrusted bath surface) the aluminum oxide 23 located above it is brought into the electrolyte 10. In the course of the 'electrolysis, this is depleted in aluminum

. . 209825/0635. . 209825/0635

,,..".■ 215 3 2 9 A"..". ■ 215 3 2 9 A

umoxid. Bei einer unteren Konzentration um 1 % Aluminiumoxid im Elektrolyten kommt es zum Anodeneffekt, der sich in einer plötzlichen Spannungserhöhung von normal 4 bis 4, 5 V auf 30 V und darüber auswirkt. Spätestens dann muss die Kruste eingeschlagen werden und die Al9O-Konzentration durch Zugabe von neuem Aluminiumoxid angehoben werden, damit die Dauer der hohen Energiezufuhr zur Zelle während des Anodeneffektes möglichst begrenzt wird (diese hohe, während des Anodeneffektes zugeführte Energie wird im Folgenden als "Anodeneffektenergie" bezeichnet). Obwohl das Einschlagen der Kruste sofort nach Eintreten des Anodeneffektes vorgenommen wird, kann nicht verhindert werden, dass dessen Zeitdauer zwischen 2 und 5 Minuten liegt. Da in diesem kurzen Zeitraum ein Vielfaches der normalen elektrischen Energie zugeführt wird, steigt die Temperatur der Fluoridschmelze sehr schnell auf Werte von 980 bis 1040 C. Nach Zugabe des Aluminiumoxids bricht die hohe Spannung des Anodeneffektes zusammen, besonders dann, wenn die Schmelze durch mechanische Mittel wie Holzstangen, Haken usw. stark gerührt wird. Es vergeht oft bis zu einer Stunde, bevor die Temperatur* des Elektrolyten wieder auf einen Normalwert zwischen 940 und 975 C zurückgekehrt ist. Erhöhte Temperatur bedeutet aber schlechtere Stromausbeute, da der Elektrolyt hierbei einen grösseren Anteil metallischen Aluminiums löst, das dann in Kontakt mit dem Anodengas CO zu Aluminiumoxid reoxydiert wird. Unter Stromausbeute versteht man das. Verhältnis des wirklich produzierten Aluminiums zum theoretisch nach FARADAY produzierten.umoxid. With a lower concentration of 1% aluminum oxide in the electrolyte, the anode effect occurs, which results in a sudden increase in voltage from normally 4 to 4.5 V to 30 V and above. At this point, at the latest, the crust must be smashed in and the Al 9 O concentration increased by adding new aluminum oxide so that the duration of the high energy supply to the cell during the anode effect is limited as much as possible (this high energy supplied during the anode effect is hereinafter referred to as " Anode effect energy "). Although the crust is knocked in immediately after the anode effect has occurred, it cannot be prevented that its duration is between 2 and 5 minutes. Since a multiple of the normal electrical energy is supplied in this short period of time, the temperature of the fluoride melt rises very quickly to values of 980 to 1040 C. After adding the aluminum oxide, the high voltage of the anode effect breaks down, especially when the melt is mechanically operated such as wooden poles, hooks, etc. is stirred vigorously. It often takes up to an hour before the temperature * of the electrolyte has returned to a normal value between 940 and 975 C. However, increased temperature means poorer current yield, since the electrolyte dissolves a larger proportion of metallic aluminum, which is then reoxidized to aluminum oxide in contact with the anode gas CO. Electricity yield is understood to mean that. Ratio of the actually produced aluminum to the theoretically produced according to FARADAY.

209825/0635 BAD209825/0635 BATH

Der Anodeneffekt tritt je nach Bedienungsart üblicherweise ein- bis viermal am Tag bei jeder Zelle auf.The anode effect usually occurs one to four times, depending on the type of operation every day in every cell.

Aus den geschilderten Umständen ist es verständlich, dass die Stromausbeute infolge häufiger Anodeneffekte sinkt, da die Temperatur der Fluoridschmelze jedesmal steigt. Sobald die Elektrolyttemperatur wesentlich über 980 C liegt, erhöhen sich die Wärmeverluste der Zelle, da der Temperaturunterschied zwischen Fluoridelektrolyt und der die Zelle umgeben- W den Hallenluft grosser wird. Wärmeverluste sind keine Nutzenergie, soFrom the circumstances described, it is understandable that the current yield drops as a result of frequent anode effects, since the temperature of the fluoride melt rises every time. Once the electrolyte temperature is substantially above 980 C, increase the heat losses of the cell, since the temperature difference between the fluoride electrolyte and the cell sur- rounding W is large the hall air. Heat losses are not useful energy, so

dass allzuhäufige Anodeneffekte den spezifischen elektrischen Energieverbrauch (kWh/kgAl) in nennenswerter Weise erhöhen. Der Teil der . elektrischen Energie, der die höheren Wärme Verluste der Zelle während des Anodeneffektes verursacht, ist als zusätzliche Verlust energie zu betrachten. · '" -that all too frequent anode effects increase the specific electrical energy consumption (kWh / kgAl) in a noteworthy way. The part of. electrical energy, which causes the higher heat losses of the cell during the anode effect, is to be regarded as additional energy loss. · '"-

Der restliche Anteil der Anodeneffektenergie kann jedoch nicht als Verfe lustenergie angesehen werden, da er zur Aufrechterhaltung einer normalen Arbeitstemperatur von 940 bis 975 C benötigt wird. Man erkennt dies an der Tatsache, dass man nach Verringerung der Anodeneffektenergie (durch Verringerung der Häufigkeit der Anodeneffekte und/oder Verringerung deren Dauer) die Ruhespannung der Zelle erhöhen muss. Unter Ruhespannung wird diejenige Zellerispannung verstanden, die ungefähr eine halbe Stunde nach der Bedienung der Zelle durch Krusleneinschlagen und Al O -Zugabe zur Aufrechterhaltung der unteren Grenze der Arboitstemperatur als Mindeslspannung der Zelle vorzugsweise αίη^ακΙιΊΗ wird.However, the remaining part of the anode effect energy cannot be regarded as loss energy, as it is required to maintain a normal working temperature of 940 to 975 C. This can be seen from the fact that after reducing the anode effect energy (by reducing the frequency of the anode effects and / or reducing their duration), the open-circuit voltage of the cell must be increased. Rest voltage is understood to mean that cell voltage which is preferably αίη ^ ακΙιΊΗ as the minimum voltage of the cell approximately half an hour after the cell has been operated by crushing and adding Al O to maintain the lower limit of the working temperature.

209825/0635209825/0635

' BAD ORKSfNAU 'BAD ORKSfNAU

Man stellt also nach Verringerung der Anodeneffekteiicrgie fest, dass ein Teil der eingesparten Energie der Zelle durch eine Erhöhung der Ruhespannung, d.h. also in den Zeiträumen zwischen den Anodeneffekten, zugeführt werden muss. Dieser Anteil der Anodeneffektenergie ist Nutzenergie. After reducing the anode effect energy, it is found that part of the energy saved by the cell by increasing the open-circuit voltage, i.e. in the periods between the anode effects. This portion of the anode effect energy is useful energy.

Wenn man keine Gegenmassnahmen, zum Beispiel durch Erhöhung der Ruhespannung, einleitet, kühlt sich die Fluoridschmelze in unzulässiger Weise ab und gex^ät unter ihren Liquiduspunkt, wodurch Störungen im Betrieb der Zelle eintreten. Es ist daher notwendig, nach Verringerung der Anodeneffektenergie die fehlende Nutzenergie auf andere Weise der Zelle zuzuführen. Dies wurde bisher ausschliesslich dadurch erreicht, dass man die Ruhespannung durch Vergrösserung der Interpolardistanz erhöhte. Spannung, im Gegensatz zu Strom/ produziert jedoch kein Metall; durch Vergrösserung der Interpolardistanz zwecks Erhöhung der Spannung kann die Stromausbeute nicht verbessert werden, es sei denn, die Interpolardistanz befinde sich vor Erhöhung der Ruhespannung auf einem kaum noch zu beherrschenden unteren Wert, zum Beispiel von 4 cm.If you do not take countermeasures, for example by increasing the Rest voltage, initiates, the fluoride melt cools down in an impermissible manner and falls below its liquidus point, which causes disruptions in operation enter the cell. It is therefore necessary after reducing the Anode effect energy to supply the missing useful energy to the cell in a different way. So far, this has only been achieved by the rest voltage was increased by increasing the interpolar distance. Voltage, unlike current / but does not produce metal; by increasing the interpolar distance to increase the voltage, the current yield cannot be improved unless the Before the rest voltage is increased, the interpolar distance is at a lower value that can hardly be controlled, for example 4 cm.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für die Zufuhr der nach Verringerung der Anodeneffektenergie fehlenden Energie, die üblicherweise durch Erhöhung der Ruhespannung zugeführt wird.The invention relates to a method for the supply of the after reduction The energy missing from the anode effect energy, which is usually supplied by increasing the open-circuit voltage.

Erfindungsgernäss wird in einer Zelle, in der die Häufigkeit und/oder Dauer der Anodenoffcktc herabgesetzt wird, die Stromstärke um einenAccording to the invention in a cell in which the frequency and / or Duration of the Anodenoffcktc is reduced, the amperage by one

solchen bleibenden Betrag erhöht, der in der Zelle diejenige Wärmemenge durch elektrischen Strom erzeugt, die dem fehlenden Anteil Nutzenergie der verringerten Anodeneffektenergie entspricht.such a permanent amount increases that in the cell that amount of heat generated by electricity, which makes up the missing share of useful energy corresponds to the reduced anode effect energy.

Man erhöht also die Elektrolysestromstärke. Hierdurch wird durch Stromwärme die fehlende Joule'sche Wärme dem Elektrolyten zugeführt und gleichzeitig die Produktion der Zelle gesteigert, da sich bei gleichbleibender Elektrolyttemperatur die Stromausbeute nicht verringert.So you increase the electrolysis current. This is by electricity heat the missing Joule heat is supplied to the electrolyte and at the same time the production of the cell is increased, as the Electrolyte temperature does not reduce the current yield.

Es darf jedoch die Stromstärke nur soweit vergrössert werden, wie zur Deckung der fehlenden Nutzenergie infolge Verringerung der Dauer und/ oder der Häufigkeit der Anodeneffekte erforderlich ist. Führt man zu wenig Energie zur Kompensation zu (wird also die Stromstärke zu wenig stark erhöht), sinkt die Elektrolyttemperatur, und es besteht Gefahr, dass sie unter den Liquiduspunkt gerät, wobei einzelne Bestandteile des . Elektrolyten in fester Form ausfallen, sich am Boden der Zelle ansam- ψ mein und störende Schlammablagerungen und Bödenverkrustungen verursachen. Steigert man hingegen die Stromstärke mehr, als zur Kompensation der fehlenden Nutzenergie notwendig ist, steigt die Temperatur des Fluoridelektrolyten mit der Folge, dass das Lösungsvermögen des Elektrolyten für Aluminium ebenfalls grosser wird und die Stromausbeute infolgedessen sinkt.However, the current strength may only be increased to the extent necessary to cover the lack of useful energy due to a reduction in the duration and / or frequency of the anode effects. If too little energy is supplied for compensation (i.e. if the current strength is not increased too much), the electrolyte temperature drops and there is a risk that it will fall below the liquidus point, with individual components of the. Electrolyte precipitate in solid form, located at the bottom of the cell ansam- cause my ψ and interfering sludge deposits and Bödenverkrustungen. If, on the other hand, the current strength is increased more than is necessary to compensate for the lack of useful energy, the temperature of the fluoride electrolyte rises with the consequence that the electrolyte's dissolving power for aluminum also increases and the current yield decreases as a result.

Bei Anwendung des eivfindungsgemässen Verfahrens wird diejenige Stromstärkeerhöhung berechnet, welche die fehlende Nutzenergic wärmpmässigWhen the method according to the invention is used, that current strength increase is calculates which is the missing useful energy in terms of heat

2 0 9 8 2 5 Jf®&$$ C BAD ORIGINAL2 0 9 8 2 5 Jf® & $$ C BAD ORIGINAL

so kompensiert, dass sich bei gleich bleibender Interpolardistanz die Temperatur des Fluoridelektrolyten nicht ändert. ( compensated so that the temperature of the fluoride electrolyte does not change if the interpolar distance remains the same. (

Es braucht hier nicht im einzelnen untersucht zu werden, durch welche Mittel die Anodeneffektenergie verringert wird. Das wird in der Praxis zum Beispiel durch schnelles automatisches Krusteneinschlagen beim Anodeneffekt, durch Aufrechterhaltung einer Al O -Konzentration zwisehen 5 und 7 % über längere Zeiträume und durch andere bekannte Methoden erreicht.It does not need to be examined here in detail by which one Means the anode effect energy is reduced. This is done in practice, for example, by means of rapid automatic crust wrapping during Anode effect, by maintaining an Al O concentration between 5 and 7% over extended periods of time and by other known methods achieved.

Im Folgenden wird gezeigt, wie diese für die Aufrechterhaltung der Elektrolyttemperatur notwendige Stromstärkeerhöhung nach Verringerung der Anodeneffektenergie errechnet werden kann.The following shows how this can be used to maintain the electrolyte temperature necessary increase in current intensity can be calculated after reducing the anode effect energy.

Ausgangsdaten einer ZelleOutput data of a cell

Stromstärke .Amperage.

Durchschnittliche Zellenspannung StromausbeuteAverage cell voltage and current yield

Spezifischer elektrischer Energieverbrauch Specific electrical energy consumption

Durchschnittliche Zellenspannung ohne anteilige Anoden effekteAverage cell voltage without partial anode effects

Spannungsanteil durch AnodeneffekteVoltage component due to anode effects

Spannungsabfall in allen StromleiternVoltage drop in all electrical conductors

ausserhalb der Wanne (Eingang Zelleoutside the tub (entrance cell

bis Anoden in Elektrolythöhe und Endeto anodes in electrolyte level and end

Kathodenbarren bis Ausgang Zolle) U (V)Cathode bar to exit Zolle) U (V)

X.OX.O

209825/0635209825/0635

. ν BAD ORIGINAL. ν BAD ORIGINAL

IlIl (IcA)(IcA) »10»10 (V) ■(V) ■ (kWh/kgAl)(kWh / kgAl) un u n (V) ,(V), U12 U 12 (V)(V)

AnodenbruttoverbrauchGross anode consumption

Anodennettoverbrauch (Anodenbruttoverbrauch abzüglich Anodenreste)Net anode consumption (gross anode consumption minus anode residues)

2 15329k 2 15329 k

(gC/kgAl) (gC/kgAl)(gC / kgAl) (gC / kgAl)

Daten nach der Stromstärkeerhöhung und Verringerung der Anodeneffekt energie Data after the increase in amperage and decrease in the anode effect energy

Stromstärke (I = I +ΔD
Durchschnittliche Zellenspannung Stromausbeute
Current strength (I = I + ΔD
Average cell voltage and current yield

(7?2 =?2, da gleichbleibende Elektrolyttemperatur, im Mittel vorausgesetzt ist)(7? 2 =? 2, since constant electrolyte temperature is assumed on average)

Spezifischer elektrischer Energieverbrauch Specific electrical energy consumption

Durchschnittliche Zellenspannung ohne anteilige AnodeneffekteAverage cell voltage without partial anode effects

Spannungsanteil durch Anodeneffekte (U20 = U2I+1V Voltage component due to anode effects (U 20 = U 2 I +1 V

Spannungsabfall in allen Stromleitern ausserhalb der WanneVoltage drop in all conductors outside the tub

AnodenbruttoverbrauchGross anode consumption

(C = C da sich die übrigen Zellenparameter nicht geändert haben) Anodennetto verbrauch
.(C22SC12>
(C = C because the other cell parameters have not changed) Net anode consumption
. (C 22 SC 12>

2 U2 U

(kA)
(V)
(not specified)
(V)

(kWli/kgAl)(kWli / kgAl)

(V)(V)

(gC/kgAl)(gC / kgAl)

(gC/kgAl)(gC / kgAl)

Berechnung der eingespartcn Enerpie Calculation of the saved energy

Durch hier nicht spezifizierte Massnahmen wird der Spannungsanteil durch Anodeneffekte von U9 auf U reduziert. In die Zf;]lc-n\vanno wird dadurch in 24 Stunden folgende Energie weniger eingeführt:'Measures not specified here reduce the voltage component from U 9 to U due to anode effects. In the Zf;] lc -n \ vanno the following energy is introduced less in 24 hours: '

kcalkcal

24.24.

(D(D

Nach allgemeinen Erfahrungen können hiervon jedoch nur 0, 1 bis 0, 10 V genutzt-werden.-Aus Sicherheitsgründen wird der untere Wert in die Rechnung eingeführt. Es ergibt sich, dass von der gesamten eingesparlor,According to general experience, however, only 0.1 to 0.1 V of this can be used. For safety reasons, the lower value is included in the calculation. It turns out that of the total saved,

20 9825/0 6 35'20 9825/0 6 35 '

>- 5 SAD ORtGINAi> - 5 SAD ORtGINAi

■Energie 4 A1 nur folgender Anteil ΔΑ" für eine Stromstärkeerhöhung genutzt werden kann:■ Energy 4 A 1 only the following proportion ΔΑ "can be used to increase the current:

Δ/ A" = 0, 1 · I- 24 - 8GO ~~ (2)Δ / A "= 0.1 · I- 24 - 8GO ~~ (2)

1 λ4 Il1 λ4 Il

(fÜrU12-U22>°'1V) (for U 12- U 22> ° ' 1V)

Δ A" = (U12 - U22) I1 · 24 · 860 Iff (3)Δ A "= (U 12 - U 22 ) I 1 · 24 · 860 Iff (3)

(für U12 -U22 * 0,1 V) (for U 12 -U 22 * 0.1 V)

Gleichung (1) bedeutet, dass die gesamte Anodeneffektdauer (d.h. Anzahl der Anodeneffekte pro Zelle und Tag multipliziert mit der Dauer des einzelnen Anodeneffektes um (U U )100Equation (1) means that the total anode effect duration (i.e. number of anode effects per cell and day multiplied by the Duration of the individual anode effect around (U U) 100

Z1 = % (4)Z 1 =% (4)

1212th

verkürzt worden ist. Hierbei ist es gleichgültig; ob man die Häufigkeit der Anodeneffekte, deren Dauer oder beides verändert hat.has been shortened. It doesn't matter here; whether you can get the frequency the anode effects whose duration or both has changed.

Gleichung (2) bedeutet, dass man von der verringerten Anodeneffektenergie nur ;:·Equation (2) means that one can only benefit from the reduced anode effect energy; : ·

7 P,l -100 Of 7 P, l -100 Of

für eine Stromstärkeerhöhung nutzen kann.can use for an increase in amperage.

Im Falle der Gleichung (3) werden 100 % der verringerten Energie genutzt, d.h. es wirdIn the case of equation (3), 100% of the reduced energy is used, i.e. it becomes

Z0 = 100 % ' (6)Z 0 = 100% '(6)

10 · Z ' Z gibt an, wieviel Prozent der gesamten, ursprünglichen Anodeneffektenergie für eine Stromstärkeerhöhung genutzt werden kann.10 · Z 'Z indicates what percentage of the total, original anode effect energy is used to increase the current intensity can be.

Erzeugte.» Wärmemenge in der Wanne vor der Verringerung der A nod enc'ffckt energieGenerated . " Amount of heat in the tub before reducing the A nod enc'ffck t energy

Jon] r-'.sehe Wilrmr: im Eloktrolytr-n und im Ko hl ο bod onJon] r - '. See before Wilrmr: in the Elok trolytr-n and in the Ko hl ο bod on

Die chemische Gogen.c;p.'umung wird mit 1, 05 V angenommen.The chemical Gogen. c ; p.'umung is assumed to be 1.05 V.

Die Wannenspannung (Zc]]on.f;p«'innung abzüglich derjenigen der Stromleiter iiusHc-rhallj flor Wanne:) beträgtThe tub voltage (Zc]] on. F ; p «'guild minus that of the current conductors iiusHc-rhallj flor tub :) is

2 0 9 8 2 5jfeQ#0.i c*,3 BAD ORIGINAL2 0 9 8 2 5jfeQ # 0.ic *, 3 BAD ORIGINAL

UW1 = U10 - U12 - U13 V ' U W1 = U 10 - U 12 - U 13 V '

Der Ohm'sche Anteil hiervon ist:The ohmic part of this is:

»Witt "11XO -0H-11IS-1-65 V (B) "Witt" 11 XO - 0 H- 11 IS- 1 - 65 V (B)

Die erzeugte Wärmemenge wird damitThe amount of heat generated is thus

Durch den Anodeneffekt erzeugte WärmemengeAmount of heat generated by the anode effect

W12 * U12 · h · 2486° fit (10) W 12 * U 12 · h · 2486 ° fit (10)

Durch die Reaktion C + Q erzeugte WärmemengeAmount of heat generated by the C + Q reaction W1S " 1I ^1C12-O18IS- 94!)f|f (H) W 1S " 1 I ^ 1 C 12 -O 18 IS- 94!) F | f (H) Wärmemenge durch ReoxydationAmount of heat through reoxidation

)- 299 Iff (12)) - 299 IFF (12)

Gebundene Energie bei der Al Q -Zersetzung Bound energy in Al Q decomposition

Anwärmen des Aluminiumoxids und Lösen in EloktrolvtenWarming up the aluminum oxide and dissolving it in an electrolyte

W ■ = I · · 0 -47 25 ~— (14)W ■ = I · 0 -47 25 ~ - (14)

W1G 1 /l · ' 24 h l ' W 1G 1 / l '24 h l '

.209825/0635 BAD original.209825 / 0635 BAD original

Anwärmen der AnodenWarming up the anodes

= 2, 72· I1-Jr1. Cn- 10-2Hf (15) = 2.72 * I 1 -Jr 1 . C n - 10- 2 Hf (15)

Zusammenfassungsummary

Es ist die Summe für die Bildung der VerlustwärmemengenIt is the sum for the formation of the heat losses

W zu bilden J >JL W to form J> JL

WL1 * W!l + W!2 + W13 + W14 " W» " W16 " W!7 W L1 * W ! L + W ! 2 + W 13 + W 14 " W » " W 16" W ! 7

Die Anteile für das Anwärmen von Kryolith und AlF „ sind ver nachlässigt worden.The proportions for heating cryolite and AlF are ver been neglected.

Erzeugte Wärme in der Wanne nach der Verringerung der Anodeneffekt en ergieHeat generated in the tub after reducing the Anode effect energy

Joule'sehe Wärme im Elektrolyten und im Kohleboden W». = (U-U-U -L65)t- I* · 24· 8C0kcal Joule's heat in the electrolyte and in the carbon base W ». = (UUU -L65) t- I * * 24 * 8C0 kcal

2i ^1O1ViS1-β8»^ h ■ 24 8G0 IfiT2i ^ 1 O 1 ViS 1 - β8 »^ h ■ 24 8G0 IfiT

Durch den Anodeneffekt erzeugte WärmemengeAmount of heat generated by the anode effect

=\v -AA W12 -Si = \ v -AA W 12 - Si

\v AA 22 W12 -Si 24 h\ v AA 22 W 12 - Si 24 h

Durch die Reaktion C + O erzeugte Wärmemenge·Amount of heat generated by the reaction C + O

209825/0635 BADORIOtNAt.209825/0635 BADORIOtNAt.

Wärmemenge durch ReoxvdationAmount of heat through reoxidation

299 If^- . (20)299 If ^ -. (20)

Gebundene Energie bei der Al O - ZersetzungBound energy in the Al O decomposition

- 14, 40 - 103 - I2 ^JL - 14, 40 - 10 3 - I 2 ^ JL (21)(21)

Anwärmen des Aluminiunioxids und Lösen im Elektrolyten Warm up the aluminum oxide and dissolve it in the electrolyte

"-25ITS · (22) "- 25 ITS · (22)

Anwärmen der AnodenWarming up the anodes
on ~ >on ~> ο ' λ ' 11 * (/ο/ ο 'λ' 11 * (/ ο /

Zu s a m m e_nf a s s u η g To collect _nf assu η g

»W = W + W + W +W - W - W - W (24)»W = W + W + W + W - W - W - W (24)

L2 .21 22 23 24 25 26 2 7 K ' L2 .21 22 23 24 25 26 2 7 K '

plei chge wicht sbcdingung equal weight sbcding ung

Es ist definitionsgemässIt is by definition

W (Gleichung IG) --- W, 0 (Gleichung 24) (25)W (equation IG) --- W, 0 (equation 24) (25)

Hieraus errechnet sich die. Strom .stärke I9 nach der Erhöhung um ΔI (siehe Daten nach der Stromstärkeerhuhung und Verringerung i' Anodenel'feklenei-gie).The is calculated from this . Current. Strength I 9 after the increase by ΔI (see data after the current strength increase and decrease i ' Anodenel'fe cycleei-gie).

209 825/06 3 5209 825/06 3 5

JM'iVJM'iV

BAD OBATH O.

Berechnung der neuen ZellenspannungCalculation of the new cell voltage

S^+1-ee Y S ^ +1 - ee Y (26)(26)

•Berechnung des neuen spezifischen elektrischen Energie verbrauches • Calculation of the new specific electrical energy consumption

0,3354 ■ ^1 kgAl0.3354 ■ ^ 1 kgAl

Rechenbei spielCalculation example

In einer Elektrolyseanlage mit Zellen, die mit vorgebrannten (vorgebackenen)Anoden bestückt sind, hatte jede Zelle im Durchschnitt täglich 3, 6 Anodeneffekte mit einer Spannungserhöhung um rund 35 V und einer Dauer von je 2, 3 min. Hierdurch wurden in der Zellenwanne 0, 328 χ 10" kcal in 24 h erzeugt. Dieser Wert errechnet sich wie folgt:In an electrolysis system with cells that are pre-burned (pre-baked) anodes are equipped, each cell had an average of 3.6 anode effects per day with a voltage increase of around 35 V and a duration of 2.3 minutes each 0.328 χ 10 "kcal were generated in the cell tray in 24 h. This value is calculated as follows:

35 · 3'6' 2· 35 · 3 ' 6 ' 2 ·

6060

=4 8V = 4 8V

Daraus errechnet sich die in jeder Zellenwanne bei einer Stromstärke von 79, 2 IcA durch die Anodeneffekt energio im Durchschnitt täglich erzeugte Wärmemenge.This is used to calculate the amount of current in each cell tray of 79.2 IcA by the anode effect energio on average daily amount of heat generated.

W = 4, 8 · 79, 2 · 860 = 0, 328 ■ 10° kcalW = 4.8 x 79.2 x 860 = 0.328 ■ 10 ° kcal

Ausgangsdaten dieser Elektrolyscanlage (Durchschnitt eines Jahres) Initial data of this electrolysis system (average of one year)

StromstärkeAmperage

Durchschnittliche Zellenspannung Sir oinaus beuteAverage cell voltage sir oinaus prey

Spezifischer elektrischer Energieverbrauch Specific electrical energy consumption

209825/0635 BAD ORi 209825/0635 BAD ORi

1I " 1 I " 7979 ,2, 2 kAn / a uio ■ u io ■ 4,4, 3636 VV Vi 'Vi ' 9393 ,3, 3 %% E1 -E 1 - 1313th ,93, 93 kWh
kgAl
kWh
kgAl

Durchschnittliche Zellenspannung ohne anteilige Ano'd en effekteAverage cell voltage without proportional ano'd en effects

U11 =U 11 = 4, 16 V-4, 16 V- "l2 - "l2 - 0,20 V0.20V "13 ="13 = 0,32 V0.32V Cn =C n = 513 gC/kgAl513 gC / kgAl C12 = C 12 = 454-gC/kgAl454-gC / kgAl

Spannungsanteil durch AnodeneffekteVoltage component due to anode effects

Spannungsabfall in allen Stromleitern ausserhalb der Wanne Anodcnbrutto verbrauch Anodennetto verbrauchVoltage drop in all current conductors outside the tub. Gross anode consumption Net consumption of anode

Durch an sich bekannte Massnahrnen (z. B. häufigeres Einschlagen der Elektrolytkruste und damit verbundene höhere durchschnittliche Al O -Konzentration im Elektrolyten und rascheres Einschlagen beim Auftreten eines Anodeneffektes) wird die Anzahl der Anodeneffekte auf 1, 3 pro Zelle und Tag und deren Dauer auf je 1, 6 min im Durchschnitt reduziert.By measures known per se (e.g. more frequent knocking in of the electrolyte crust and the associated higher average Al O concentration in the electrolyte and faster impact when an anode effect occurs) the number of anode effects will be 1, 3 per cell per day and their duration reduced to 1.6 minutes on average.

Daten nach der Stromstärkeerhöhung, die z.T. zu errechnen sindData after the increase in amperage, some of which are to be calculated

Stromstärke I kACurrent I kA

Durchschnittliche Zellenspannung U0n VAverage cell voltage U 0n V

Stromausbeute p » 93, 3 %Current yield p »93.3%

Spezifischer elektrischer Energie- u\\rh Specific electrical energy u \\ rh

verbrauch Econsumption E

2 kgAl2 kgAl

Durchschnittliche ZellenspannungAverage cell voltage

ohne anteilige Anodeneffekte Up1 Vwithout proportional anode effects Up 1 V

ψ Spannungsanteil durch Anodeneffekte U99=O, 05 V ψ Voltage component due to anode effects U 99 = 0.05 V

Spannungsabfall in allen Stromleitern ausserhalb der Wanne U0„ VVoltage drop in all current conductors outside the tub U 0 "V

Anodenbruttoverbrauch C9 =513 gC/kgAlGross anode consumption C 9 = 513 gC / kgAl

Anodennettoverbrauch C?O=454 gC/kgAlNet anode consumption C ? O = 454 gC / kgAl

Berechnung der eingesparten Energie Calculation of the saved energy

Es wurdenThere were

(G. 20 - 0,05) 100 „ „,
Ζ. = J-J Q- '- = (5 % an Anodeneffcktcnergie eingespart.
(G. 20 - 0.05) 100 "",
Ζ. = J - J Q- '- = (5% anode efficiency saved.

209825/0635209825/0635

badbath

Eingesparte EnergieEnergy saved

ΔΑ" = 0,163 · 10 kcal/24h Von der verringerten Anodeneffektenergie werdenΔΑ "= 0.163 x 10 kcal / 24h From the decreased anode effect energy

z e 0,10· 100 = 66 7 % Z2 0,20 - 0,05 bb) ' /0 ze 0.10 100 = 66 7% Z 2 0.20-0.05 bb) ' / 0

füi· eine Stromstärkeerhöhung genutzt.used for an increase in amperage.

Von der ursprünglichen Anodeneffektenergie werdenBe from the original anode effect energy

10"2 Z1 · Z= 75 · 66, 7 · 10"2 = 50 % für eine Stromstärkeerhöhung genutzt.10 " 2 Z 1 * Z = 75 * 66, 7 * 10" 2 = 50% used for an increase in current intensity.

Erzeugte Wärmemenge in der Wanne vor der Verringerung der Anodeneffektenergie Amount of heat generated in the tub before the anode effect energy was reduced

WT1 = 3,467 - ΙΟ6 ~ W T1 = 3.467 - ΙΟ 6 ~

Ll ' 24 hLl '24 h

Erzeugte Wärmemenge in der Wanne nach der Verringerung der Anodeneffe kt en er gi eAmount of heat generated in the pan after reduction the anode effect is given

W1 = 570, 7 I 2 - 5569, 7 I. + 0, 164 · 106 kcal W 1 = 570.7 I 2 - 5569.7 I. + 0.164 x 10 6 kcal

24 h24 hours

Gleich ge wicht s bed j ngungEquilibrium conditions

3,467 · ΙΟ6 = 570, 7 · I 2 - 5569, 7 I + 0, 164 ·3.467 ΙΟ 6 = 570.7 I 2 - 5569.7 I + 0.164

Ct CiCt Ci

Die Lösung der Gleichung ergibt I = 81, 1 ]:ASolving the equation gives I = 81, 1]: A

ΔΙ = öl, 1 - 79, 2 = 1, 9 IcAΔΙ = oil, 1 - 79, 2 = 1, 9 IcA

209825/063 BAO 209825/063 BAO

itit

Berechnung der neuen ZellenspannungCalculation of the new cell voltage

RIIRII

Zellengesamtspannung im Durchschnitt:Total cell voltage on average:

=4, 27 V= 4.27V

Ruhespannung:No-load voltage:

Berechnung des neuen spezifischen elektrischen EnergieverbrauchesCalculation of the new specific electrical energy consumption

, = 4, 27 · 100 '2 0,3354 · 93,3, = 4.27 x 100 '2 0.3354 x 93.3

= 13,65= 13.65

kWh kgAlkWh kgAl

Vergleich der WerteComparison of the values

StromstärkeAmperage

Zellenspannung StromausbeuteCell voltage current efficiency

Spezifischer elektrischer EnergieverbrauchSpecific electrical energy consumption

RuhespannungResting tension

Spannungsanteil durch AnodeneffektStress component due to anode effect

Anodenbr utt ο verbrauch Anodennetto verbrauch Wärmeverluste der Wanne Aluminium produktionGross anode ο consumption Net anode consumption Heat losses from the aluminum production tub

vorherbefore

kAn / a 79,279.2 V .V. 4,364.36 %% 93,393.3 kWh/kgAlkWh / kgAl 13, 9313, 93 VV 4, 164, 16 VV 0, 200, 20 gC/kgAlgC / kgAl 513513 gC/kgAlgC / kgAl 454454 kcal/24 hkcal / 24 h 3,4G7. 103,4G7. 10 kgAl/Zclle.kgAl / Zclle. TagDay 594, 8594, 8

nachher 81,1 4,27 93,3 afterwards 81.1 4.27 93.3

13,65 4,2213.65 4.22

0, 05 5130.05 513

454454

3,467.3.467.

609, 1609, 1

209825/0635209825/0635

Jf^J ;' BÄfr ORIGINAL Jf ^ J; 'BÄfr ORIGINAL

Durch das erfindungsgernässe Verfahren lässt sich nach Verringerung der Anodeneffektenergie die Stromstärke um fast 2 kA bei dem angegebenen Beispiel steigern. Dies bedeutet einen Anstieg der Metallproduktion um etwa 2,2%.The inventive method can be used to reduce the anode effect energy increase the amperage by almost 2 kA in the example given. This means an increase in metal production by about 2.2%.

2 O 9 8 2 5 / Ojfep?fe2 O 9 8 2 5 / Ojfep? Fe

Claims (1)

ieie PatentanspruchClaim Verfahren zur Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid im Fluoridschmelzfluss, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Zelle, in der die Häufigkeit und/oder die Dauer der Anodeneffekte herabgesetzt wird, die Zellenstromstärke um einen solchen Betrag erhöht wird, der in der Zelle diejenige Wärmemenge durch elektrischen Strom erzeugt, die dem fehlenden Anteil Nutz energie der verringerten Anodeneffekt energie entspricht.Process for the production of aluminum by electrolysis of aluminum oxide in the fluoride melt flow, characterized in that in a Cell in which the frequency and / or duration of the anode effects is reduced the cell current is increased by such an amount that the amount of heat generated in the cell by electrical current which corresponds to the missing share of useful energy of the reduced anode effect energy. 825/.0.§3825 / .0.§3 BÄPiSBÄPiS
DE19712153294 1970-12-01 1971-10-26 Process for the production of aluminum by electrolysis of aluminum oxide in a fluoride melt flow Pending DE2153294A1 (en)

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