DE2335028A1

DE2335028A1 - Verfahren zur kontrolle der waermeerzeugung in einer zelle zur gewinnung von aluminium durch elektrolyse

Info

Publication number: DE2335028A1
Application number: DE19732335028
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl El-Ing Bachhofner; Kiranendu Dr Chaudhuri
Original assignee: Alusuisse Holdings AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1972-07-18
Filing date: 1973-07-10
Publication date: 1974-01-31
Also published as: NL168014B; TR17479A; IT992635B; NO132158C; DE2335028B2; AU5796473A; EG11446A; AU476790B2; JPS5243448B2; IS1024B6; NO132158B; NL168014C; IE38061B1; GB1413726A; DE2335028C3; PH9716A; US3859184A; AT325315B; IS2162A7; JPS4944921A

Description

3000 München 22 Widenmayerstraß©

Patentanwalt Dr.-Ing. R. Liesegang

Telefon (0811) 225300 Telegramme patemua manchen

SCHWEIZERISCHE ALUMINIUM AG
P 009 53

Verfahren zur Kontrolle der Wärmeerzeugung in einer Zelle zur Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle der Wärmeerzeugung in einer Zelle zur Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid in einerFluoridsehmelze.

Pur die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid (AIpO,, Tonerde) wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst, die zum größten Teil aus Kryolith Ha-AlFg besteht, Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem Kohlenstoffboden der Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen Aluminiums die Kathode bildet. In die Schmefee tauchen von oben Anoden aus amorphem Kohlenstoff ein. An den Anoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu CO und CO₂ verbindet. Die Elektrolyse findet in einem Temperaturbereich von etwa 940 bis 975⁰C statt.

Das Prinzip einer Aluminium-Elektrolysezelle mit vorgebrannten Anoden geht aus der Figur hervor, die einen Vertikalschnitt in Längsrichtung durch einen Teil einer Elektrolysezelle zeigt. Die Stahlwanne 12 , die mit einer ther-

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mischen Isolation 13 aus hitzebeständigem, wärmedämmendem Material und mit Kohlenstoff 11 ausgekleidet ist, enthält die FluoridechmeIze 10 den Elektrolyten. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium lh liegt auf dem Kohleboden 15 der Zelle. Die Oberfläche 16 des flüssigen Aluminiums stellt die Kathode dar. In die Kohlenstoffauskleidung 11 sind q,uer zur Längsrichtung der Zelle eiserne Kathodenbarren 17 eingelassen, die den elektrischen Gleichstrom aus der Kohlenstoffauskleidung 11 der Zelle seitlich nach aussen führen. In die Pluoridschmelze 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 Strom flieset von den Kathodenbarren 17 der einen Zelle zum Anodenbalken der folgenden Zelle über konventionnelle, nicht gezeichnete Stromschienen. Vom Anodenbalken 21 fliesst er über die Stromleiterstangen 19, die Anoden 18, den Elektrolyten 10, das flüssige Aluminium lh und die Kohlenstoffauskleidung 11 zu den Kathodenbarren 17. Der Elektrolyt 10 ist mit einer Kruste 22 aus erstarrter Schmelze und einer darüber befindlichen Aluminiumoxidschicht 23 bedeckt. Zwischen dem- Elektrolyten 10 und der erstarrten Kruste 22 entstehen im Betrieb Hohlräume 25. An den Seitenwänden der Kohlenstoffauskleidung bildet sich ebenfalls eine Kruste aus erstarrtem Elektrolyt, nämlich das Bord 2h. Das Bord 24 ist mitbestimmend für die horizontale Ausdehnung des Bades aus dem flüssigen Aluminium 1Ί und dem Elektrolyten 10.

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Der Abstand d der Anodenunterseite 26 zur Aluminiumoberfläche 16, auch Interpolardistanz genannt, lässt sich durch Heben oder Senken des Anodenbalkens 21 mit Hilfe der Hubwerke 27 verändern, die auf Säulen 28 montiert sind. Bei der Betätigung des Hubwerkes 27 werden gleichzeitig sämtliche Anoden angehoben bzw. gesenkt. Die Anoden können ausserdem in bekannter Weise - jede für sich - in ihrer Höhenlage mit Hilfe der an dem Anodenbalken 21 angeordneten Schlösser 20 eingestellt werden.

Infolge des Angriffs durch den bei.der Elektrolyse in Freiheit gesetzten Sauerstoff verbrauchen sich die Anoden an ihrer Unterseite täglich um ca. 1,5 bis 2 cm je nach Zellentyp. Gleichzeitig steigt der Oberflächenspiegel des in der Zelle befindlichen flüssigen Aluminiums um 1,5 - 2 cm pro Tag.

Nach dem Verbrauch einer Anode wird diese gegen eine neue Anode ausgewechselt. In der Praxis wird eine Zelle derart betrieben, dass sich bei den Anoden bereits nach einigen Tagen unterschiedliche Verbrauchserscheinungen zeigen, so dass diese über einen Zeitraum von mehreren Wochen getrennt voneinander auszuwechseln sind. Hieraus ergibt sich, dass in ein- und derselben Zelle Anoden verschiedenen Einsatzalters betrieben werden, was auch aus der Figur hervorgeht.

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Die interpolaren Distanzen d der einzelnen Anoden sind aneinander nicht genau gleich, Gemäss der vorliegenden Erfindung wird zur Kontrolle der Wärmeerzeugung in einer Aluminiumelektrolysezelle der Durchschnitt der gesamten interpolaren Distanzen d in Betracht gezogen. Diese durchschnittliche, mit "D" bezeichnete interpolare Distanz ändert sich von Zeit zu Zeit.

Die Horizontalfläche, welche die Gesamtheit der Anodenunterseiten einnimmt, wird Anodentisch genannt.

Das Prinzip einer Aluminium-Elektrolysezelle mit selbstbrennender Anode (Soederberg-Anode) ist das Gleiche wie dasjenige einer Aluminium-Elektrolysezelle mit vorgebrannten Anoden, Anstelle von vorgebrannten Anoden werden Anoden verwendet, die aus grüner Elektrodenmasse in einem Stahlmantel während des Elektrolysebetriebes durch die Zellenwärme kontinuierlich gebrannt werden. Der Gleichstrom wird durch seitliche Stahlbolzen oder von oben durch vertikale Stahlspiesse zugeführt. Diese Anoden werden durch Einschütten von grüner Elektrodenmasse in den Stahlmantel nach Bedarf ergänzt.

Durch Einschlagen der oberen Elektrolytkruste 22, der verkrussteten Badoberfläche, wird das darüber befindliche; Aluminiumoxid 23 in den Elektrolyten 10 gebracht. Diese Operation stellt die sogenannte Zellenbedienung dar. Sie findet z.B. jede 2. bis 6. Stunde statt.

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Im Laufe der Elektrolyse verarmt der Elektrolyt .an. Aluminiumoxid. Bei einer unteren Konzentration von 1 bis !2 % 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 Al ο -Konzentration durch Zugabe von neuem Aluminiumoxid angehoben werden.

Das elektrolytisch erzeugte Aluminium 14, das sich auf dem Kohleboden 15 der Zelle sammelt, wird im allgemeinen einmal täglich durch konventionelle Saugvorrichtungen aus der Zelle herausgenommen.

Die elektrische Grundspannung wird für jede Zelle unter Berücksichtigung ihres Alters, des Zustandes der Kohlenstoffauskleidung 11, der Ausbildung des Bordes 24, der Zusammensetzung des Schmelzflusselektrolyten 10 sowie der Zellenstromstärke und- dichte festgelegt.

Aus der Grundspannung lässt sich der Grundwiderstand der Zelle nach folgender Gleichung errechnen:

U₀ - 1,65

^Ro

R ist der Ohm'sche Grundwiderstand inA , U die Grundspannung in V, 1,65 die EMK in V und I die Zellenstromstärke in A.

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Der richtige Wert der Grundspannung entspricht einer optimalen Interpolardistanz d. In der Praxis ist die tatsächliche Interpolardistanz zeitweise grosser oder kleiner als der optimale Wert derselben. Die Abweichungen werden im wesentlichen verursacht durch Anstieg der Höhe des flüssigen Aluminiums 14 auf dem Kohleboden 15, durch Abbrennen der Anoden 18 an ihrer Unterseite 26 und durch Aenderung der Dimensionen des Bades infolge Aenderung der Dicke der seitlichen Borde 24, Die so definierte Interpolardistanz ist der Mittelwert aller Interpolardistanzen der Anoden der Zelle.

Dieser Mittelwert ist für die erzeugte Wärme in der Zelle bestimmend. Einer optimalen, mittleren Interpolardistanz entspricht somit auch ein optimaler Wert der Wärmeerzeugung. Wird der Zelle zu wenig Energie zugeführt, beginnt die Temperatur des Elektrolyten zu sinken. Die Folgen sind dann zu dicke seitliche Borde mit Verkleinerung des Badquerschnittes, Bildung von störendem Bodenschlamm durch Ausscheidung von festen Komponenten des Elektrolyten. Wird der Zelle hingegen zu viel Wärme zugeführt, erhöht sich die Temperatur des Elektrolyten, die seitlichen Borde schmelzen unter Vergrösserung des Badquerschnittes auf, die Stromausbeute und der spezifische elektrische Energieverbrauch verschlechtern sich.

Ziel der Erfindung ist es, in einer Zelle zur Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid in einer Pluorid-

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schmelze die Wärmeerzeugung zu kontrollieren, das heisst auf einem optimalen Sollwert zu halten.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Wert der der Zelle zugeführten elektrischen Energie in aufeinanderfolgenden Zeitabständen ermittelt wird, und dass jeder so ermittelte Wert mit einem Sollwert der elektrischen Energiezufuhr verglichen und auftretende Differenzen zwischen SoIl- und Ist- Wert addiert werden, und dass, wenn von der Summe derselben ein vorbestimmter Wert überschritten wird, die mittlere Interpolardistanz derart vergrössert oder verkleinert wird, dass eine annähernd dem Sollwert entsprechende Energiezufuhr erfolgt. Der Sollwert ist für jeden Zellentyp und jede Zelle gesondert festzulegen. Er muss dem Zustand und dem Alter der Zelle angepasst werden. Für die Ausführung des Verfahrens lässt sich am besten ein Computer verwenden.

Bei einer 100 ΚΑ-Zelle beträgt die Grundspannung zum Beispiel 4,2 V, was einem Zellengrundwiderstand von 25,5 Microohm uJX entspricht. Mit einer Abtastfrequenz von 50s beträgt die Sollenergie demnach für diesen Zeitraum 5,85 KWh. Wenn die Summe der Differenzen den Wert von beispielsweise 100 KWh überschreitet , wird die Interpolardistanz um einen Wert verändert, der einer Widerstandsänderung um 1 u-Q(Mikroohm) bzw. einer Aenderung der Zellenspannung um 0,1 V entspricht.

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Dieses ist gleichbedeutend mit einer Aenderung der mittleren Interpolardistanz um 3 mm, wenn es sich um Zellen handelt,

die eine anodische Stromdichte von etv/a 0,8 A/cm besitzen.

Die normale Interpolardistanz einer 100 ΚΑ-Zelle liegt bei 5-5,5 cm.

Der Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens liegt in der Einhaltung enger Grenzen für den Widerstand der Zelle, wodurch Ueberhitzungen und Unterkühlungen des Elektrolyten verhindert werden. Die Polgen sind eine Verbesserung der Stromausbeute und eine Senkung des elektrischen Energieverbrauches .

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Claims

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Patentanwalt Dr.-lng. R. Liesegang b«*r._u.*.i &_Co _mna*_n^

SCHWEIZERISCHE ALUMINIUM AG
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Patentanspruch

Verfahren zur Kontrolle der Wärmeerzeugung in einer Zelle zur Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid in einer Fluoridsehmelze, dadurch gekennzeichnet, daß die Istwerte der der Zelle zugeführten elektrischen Energie in aufeinanderfolgenden Zeitabstähden ermittelt werden, daß Jeder Istwert mit einem Sollwert der elektrischen Energiezufuhr verglichen und Differenzen zwischen Soll- und Istwert auf summiert werden, uncidaß dann_/wenn die Supne der Differenzen einen vorbestirjinten Wert überschreitet, die mittlere Interpolardistanz derart vergrößert oder verklei-r nert wird, daß eine annähernd dem Sollwert entsprechende Energiezufuhr erfolgt.

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