DE2335028B2 - Verfahren zur kontrolle der waermeerzeugung in einer zelle zur gewinnung von aluminium durch elektrolyse - Google Patents

Description

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

Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid (AI2O3, Tonerde) wird dieser in einer Fluoridschmelze gelöst, die zum größten Teil aus Kryolith NaiAIFe 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 Schmelze 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 975°C 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 thermischen Isolation 13 aus hitzebeständigem, wärmedämmendem Material und mit Kohlenstoff 11 ausgekleidet ist, enthält die Fluoridschmelze 10 den Elektrolyten. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium 14 liegt auf dem Kohleboden 15 der Zelle. Die Oberfläche 16 des flüssigen Aluminiums stellt die Kathode dar. In die Kohlenstoffauskleidung 11 sind quer zur Längsrichtung der Zelle eiserne Kathodenbarren 17 eingelassen, die den elektrischen Gleichstrom aus der Kohlenstoffauskleidung 11 der Zelle seitlich 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 Strom fließt von den Kathodenbarren 17 der einen Zelle zum Anodenbalken 21 der folgenden Zelle über konventionelle, nicht gezeichnete Stromschienen. Vom Anodenbalken 21 fließt er über die Stromleiterstangen 19, die Anoden 18, den Elektrolyten 10, das flüssige Aluminium 14 und die Kohlenstoffauskleidung 11 zu den Kathodenbarren 17. Der Elektrolyt 10 ist mit einer Kruste 22 aus erstarrter Schmelze und einer darüber befindlichen Aluminiumoxid^'hicht 23 bedeckt. Zwischen dem Elektrolyten 10 und aci erstarrten Kruste 22 entstehen im Betrieb Hohlräume 25. An den Seitenwänden der Kohlenstoffauskleidung 11 bildet sich ebenfalls eine Kruste aus erstarrtem Elektrolyt, nämlich das Bord 24. Das Bord 24 ist mitbestimmend für die horizontale Ausdehnung des Bade«: aus dem flüssigen Aluminium 14 und dem Elektrolyten 10.

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 Verbrauchserscheinu.igen 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.

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 verkrusteten 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.

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 Al2O3-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 Zeilenstromstärke und -dichte festgelegt

Aus der Grundspannung läßt sich der Grundwiderstand de/ Zelle nach folgender Gleichung errechnen:

_ U_n ■- 1.65

15

Ro ist der Ohmsche Grundwiderstand in Ω, Lh die Grundspannung in V, 1,65 die EMK in V und / die Zellenstromstärke in A.

Der richtige Wert der Grundspannung entspricht einer optimalen Interpolardistanz d In der Praxis ist die tatsächliche Interpolardistanz zeitweise größer 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 Änderung der Dimensionen des Bades infolge Änderung der Dicke der seitlichen Borde 24. Die so definierte Interpolardistanz ist der Mittelwert aller Interpolardistanzen der Anoden der Zelle. " _J0

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 Badquerschnitts auf, die Stromausbeute and der spezifische elektrische Energieverbrauch verschlechtern sich.

Ziel der Erfindung ist es, in einer Zelle zur Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid in einer Fluoridschmelze die Wärmeerzeugung zu kontrollieren, daß 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 Soll- 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-kA-Zelle beträgt die Grundspannung zum Beispiel 4,2 V, was einem Zellengrundwiderstand von 25,5 μβ (Mikroohm) entspricht Mit einer Abtastfrequenz von 50 s 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 μΩ (Mikroohm) bzw. einer Änderung der Zellenspannung um 0,1 V entspricht.

Dies ist gleichbedeutend mit einer Änderung der mittleren Interpolardistanz um 3 mm, wenn es sich um Zellen handelt, die eine anodische Stromdichte von etwa 0,8 A/cm² besitzen. Die normale Interpolardistanz einer 100-kA-Zelle liegt bei 5 - 5,5 cm.

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Kontrolle der Wärmeerzeugung in einer Zelle zur Gewinnung von Aluminium durch S Elektrolyse von Aluminiumoxid in einer Fluoridschmelze, dadurch gekennzeichnet, daß die Istwerte der der Zelle zugeführten elektrischen Energie in aufeinanderfolgenden Zeitabständen ermittelt werden, daß jeder Istwert mit einem Sollwert der elektrischen Energiezufuhr verglichen und Differenzen zwischen Soll- und Istwert aufsummiert werden, und daß dann, wenn die Summe der Differenzen einen vorbestimmten Wert überschreitet, die mittlere Interpolardistanz derart vergrößert oder verkleinert wird, daß eine annähernd dem Sollwert entsprechende Energiezufuhr erfolgt