DE2335028C3

DE2335028C3 - Verfahren zur Kontrolle der Wärmeerzeugung in einer Zelle zur Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse

Info

Publication number: DE2335028C3
Application number: DE2335028A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-El.-Ing. Peter Liebefeld Bachofner
Original assignee: Schweizerische Aluminium AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1972-07-18
Filing date: 1973-07-10
Publication date: 1981-06-04
Also published as: IS1024B6; AT325315B; IS2162A7; AU476790B2; NL168014C; JPS4944921A; DE2335028B2; AU5796473A; CH560765A5; NL168014B; TR17479A; NO132158C; JPS5243448B2; NL7309878A; IT992635B; ZA734764B; NO132158B; DE2335028A1; PH9716A; IE38061B1

Description

10 sowie der Zellenstromstärke und -dichte festgelegt.

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

- 1.65

Ra 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 IS, 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.

Dieser Mittelwert ist für die erzeugte Wärme in der Zelle bestimmend. Einer optimalen, mittleren Interpolardistanz entspricht somit auch ein optimaler Wen 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 und der spezifische elektrische Energieverbrauch verschlechtern sich.

Es ist ein Verfahren zur Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid in einer Fluoridschmelze bekannt, bei dem die Klemmenspannung durch Verändern der Interpolardistanz auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt wird (DE-PS 11 93 683). Die Regelung der Klemmenspannung ist hinsichtlich Stromausbeute und Energieverbrauch nicht optimal.

Es ist auch ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseofens zur Gewinnung von Aluminium bekannt, bei dem zur Erzielung einer maximalen Stromausbeute u. a. die Elektrolysetemperatur in engen Grenzen gehalten werden soll (DE-PS 1181431).

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.

Dieses Ziel wird durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs erreicht. Der Sollwert ist für jeden Zellentyp und jede Zelle gesondert festzulegen. Er muH dem Zustand und dem Alter der Zelle angepußi werden. Für die Ausführung des Verfahrens lallt sich am besten ein Computer verwenden.

Bei einer 100-kA-Zelle beträgt die Grundspannuug 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 eine; Änderung der mittleren Interpolardistanz um 3 mm, wenr 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 Vo'*eil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Einhaltung enger Grenzen für den Widerstand der Zelle, wodurch Oberhitzungen und Unterkühlungen des Elektrolyten verhindert werden. Die Folgen sind eine Verbesserung der Stromausbeute und eine Senkung des elektrischen Energieverbrauches.

Ferner werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren noch die folgenden Vorteile erzielt:

Die Regelung ist wesentlich feinfühliger als bisher, weil sie unabhängig von Ansprechgrenzen einsetzt. Kurzzeitige Zufallsschwankungen lösen keine Regelung aus, was zu einem ruhigeren Ofengang führt. Bei kleinen Abweichungen der zugeführten Energie von der Sollenergie dauert es vergleichst eise lange, bis eine Regelung erfolgt. Dies ist vernünftig, weil eine Regelung bei solchen kleinen Schwankungen überflüssig ist; bei größeren Abweichungen der Energiezufuhr von der Sollenergie wird der Zeitabstand zwischen den einzelnen Regelungen geringer, weil sich die aufaddierten Differenzen vergrößern. Bei plötzlich sich verändernder Stromstärke / (z. B. infolge Ausfalls eines Gleichrichters) erfolgt nicht sofort eine Regelung, was ebenfalls wünschenswert ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Kontrolle der Wärmeerzeugung in einer Zelle zur Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid in einer Fluoridschmelze, bei dem Istwerte einer Betriebsgröße in aufeinanderfolgenden Zeitabständen ermittelt werden und bei Abweichung der Betriebsgröße von einem Sollwert die Interpolardistanz mit Hilfe einer to Regelung im Sinne eines Aufhebens der Abweichung verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsgröße die der Zelle zugeführte elektrische Energie ist, 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 erfoigt.

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Die Erfindung betrifft ein Verfah-en zur Kontrolle der Wärmeerzeugung in einer Zelle zur Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid in einer Fl'ioriJschmelze gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Das Prinzip eirir AIuminium-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 Kohlenr.toffauskleidung 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 Il zu den Kathodenbarren 17 Der Elektrolyt 10 ist mit einet 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 11 bildet sich ebenfalls eine Kruste aus irstarrtem Elektrolyt, nämlich das Bord 24. Das Bord 24 ist mitbestimmend für die horizontale Ausdehnung des Bades aus dem flüssigen Aluminium 14 und dem Elektrolyten 10.

Der Abstand d der Anodenunterseite 26 zur Aluminiiimoberfläche 16, auch Interpolardistanü 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 dsm Anodenbalken 21 angeordneten Schlösser 20 eingestellt werden.

Infolge des Angriffs durch den bei der Elektrolyse in Freiheit gesetzten Sauerstoff verbraucher, 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 13 — 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 Zeile 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 Aluminiumelektrciysezelle der Durchschnitt der gesamten interpolaren Distanzen d in Betracht gezogen. Diese durchschnittliche, mit »Da bezeichnete interpolare Distanz ändert sich von Zeit zu Zeit

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

Das Prinzip einer AIuminium-Elektrolysezelle mit selbstbrennender Anode (Soederberg-Anode) ist das gleiche wie dasjenige einer AIuminium-Elektrolysezelle mit vorgebrannten Anoden. Anstelle von vorgebrannten Anoden werden Anoden verwendet, die aus grüner Elektrodenmasse in einem Stchlmarwef 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 Beuarf 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 AlaOi-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