DE2335029A1 - Verfahren zum fuehren einer zelle fuer die gewinnung von aluminium - Google Patents

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Patentanwalt Dr.- Ing. R. Liesegang ** im * co Μα«*.» β»«»

SCHWEIZERISCHE ALUMINIUM AG
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Verfahren zum !führen einer Zelle für die Gewinnung von Aluminium

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Führen einer Zelle für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid in einer Fluoridechmelze.

Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid (AIgO,, Tonerde) wird dieses in einer Fluoridechmelze gelöst, die zum größten Teil aus Kryolith Na,AlFg besteht. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der FIuoridschmelze 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 COpVerbindet. Die Elektrolyse findet in einem Temperaturbereich von etwa 940 bis 975⁰C statt.

Das Prinzip einer Aluminium-ElektrolysezeHe mit vorgebrannten Anoden geht aus der Figur hervor, die einen Vertikalschnitt in Längsrichtung durch einöiTeil 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 Fluoridschmelze 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 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 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 1*1 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 2k. Das Bord 24 ist mitbestimmend für die horizontale Ausdehnung des Bades aus dem flüssigen Aluminium lU und dem Elektrolyten 10.

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Der Abstand d_ der Anodenunterseite 26 zur Aluminiumoberfläche l6, 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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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_?0 -Konzentration durch Zugabe von neuen Aluminiumoxid angehoben werden.

Die Zelle wird im normalen Betrieb üblicherweise periodisch bedient, auch wenn kein Anodeneffekt auftritt. Ausserdem muss bei jedem Anodeneffekt, wie oben ausgeführt, die Badkruste eingeschlagen und die Al 0 -Konzentration durch Zugabe von neuem Al O₇. angehoben werden, was einer Zellenbedienung entspricht. Der Anodeneffekt ist daher im Betrieb stets mit einer Zellenbedienung verbunden, die man im Gegensatz zur normalen Zellenbedienung als "Anodeneffektbedienung" bezeichnen kann.

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

Die elektrische Grundspannung wird für jede Zelle unter Berücksichtigung ihres Alters, des Zustandes der Kohlenstoff-

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auskleidung 11, der Ausbildung des Bordes 2H, der Zusammensetzung des Schmelzflusselektrolyten 10 sowie der Zellenstromstärke und -dichte festgelegt.

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

«₀ -1,65
H₀= __ S,

R ist der Ohm'sche Grundwiderstand ίηΛ U die Grundo ο

spannung in V, 1,65 die EMK in V und I die Zellenstromstärke in A.

Der richtige Wert der Grundspannung entspricht einer pptimalen Interpolardistanz d. In der Praxis ist die tatsächliche Interpolardist anz zeitweise grosser oder kleiner, als es der optimalen Interpolardistanz entspricht. Die Abweichungen werden im wesentlichen verursacht durch Anstieg der Höhe des flüssigen Aluminiums Ik 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 Hittelwert aller Interpolardistanzen der Anoden der Zelle.

Im Idealfall hat jede Anodenunterseite 26 denselben Abstand d zur Oberfläche 16 das flüssigen Aluminiums' I²I. In der

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Praxis können sich jedoch von Anode zu Anode beträchtliche Unterschiede der Interpolardistanzen ergeben, die dazu führen können, dass einzelne Anoden sogar das flüssige Metall lh berühren (lokaler Kurzschluss der Zelle). Diese Unterschiede der Interpolardistanz einzelner Anoden der gleichen Zelle werden verursacht durch falsches Einsetzen der neuen Anode beim Anodenwechsel, Abrutschen der Stromleiterstangen 19 infolge ungenügenden Anziehens der Schlösser 20, ungleiche Anodenqualität, Aufwölbungen der Oberfläche 16 des flüssigen Aluminium 14 infolge magnetischer Effekte usw. Grosse Unterschiede der Interpolardistanz von Anode zu Anode, insbesondere wenn es zu lokalen Kurzschlüssen kommt, führen zu schweren Störungen der Zelle. Es entstehen lokale Ueberhitzungen des Elektrolyten, die ein Absinken der Stromausbeute und einen Anstieg des spezifischen elektrischen Energieverbrauches (kW/kgAl) zur Folge haben. Die Anoden brennen an ihrer Unterseite ungleich ab und sanden an ihrem Oberteil infolge Luftabbrandes unter Bildung von Kohleschaum ab. Das Absanden der Anoden führt zu weiterer Erhöhung der Elektrolyttemperatur und kann ein Loslösen von Anoden von Ihrer Halterung an den Stromleiterstangen 19 verursachen.

Die Aufgabe, die zu vorliegender Erfindung geführt hat, war das rechtzeitige Erkennen einer Störung der Zelle durch Analyse des zeitlichen Verhaltens ihres Grundwiderstandes.

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Das erfindungsgemässe Verfahren zum Führen einer Zelle für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid in einer Fluoridschmelze zeichnet sich dadurch aus, dass von in einem vorbestimmten Zeitraum in periodischen Zeitabständen während der Elektrolyse in einer Zelle, abgetasteten und von einem Computer gespeicherten, durch Anodeneffekte oder Manipulationen an der Zelle nicht beeinflussten Momentanwerten von Zellenstromstärken I in A und Zellenspannung U in V der jeweilige Widerstand R berechnet wird, und dass die absoluten Differenzen zwischen jedem der jeweilig ermittelten Widerstände und dem Grundwiderstand addiert werden, wobei der Computer ein Störsignal abgibt, wenn die Gesamtsumme der absoluten Differenen I R-Ro einen für jeden Zellentyp festgelegten Grenzwert überschreitet, der auf Grund einer vorbestimmten Anzahl von in einem Zeitraum in periodischen Abständen erfolgenden Messungen gewählt wird, und wobei der Zellenwiderstand durch Vergrösserung der interpolaren Distanzen der Anoden der Zelle um einen bestimmten Betrag bis zur Behebung der Ursache der Störung .erhöht wird und hiernach die für den Betrieb der Elektrolysezelle ursprüngliche interpolare Distanz hergestellt wird, oder dass, wenn der Computer kein Störsignal abgibt, die Gesamtsumme der absoluten Differenzen Ir-RoJ nach Ablauf des für Widerstandsmessungen vorbestimmten Zeitraumes annulliert wird, worauf ein weiteres Verfahren - wie vorbeschrieben - in einem nächst folgenden Zeitraum eingeleitet wird.

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Wenn kein Störsignal erfolgt, wird nach Ablauf des für die Widerstandsinessungen vorbestimmten Zeitraumes die Gesamtsumme der absoluten Differenzen j R-Ro | annulliert. Hiernach beginnt das summieren erneut bei Null in der darauffolgenden Zeitperiode.

Zweckmässigerweise wird der Grenzwert in Ohm ausgedrückt. Dieser stellt in Wirklichkeit die Grenze der erlaubten Abweichung der Summe von Widerständen vom Grundwiderstand dar.

Die blosse Erhöhung der Interpolordistanz wird nicht von sich aus allein die Ursache der Zellenstörung beseitigen. Wenn eine Zellenstörung signalisiert ist und deshalb die Interpolardistanz erhöht worden ist, muss die Zelle auf die Ursache der Störung kontrolliert (zum Beispiel Abrutschen einer Anodenstange, Ablösen einer Anoden von der Anodenstange, Pesthaften von Anodenbruchstücken an der unteren Fläche der Anode, usw.) und dann die Ursache beseitigt werden.

Die Zeitabstände für das Abtasten der Momentanwerte durch den Computer sind beliebig wählbar. Kleine Zeitabstände von beispielsweise 15 bis 60 Sekunden geben statistisch sicherere Daten als grosse Zeitabstände von beispielsweise 30 Minuten und darüber, denn innerhalb von grossen Zeitabständen können erfahrungsgemäss signifikante Aenderungen im Elektrolyseverlauf stattfinden.

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Die vorzunehmende Veränderung der Interpolardistanz erfolgt entweder automatisch auf Befehl des Computers oder von Hand,

Der Grenzwert der absoluten Differenzen IR-Ro ist ein Erfahrungswert. Er liegt bei einer 100 kA-Zelle etwa zwischen 1,5 und 3/i-fl-für Messwerte, die in einem Zeiträum von etwa U h gewonnen werden. Er ist proportional dem Zeitraum. Vorteilhafterweise sollte der Zeitraum für die Summierung der Momentanwerte mindestens 1 h betragen und 8 h nicht übersteigen.

Es wurde beispielsweise gefunden, dass der Grundwiderstand einer 100 kA-Zelle in störungsfreiem Zustand 20 bis 30 juJI beträgt. Ueberschreitet die Summe der absoluten Differenzen von zeitlich aufeinanderfolgenden Widerständen einen Grenzwert von 2 jaSlIn einem Zeitraum von ¹Ih, wird die Zelle vom Computer als gestört signalisiert.

Bei der Störungssignalisation wird die Interpolardistanz um einen Betrag vergrössert, der in diesem Fall eine Erhöhung der Zellenspannung um 0,2 V ergibt. Die Zellenspannung bezw. die Interpolardistanz wird auf den ursprünglichen Wert (vor Vergrösserung der Interpolardistanz) verringert, wenn die Ursache der Störung beseitigt ist.

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Für die Bildung der absoluten Differenzen der Widerstände dürfen nur solche Messwerte herangezogen werden, die nicht durch Anodeneffekte oder Manipulationen an der Zelle beeinflusst werden. Unter Manipulationen sind hier solche Massnahmen zu verstehen, die von Zeit zu Zeit für den richtigen Betrieb der Zelle erforderlich sind, vor allem der Anodenwechsel, das Aluminiumabsaugen und die normale Zellenbedienung.

Die Untersuchungen der Erfinder haben ergeben, dass für die Bildung der absoluten Differenzen der Widerstände vorzugsweise diejenigen Messwerte auszuscheiden sind, die bis 15 min vor und bis 15 min nach' einem Anodeneffekt, während eines Anodenwechsels und bis zu 5 min nach dem Anodenwechsel, während des Aluminiumabsaugens und bis 5 min nach dem Aluminiumabsaugen, sowie während einer normalen Zellenbedienung vom Computer abgetastet werden.

Die kontinuierliche Ueberwachung der Zelle führt zu einem ruigeren Betrieb, woraus sich eine Erhöhung der Stromausbeute und eine Verringerung des spezifischen Energieverbrauches und des Anodenverbrauches ergibt.

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Claims (3)

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   SCHWEIZERIS'CHE ALUMINIUM AG
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   Patentansprüche

   1« Verfahren zum Führen einer Zelle für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid in einer Fluoridschmelze, dadurch gekennzeichnet, daß aus in einem vorgegebenen Zeitraum in periodischen Zeitabständen während der Elektrolyse in der Zelle abgetasteten und von einem Computer gespeicherten, durch. Anodeneffekte oder Manipulationen an der Zelle nicht beeinflußten Momentanwerten von Zellenstromstärke I und Zellenspannung U der jeweilige Widerstand R berechnet wird,, daß die absoluten Differenzen zwischen jedem der jeweilig ermittelten Widerstände und dem Grundwiderstand aufsumjniert werden, daß der Computer ein Störsignal abgibt, wenn die Gesamtsumme der absoluten Differenzen |R-Ro[ einen für jeden Zellentyp festgelegten Grenzwert überschreitet, der aufgrund einer vorbestimmten Anzahl von in einem Zeitraum in periodischen Abständen erfolgenden Messungen gewählt wird, und daß der Zellenwiderstand durch Vergrößern der interpolaren Distanzen der Anoden der Zelle bis zur Behebung der Ursache der Störung erhöht wird und danach wieder die für den Betrieb

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   der Elektrolysezelle ursprüngliche interpolare Distanz hergestellt wird, oder daß, wenn der Computer kein Störsignal abgibt, die Gesamtsumme der absoluten Differenzen/R-RoI nach Ablauf des für die Widerstandsmessungen vorbestimmten Zeitraumes annulliert wird, worauf die beschriebenen Verfahrensschritte wiederholt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1 da du rc h gekennzeichnet, daß Momentanwerte ausgeschieden werden, die durch Anodeneffekte, Anodenwechsel, Aluminiumabsaugen oder normale Zellenbedienung beeinflußt sind.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Momentanwerte ausgeschieden werden, die bis zu 15 min vor und bis 15 min nach einem Anodeneffekt, während eines Anodenwechsels und 5 min nach dem Anodenwechsel, während des Aluminiumabsaugens und bis 5 min nach dem Aluminiumabsaugen, sowie während einer normalen Zellenbedienung abgetastet werden.

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