DE2335029C3 - Verfahren zum Führen einer Zelle für die Gewinnung von Aluminium durch die Elektrolyse von Aluminiumoxid in einer Fluoridschmelze - Google Patents

Description

rens des Zellenwiderstandes auf einen Sollwert ver- Im Laufe der Elektrolyse verarmt der Elektrolyt

ändert Nach Beseitigen der Störung wird die inter- an Aluminiumoxid. Bei einer unteren Konzentration

polare Distanz wieder auf den ursprünglichen Nenn- von 1 bis 2 % Aluminiumoxid im Elektrolyten

wert eingestellt kommt es zum Anodeneffekt, der sich in einer plötz-

Das Prinzip einer Aluminium-Elektrolysezelle mit 5 liehen Spannungserhöhung von normal 4 bis 4,5 V vorgebrannten Anoden geht aus der Figur hervor, auf 30 V und darüber auswirkt Spätestens dann muß die einen Vertikalschnitt in Längsrichtung durch die Kruste eingeschlagen werden und die ALO₃-einen Teil einer Elektrolysezelle zeigt. Die Stahl- Konzentration durch Zugabe von ueuem Aluminiumwanne Ii, die mit einer thermischen Isolation 13 oxid angehoben werden.

aus hitzebeständigem, wärmedämmendem Material io Die Zelle wird im normalen Betrieb üblicherweise und mit Kohlenstoff 11 ausgekleidet ist, enthält die periodisch bedient, auch wenn kein Anodeneffekt Fluoridschmelze 16 den Elektrolyten. Das kathodisch auftritt. Außerdem muß bei jedem Anodeneffekt, abgeschiedene Aluminium 14 liegt auf dem Kohle- wie oben ausgeführt, die Badkruste eingeschlagen boden 15 der Zelle. Die Oberfläche 16 des flüssigen und die Al.,O_s-Konzentration durch Zugabe von Aluminiums stellt die Kathode dar. In die Kohlen- i₅ neuem Al₀Oj angehoben werden, was einer Zellenstoffauskleidung 11 sind quer zur Längsrichtung der bedienung" entspricht. Der Anodeneffekt ist daher Zelle eiserne Kathodenbarren 17 eingelassen, die im Betrieb stets mit einer Zellenbedienung verbunden elektrischen Gleichstrom aus der Kohlenstoff- den, die man im Gegensatz zur normalen ZelJenbeauskleidung 11 der Zelle seitlich nach außen führen. dienung als »Anodeneffektbedienung« bezeichnen In die Fluoridschmelze 10 tauchen von oben Anoden ao kann.

18 aus amorphem Kohlenstoff ein, die den Gleich- Das elektrolytisch erzeugte Aluminium 14, das

strom dem Elektrolyten zuführen. Sie sind über sich auf dem Kohleboden 15 der Zelle sammelt, wird

Stromleiterstangen 19 und durch Schlösser 20 mit im allgemeinen einmal täglich durch konventionelle

dem Anodenbalken 21 fest verbunden. Der Strom Entnahmevorrichtungen, z. B. Saugvorrichtungen,

fließt von den Kathodenbarren 17 der einen Zelle 25 aus der Zelle herausgenommen,

zum Anodenbalken 21 der folgenden Zelle über Die elektrische Grundspannung wird für jede Zelle

konventionelle, nicht gezeichnete Stromschienen. unter Berücksichtigung ihres Alters, des Zustandes

Vom Anodenbalken 21 fließt er über die Stiomlei- der Kohlen stoff auskleidung 11, der Ausbildung des

terstangen 19, die Anoden 18, den Elektrolyten 10, Bordes 24, der Zusammensetzung des Schmelzfluß-

das flüssige Aluminium 14 und die Kohlenstoffaus- 30 elektroden 10 sowie der Zellenstromstärke und

kleidung 11 zu den Kathodenbarren 17. Der Elek- -dichte festgelegt.

trolyt 10 ist mit einer Kruste 22 aus erstarrter Aus der Grundspannung läßt sich der Grundwider-Schmelze und einer darüber befindlichen Aluminium- stand der Zelle nach folgender Gleichung errechnen: oxidschicht 23 bedeckt. Zwischen dem Elektrolyten

10 und der erstarrten Kruste 22 entstehen im Betrieb 35 R = ^o ~ 1»65 „

Hohlräume 25. An den Seitenwänden der Kohlen- ° ~~ [
Stoffauskleidung 11 bildet sich ebenfalls eine Kruste

aus erstarrtem Elektrolyt, nämlich das Bord 24. Das R₀ ist der ohmsche Grundwiderstand in Ω, U_n die

Bord 24 ist mitbestimmend für die horizontale Aus- Grundspannung in V, 1,65 im EMK in V und / die

dehnung des Bades aus dem flüssigen Aluminium 40 Zellenstromstärke in A.

14 und dem Elektrolyten 10. Der richtige Wert der Grundspannung entspricht

Der Abstand d der Anodenunterseite 26 zur Alu- einer optimalen Interpolardistanz d. In der Praxis ist

miniumoberfläche 16, auch Interpolardistanz ge- die tatsächliche Interpolardistanz zeitweise größer

nannt, läßt sich durch Heben oder Senken des An- oder kleiner, als es der optimalen Interpolardistanz

odenbalkens 21 mit Hilfe der Hubwerke 27 verän- 45 entspricht. Die Abweichungen werden im wesent-

dern, die auf Säulen 28 montiert sind. Bei der Be- liehen verursacht durch Anstieg der Höhe des flüssi-

tätigung des Hubwerkes 27 werden gleichzeitig samt- gen Aluminiums 14 auf dem Kohleboden 15, durch

liehe Anoden angehoben bzw. gesenkt. Die Anoden Abbrennen der Anoden 18 an ihrer Unterseite 26

können außerdem in bekannter Weise — jede für und durch Änderung der Dimensionen des Bades in-

sich — in ihrer Höhenlage mit Hilfe der an dem 50 folge Änderung der Dicke der seitlichen Borde 24.

Anodenbalken 21 angeordneten Schlösser 20 einge- Die so definierte Interpolardistanz ist der Mittelwert

stellt werden. aller Interpolardistanzen der Anoden der Zelle.

Infolge des Angriffs durch den bei der Elektro- Im Idealfall hat jede Anodenunterseite 26 densellyse in Freiheit gesetzten Sauerstoff verbrauchen ben Abstand d zur Oberfläche 16 des flüssigen Alusich die Anoden an ihrer Unterseite täglich um ca. 55 miniums 14. In der Praxis können sich jedoch von 1,5 bis 2 cm je nach Zellentyp. Gleichzeitig steigt Anode zu Anode beträchtliche Unterschiede der der Oberflächenspiegel des in der Zelle befindlichen Interpolardistanzen ergeben, die dazu führen kön-Aluminiums um 1,5 — 2 cm pro Tag. ncn, daß einzelne Anoden sogar das flüssige Metall

Nach dem Verbrauch einer Anode wird diese 14 berühren (lokaler Kurzschluß der Zelle). Diese

gegen eine neue Anode ausgewechselt. In der Praxis 60 Unterschiede der Interpolardistanz einzelner Anoden

wird eine Zelle derart betrieben, daß sich bei den der gleichen Zelle werden verursacht durch falsches

Anoden bereits nach einigen Tagen unterschiedliche Einsetzen der neuen Anode beim Anodenwechsel,

Verbrauchserscheinungen zeigen, so daß diese über Abrutschen der Stromleiterstangen 19 infolge unge-

einen Zeitraum von mehreren Wochen getrennt von- nügenden Anziehens der Schlösser 20, ungleiche

einander auszuwechseln sind. Hieraus ergibt sich, 65 Anodenqualität, Aufwölbungen der Oberfläche 16

daß in ein- und derselben Zelle Anoden verschiede- des flüssigen Aluminiums 14 infolge magnetischer

nen Einsatzalters betrieben werden, was auch aus der Effekte usw. Große Unterschiede der Interpolar-

Fieur hervorgeht. distanz von Anode zu Anode, insbesondere, wenn

es zu lokalen Kurzschlüssen kommt, führen zu schweren Störungen der Zelle. Es entstehen lokale Überhitzungen 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 G rund Widerstandes.

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 / 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 Differenzen | Ä - A₀1 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 hiemach die für den Betrieb der Elektrolysezelle ursprüngliche interpolare Distanz hergestellt wird, oder daß, wenn der Computer kein Störsignal abgibt, die Gesamtsumme der absoluten Differenzen | R - R₀ | nach Ablauf des für Widerstandsmessungen vorbestimmten Zeitraumes annulliert wird, worauf ein weiteres Verfahren — wie vorbeschrieben — in einem nächstfolgenden Zeitraum eingeleitet wird.

Wenn kein Störsignal erfolgt, wird nach Ablauf des für die Widerstandsmessungen vorbestimmten Zeitraumes die Gesamtsumme der absoluten Differenzen IR — R₀ 1 annulliert. Hiernach beginnt das Svmmieren 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 Interpolardistanz 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 (z. B. Abrutschen einer Anodenstange, Ablösen einer Anode von der Anodenstange, Festhaften 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

ίο Zeitabstände von beispielsweise 30 Minuten und darüber, denn innerhalb von großen Zeitabständen können erfahrungsgemäß signifikante Änderungen im Elektrolyseverlauf stattfinden.

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

Der Grenzwert der absoluten Differenzen !/? — /?„! ist ein Erfahrungswert. Er liegt bei einer 100-kA-Zelle etwa zwischen 1,5 und 3 μΩ für Meßwerte, die

so in einem Zeitraum von etwa 4 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 μΩ beträgt. Überschreitet die Summe der absoluten Differenzen von zeitlich aufeinanderfolgenden Widerständen einen Grenzwert von 2 μΩ in einem Zeitraum von 4 h, 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 bzw. die Interpolardistanz wird auf den ursprünglichen Wert (vor Vergrößerung der Interpolardistanz) verringert, wenn die Ursache der Störung beseitigt ist.

Für die Bildung der absoluten Differenzen dei Widerstände dürfen nur solche Meßwerte herangezogen werden, die nicht durch Anodeneffekte odei Manipulationen an der Zelle beeinflußt werden. Unter Manipulationen sind hier solche Maßnahmen zv verstehen, die von Zeit zu Zeit für den richtiger Betrieb der Zelle erforderlich sind, vor allem dei Anodenwechsel, das Aluminiumabsaugen und die normale Zellenbedienung.

Die Untersuchungen der Erfinder haben ergeben daß für die Bildung der absoluten Differenzen dei Widerstände vorzugsweise diejenigen Meßwerte auszuscheiden sind, die bis 15 min vor und bis 15 mir nach einem Anodeneffekt, während eines Anoden wechseis und bis zu 5 min nach dem Anodenwech sei, während des Aluminiumabsaugens und bis 5 mir nach dem Aluminiumabsaugen sowie während eine: normalen Zellenbedienung vom Computer abgetaste werden.

Die kontinuierliche Überwachung der Zelle führ zu einem ruhigeren Betrieb, woraus sich eine Er höhung der Stromausbeute und eine Verringerunj des spezifischen Energieverbrauches und des An odenverbrauches ergibt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche: 1. Verfahren zum Führen einer Zelle für die einer Änderung des Zellenwiderstandes über eine vorgegebene Grenze hinaus die interpolare Distanz verändert wird.

1. Verfahren zum Führen einer Zelle für die Für die Gewinnung von^Aluminium durch Elektro-

Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse 5 lyse von Aluminiumoxid (Al₂O₃, Tonerde) wird dievon Aluminiumoxid in einer Fluoridschmelze, ses in einer Fluoridschmelze gelöst, die zum größten wobei der Zellenwiderstand durch periodische Teil aus Kryolith Na₃AlF₆ besteht Das kathodisch Messung der Momentanwerte von Zellenstrom- abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der stärke und Zellenspannung ermittelt wird und bei Fluoridschmelze auf dem Kohlenstoffboden der einer Änderung des Zellenwiderstandes über eine io Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen Alumivorgegebene Grenze hinaus die interpolare Di- niums die Kathode bildet. In die Schmelze tauchen stanz verändert wird, dadurch gekenn- von oben Anoden aus amorphem Kohlenstoff ein. zeichnet, daß das Abtasten der Momentan- An den Anoden entsteht durch die elektrolytische werte von Zellenstromstärke J in Ampere und Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich Zellenspannung U in Volt und deren Speichern 15 mit dem Kohlenstoff der Anoden zu CO und CO₂ durch einen Computer in einem vorbestimmten verbindet. Die Elektrolyse findet in einem Tempe-Zeitraum in periodischen Zeitabständen wäh- raturbereich von etwa 940 bis 975° C statt,
rend der Elektrolyse in der Zelle so vorgenom- Bei einem bekannten Verfahren dieser Art wird

men wird, daß diese Momentanwerte durch die interpolare Distanz, d. h. der Abstand zwischen Anodeneffekte oder Manipulationen an der Zelle 30 Kathode und Anode, bei Abweichung des Zellennicht beeinflußt werden, daß aus diesen Momen- Widerstandes von einem vorgegebenen Widerstandstanwerten von Zellenstromstärke / und Zellen- bereich so lange in Richtung auf diesen Zellenwider-Spannung V der jeweilige Widerstand R berech- Standsbereich verstellt, bis dieser wieder erreicht ist. net wird, daß die absoluten Differenzen zwischen Es handelt sich hierbei also um ehe echte Regelung jedem der jeweilig ermittelten Widerstände und 15 mit der interpolaren Distanz als Stellgröße, welche - - - - - - - · · den Zellenwiderstand als Regelgröße in Richtung auf

einen vorgegebenen Sollwert hin verändert (DT-OS 18 12 138).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

Grenzwert überschreitet, der aufgrund einer vor- 30 Verfahren der eingangs beschriebenen Art so ausbestimmten Anzahl von in einem Zeitraum in zugestalten, daß das Beheben einer Störung bei der

Elektrolyse erleichtert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß das Abtasten der Momentander Anoden der Zelle bis zur'Behebung der Ur- 35 werte von Zellenstromstärke 1 in Ampere und ZeI-sache der Störung erhöht wird und danach wie- lenrpannung U in Volt und deren Speichern durch der für den Betrieb der Elektrolysezelle die ur- einen Computer in einem vorbestimmten Zeitraum sprüngliche interpolare Distanz hergestellt wird in periodischen Zeitabständsn während der Elektro- oder daß, wenn der Computer kein Störsignal lyse in der Zelle so vorgenommen wird, daß diese abgibt, die Gesamtsumme der absoluten Diffe- 40 Momentanwerte durch Anodeneffekte oder Manipurenzen R-R₀ nach Ablauf des für die Wider- iationen an der Zelle nicht beeinflußt werden, daß Standsmessungen vorbestimmten Zeitraumes an- aus diesen Momentanwerten von Zellenstromstärke / nulliert wird, worauf die beschriebenen Verfah- und Zellenspannung U der jeweilige Widerstand R rensschritte wiederholt werden. berechnet wird, daß die absoluten Differenzen zwi-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- 45 sehen jedem der jeweilig ermittelten Widerstände und kennzeichnet, daß Momentanwerte ausgeschieden dem Grundwiderstand R₀ aufsummiert werden, daß werden, die durch Anodeneffekte, Anodenwech- der Computer ein Störsignal abgibt, wenn die Gesel, Aluminiumabsaugen oder normale Zellen- samtsumme der absoluten Differenzen R-R₀ einen bedienung beeinflußt sind. für jeden Zellentyp festgelegten Grenzwert über-

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, da- 50 schreitet, der aufgrund einer vorbestimmten Anzahl durch gekennzeichnet, daß Momentanwerte aus- von in einem Zeitraum in periodischen Abständen geschieden werden, die bis zu 15 min vor und bis erfolgenden Messungen gewählt wird, und daß der 15 min nach einem Anodeneffekt, während eines Zellenwiderstand durch Vergrößern der interpolaren Anodenwechsels und 5 min nach dem Anoden- Distanzen der Anoden der Zelle bis zur Behebung wechsel, während des Aluminiumabsaugens und 55 der Ursache der Störung erhöht wird und danach bis 5 min nach dem Aluminiumabsaugen sowie wieder für den Betrieb der Elektrolysezelle die ursprüngliche interpolare Distanz hergestellt wird oder daß, wenn der Computer kein Störsignal abgibt, die Gesamtsumme der absoluten Differenzen R — R₀

60 nach Ablauf des für die Widerstandsmessungen vorbestimmten Zeitraumes annulliert wird, worauf die beschriebenen Verfahrensschritte wiederholt werden.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren ;tum Führen Bei der Erfindung dient der überwachte Zelleneiner Zelle für die Gewinnung von Aluminium durch widerstand als Maß dafür, ob eine Störung vorliegt Elektrolyse von Aluminiumoxid in einer Fluorid- 65 oder nicht. Beim Vorliegen einer Störung wird die schmelze, wobei der Zellenwiderstand durch periodi- interpolare Distanz automatisch erhöht und dadurch sehe Messung der Momentanwerte von Zellenstrom- die Zelle vorübergehend gedrosselt. Die interpolare stärke und Zellenspannung ermittelt wird und bei Distanz wird also nicht im Sinne eines Zurückfüh-

dem Grundwiderstand R₀ auf summiert werden, daß der Computer ein Störsignal abgibt, wenn die Gesamtsumme der absoluten Differenzen R — R₀ einen für jeden Zellentyp festgelegten

periodischen Abständen erfolgenden Messungen gewählt wird, und daß der Zellenwiderstand durch Vergrößern der interpolaren Distanzen

während einer normalen Zellenbedienung abgetastet werden.