DE2503635C3 - Verfahren zur Kontrolle der Dicke der seitlichen Borde in einer Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kontrolle der Dicke der seitlichen Borde in einer Zelle zur Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von in einer Fluoridschmelze gelöstem Aluminiumoxid.

Bei den bisher verwendeten Elektrolysezellen zur Gewinnung von Aluminium treten oftmals Änderungen der Dicke der seillichen Borde auf, wodurch ein gleichmäßiger Zellengang verhindert wird, was zur Verringerung der Stromausbeule und zur Erhöhung des spezifischen Energieverbrauchs führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu finden, durch das ein gleichmäßigerer Zellengang erzielt wird und durch das störende Änderungen der Dicke der seitlichen Borde festgestellt und diesen Änderungen entgegengewirkt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kontrolle der Dicke der seitlichen Borde in einer Zelle zur Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von in einer Fluoridschmelze gelöstem Aluminiumoxid ist gekennzeichnet durch die folgenden Maßnahmen:

a) In regelmäßigen Zeitabstünden, wiihrend welcher kein Anodeneffekt und kein Arbeitsgang in der Zelle stattfinden oder den ohmschen Zellenwiderstand beeinflussen, werden der momentane ohmsche Zellenwiderstand berechnet, die Momentanwerte über eine bestimmte Zeitperiode geglättet und die Differenz AR zwischen diesem geglätteten Zellenwiderstand und einem für jede Zelle festgelegten Grundwiderstand errechnet;

b) sobald die Differenz AR einen für jede Zelle vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wird der Anodenbalken 21 gehoben oder gesenkt und dadurch der ohmsche Ist-Widerstand dem ohmschen Grundwiderstand angepaßt;

c) anschließend wird die Position des Anodenbalkens mit Hilfe eines Weggebers ermittelt und gespeichert;

d) nach höchstens einem Tag weiden die Maßnahmen nach a), b) und c) wiederholt;

e) aus den Anodenbalkenpositionen, die nach c) und d) ermittelt werden, wird die Differenz AB gebildet, wobei Änderungen der Anodenbalkenpositionen infolge von Schöpfvorgängen oder Metallzugaben berücksichtigt werden;

f) je nach dem Vorzeichen und der Größe von AB werden an sich bekannte Maßnahmen getroffen, welche die Dicke der seitlichen Borde auf den gewünschten Wert zurückbringen.

Ein unter a) genannter Arbeitsgang kann eine Normalbedienung der Zelle, eine Anodeneffektbedienung der Zelle, das Anodenwechseln oder das Schöpfen der Zelle bedeuten. Ein solcher Arbeitsgang kann bis zu 60 Minuten nach seiner Beendigung den ohmschen Zellenwiderstand beeinflussen. Für die Praxis genügt es, nach Beendigung eines solchen Arbeitsganges eine halbe Stunde zu warten, bevor der ohmsche Zellenwiderstand bestimmt wird.

Die unter a) genannten regelmäßigen Zeitabstände können z. B. zwischen 2 Sekunden und 5 Minuten liegen. In der Praxis haben sich regelmäßige Zeitabstände von 10 Sekunden bis 1 Minute als vorteilhaft erwiesen.

Die unter a) genannte bestimmte Zeitperiode kann zwischen I Minute und I Stunde liegen; in der Praxis werden vorteilhafterweise 10 Minuten gewählt.

Im folgenden wird eine vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben:

Von einem Computer werden in regelmäßigen Zeitabständen, während welcher kein Anodeneffekt und kein Arbeitsgang in der Zelle stattfinden oder den ohmschen Zellenwiderstand beeinflussen, z. B. alle 10 bis

60 Sekunden, die Zellenspannung U und der Gleichstrom / abgetastet und daraus der momentane Zellenwiderstand nach der Gleichung berechnet:

_D _ V - 1,65 ..

/?/i, ist der momentane ohmsche Widersland in Ohm, U die momentane Zellenspannung in Volt, 1,65 die Gegen-EMK in Volt und / die Zellenstromssärke in ,„ Ampere.

Die vom Computer errechneten Werte für W₁₁, werden über eine bestimmte Zeitperiode, /. B. über IO bis 15 Minuten, geglättet und in regelmäßigen Zeitintervallen, z, B. alle 10 bis 15 Minuten, mit dem ,_s Grundwiderstand K_n der Zelle verglichen. Stellt der Computer Differenzen AR zwischen dem gegläi'eten Wert und Ko fest und überschreitet diese Differenz einen im voraus in den Computer eingegebenen und in diesem gespeicherten Grenzwert von z. B. 0,5 μίϊ, so wird vom >₀ Computer ein Befehl herausgegeben, nach welchem der Anodenbalken gehoben oder gesenkt wird, bis der Griindwidersiand der Zelle erreicht ist.

Auf diese Weise hat man die optimale Interpolardistanz der Zelle eingestellt. _2S

Anschließend wird zum ersten Mal die Position des Anodenbalkens mit Hilfe eines am Anodenbalken angebrachten Weggebers, z. 13. mit Hilfe eines Potentiometers, vom Computer eingelcsen und im Computer gespeichert.

Nach höchstens einem Tag wird der gesamte Vorgang zum Einstellen des Grundwiderstandes wiederholt.

Anschließend wird zum zweiten Mal die Position des Anodenbalkens eingelesen und im Computer gespeichert.

Aus den das erste und das zweite Mal festgestellten Anodenbalkenpositionen wird die Differenz Δ B gebildet.

Wird zwischen der eisten und der zweiten Feststellung der Position des Anodenbalkens Metall geschöpft, muli die Höhe des abgeschöpften Metalls von der ermittelten Differenz Δ Β abgezogen werden. Wird zwischen den beiden Feststellungen Metall der Zelle zugegeben, muß die Höhe des zugegebenen Metalls zu der ermittelten Differenz Δ Β addiert werden.

Ist die Differenz ΔB=O, wird daraus geschlossen, daß sich zwischen den beiden Feststellungen dei Position des Anodenbalkens die Dicke der seitlichen Borde nicht verändert hat. Folglich sind in diesem Falle keine Maßnahmen zur Änderung der Dicke der seitlichen Borde zu ergreifen.

1st die Differenz /Ißpositiv, ζ. Μ.ΔΒ — + 10 mm, wird auf eine Erhöhung der Dicke der seitlichen Borde geschlossen.

Ist die Differenz negativ, ζ. Β. ΔB = - 10 mm, wird auf eine Verringerung der Dicke der seitlichen Borde geschlossen.

Wird für zlßein von 0 abweichender Wert nach dem erfindungsgemäßen Verfahren festgestellt, müssen eine no oder mehrere Maßnahmen ergriffen werden, um die Dicke der seitlichen Borde auf den gewünschten Wert zurückzubringen. Die wichtigsten Maßnahmen hierfür, die den Fachleuten an sich bekannt sind, sind die folgenden: (15

1. Änderung der der Zelle zugeführten elektrischen Leistung durch Änderung der Interpolardistanz und damit des Grundwiderstandes bei konstanter Zellenstromsiärke. Wird die zugoführte elektrische Leistung erhöht, verringert sich die Dicke der seitlichen Borde, oder umgekehrt.

2. Änderung der der Zelle zugeführlen elektrischen Leistung durch Änderung der Stromstärke in der Zelle ohne Änderung der Interpolardistanz. Eine Erhöhung der Stromstärke verursacht eine Verringerung der seitlichen Borde, oder umgekehrt.

J. Änderung der aus der Zelle abgeführten Wärmeverluste durch Änderung der Höhe des Metallstandes. Eine Senkung des Metallstandes verursacht eine Verringerung der Dicke der seitlichen Borde, oder umgekehrt.

4. Änderung der aus der Zelle abgeführten Wärmeverluste durch Änderung der thermischen Isolation, am einfachsten durch Änderung der Höhe der Aluminiumoxidschicht auf der über dem Elektrolyten erstarrten Kruste und/oder auf den Anoden. Eine Erhöhung der Aluminiumoxidschicht verringert die Wärmeverluste der Zelle und verursacht dadurch eine Verringerung der Dicke der seitlichen Horde, und umgekehrt.

5. Änderung der aus der Zelle abgeführten Wärmeverluste durch Änderung der Häufigkeit der Zellenbedienungen. Eine Verringerung der Häufigkeit der Zellenbedienungen führt zu einer Verringerung der Wärmeverkiste und verursacht dadurch eine Verringerung der Dicke der seitlichen Borde, und umgekehrt.

6. Änderung der Elektrolytzusammensetzung. Hier spielen eine Rolle z. B. AIF₁, LiF, CaF₂, MgF₂, NaCI usw.

Mehrere der vorstehend beschriebenen Maßnahmen können auch in Kombination zur Anwendung kommen.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß störende Änderungen der Dicke der seitlichen Borde vermieden werden können. Dadurch wird ein gleichmäßiger Zellengang erzielt, der zur Erhöhung der Stromausbeute und zur Verringerung des spezifischen Energieverbrauches führt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielsweise noch näher erläutert.

Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst, die zum größten Teil aus Kryolith NaiAIF besteht. Diese Schmelze ist in einer Zelle enthalten, deren Innenwandungen aus amorphem Kohlenstoff bestehen. In die Schmelze tauchen von oben Anoden aus amorphem Kohlenstoff ein. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich in flüssigem Zustand unter der Fluoridschmelze auf dem Boden der Zelle. An den Anoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, dei 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 schematischen Vertikalschnitt in Längsrichtung durch einen Teil einer Elektrolysezelle zeigt. Die Stahlwanne 12, die mit einer thermischen Isolation 1.3 aus hitzebeständigem, wärmedämmendem Material 13, z. B. Chamotte, 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 (hier quer zur Längs-

richtung der Zelle) eiscrndc Kathodcnbarren 17 eingelassen, die den elektrischen Gleichstrom aus der Kohlenstoffausklcidung U der Zelle seitlich nach außen führen. In die Fluoridschmelzc 10 tauchen von oben Anoden 18 aus amorphem Kohlenstoff ein, die den Gleichstrom dem Elektrolyten zuführen. Sie sind über Stromleiterstangcn 19 und durch Schlösser 20 mit dem Anodenbalken 21 fest verbunden. Der Anodcnbalken kann aus einer oder mehreren Stromschienen bestehen.

Der Strom fließt von den Kathodenbarren 17 der einen Zelle zum Anodcnbalken 21 der folgenden Zelle über konventionelle, nicht gezeichnete Stromschienen. Vom Anodcnbalken 21 fließt er über die Stromleiter-Stangen 19, die Anoden 18, den Elektrolyten 10, das flüssige Aluminium 14 und die Kohlensloffauskleidung 11 zu den Kathodenbarren 17. Der Elektrolyt 10 ist mit einer Kruste 22 aus erstarrter Schmelze und einer darüber befindlichen Aluminiumo\idschicht 23 bedeckt. Zwischen dem Elektrolyten 10 und der erstarrten Kruste 22 entstehen im Betrieb Hohlräume 25. An den Scitenwändcndcr Kohlenstoffausklcidung 11 bildet sich ebenfalls eine Kruste aus erstarrtem Elektrolyt in Gestalt der seitlichen Borde 24. Die Dicke der Borde 24 ist mitbestimmend für die horizontale Ausdehnung des Bades aus dem flüssigen Aluminium 14 und dem Elektrolyten 10. Bei steigender Temperatur nimmt die Dicke der Borde 24 im allgemeinen ab, bei fallender Temperatur im allgemeinen zu.

Der mittlere Abstand c/der Anodcnuntersciten 26 zur oberen Fläche 16 des flüssigen Aluminiums, der auch Inlcrpolardistanz genannt wird, Hißt sich durch Heben oder Senken des Anodcnbalkcns 21 mit Hilfe der Hubwerke 27 verändern, die auf Säulen 28 montiert sind. Dies wirkt sich auf alle Anoden aus. Jede Anode jedoch kann einzeln durch Heben oder Senken einreguliert werden, indem das betreffende Schloss 20 geöffnet, die Stromlciterstangc 19 relativ zum Anodenbalken 21 verschoben und anschließend das Schloß 20 wieder angezogen wird. Infolge des Angriffs durch den bei der Elektrolyse in Freiheit gesetzten Sauerstoff verbrauchen sich die Anoden an ihrer Unterseite kontinuierlich um ca. 1,5 bis 2 cm pro Tag (Anodenabbrand) je nach Zcllcntyp, und gleichzeitig steigt die Höhe des flüssigen Aluminiums 14 um etwa denselben Betrag infolge des Abschcidcns von Aluminium an der Kathode.

Wenn eine Anode verbraucht ist, muß sie gegen eine neue ausgewechselt werden. Die Zelle wird in der Praxis so geführt, daß einige Tage nach Inbetriebnahme die Anoden der Zelle nicht mehr den gleichen Abbranclgrad aufweisen und daher nach Abnützung über mehrere Wochen verteilt ausgewechselt werden müssen. Aus diesem Grunde arbeiten in einer Zelle Anoden verschiedenen Einsutzullers zusammen, wns aus der Figur hervorgeht.

Die Horizonlulflliche, welche die Gesamtheit der Anodenunterseiten einer Zelle einnimmt, wird Anodentisch genannt.

Dus Prinzip einer Aliiminitim-Elcktrolysczellc mit sclbstbrennendcr Anode ist dus gleiche wie dasjenige einer Aluminium-Elektrolysezelle mit vorgcbninnten Anoden.

Anstelle von vorgebriiiiiilen Anoden werden Anoden verwendet, die uns grüner Elcktrodcnmasse in einem Stahlmuntcl wllhrcnd des Elcktrolysebetriebes durch die Zcllenwllrme kontinuierlich gebrannt werden, Der Gleichstrom wird durch .seitliche Sltthlbol7.cn oder von oben durch vertikale Sliihlbolzcn zugeführt. Diese Anoden werden durch Einschütten von grüner Elcktrodcnmassc in den Slahlmantcl nach Bedarf ergänzt.

Durch Einschlagen der oberen Elcktrolytkruste 22 (der verkrusteten Badoberflächc) wird das darüber befindliche Aluminiumoxid 23 in den Elektrolyten 10 gebracht. Diese Operation wird Zcllenbedicnung genannt. Im Laufe der Elektrolyse verarmt der Elektrolyt an Aluminiumoxid. Bei einer unteren Konzentration von beispielsweise I bis 2,5% Alumi-

K) niumoxid im Elektrolyten kommt es zum Anodeneffekt, der sich in einer plötzlichen Spannungserhöhung von normal 4 bis 4,5 V zum Beispiel auf 20 V und darüber auswirkt. Spätestens dann muß die Kruste eingeschlagen werden und die AljOj-Konzcntration durch Zugabe .s von neuem Aluminiumoxid angehoben werden.

Die Zelle wird im normalen Betrieb periodisch bedient, auch wenn kein Anodeneffekt auftritt. Diese Zcllenbedicnung wird im nachfolgenden als »normale Zellenbedienung« bezeichnet. Sie findet z. B. jede 2. bis

b. Stunde stall. Außerdem muß bei jedem Anodeneffekt, wie oben ausgeführt, die Badkrustc eingeschlagen, und die AbOi-Konzcntralion durch Zugabe von neuem AI₂Oj angehoben werden, was einer Zcllenbedicnung entspricht. Der Anodeneffekt ist daher im Betrieb stets mit einer Zcllcnbcdienung verbunden, die man im Gegensatz zur normalen Zcllenbedicnung als »Anodcnerfcktbcdienung« bezeichnen kann.

Das elektrolytisch erzeugte Aluminium 14, das sich auf dem Kohlcbodcn 15 der Zelle sammelt, wird im

.v> allgemeinen einmal täglich aus der Zelle herausgenommen, z. B. durch konventionelle Saugvorrichliingcn, Hierbei wird üblicherweise die Höhe des flüssigen Aluminiums 14 auf einen für jeden Zcllcntyp optimalen Wert zurückgeführt. Dieser Wert entspricht dem

is Soll-Mctallstand. Die Metallentnahme wird auch Schöpfen genannt.

Ein charaktristischcr Wert beim Betrieb einer Zelle ist ihre elektrische Grundspannung. Diese wird für jede Zelle unter Berücksichtigung ihres Alters, des Zustande!.

ψ. der Kohlcnstoffauskleidung 11, der Zusammensetzung des Schmelzflußelektrolyten 10 sowie der Zcllcnslrom· stärke und -dichte festgelegt. Für die Festlegung dei Gmndspannung wird außerdem die horizontale Ausdehnung der Kathodenoberflächc 16 berücksichtigt, die

-15 durch die Dicke der seillichen Borde 24 beeinflußt wird. Aus der Gmndspannung läßt sich der Grundwidcrstand der Zelle nach folgender Gleichung errechnen'

K₀ =

<{. - 1.65

Ko ist der ohmschc Grundwiderstund in Ohm, Lk clii Grundspannung in Volt, 1,65 die Gcgcn-EMK in VoI

_S5 und /die momentane Zellenstromsttlrke in Ampere.

Der richtige Wert der Grundspunnung entsprich einer optimalen Intcrpolardistunz. Wird die Zelle st betrieben, daß die horizontale Ausdehnung der Kutho dcnobcrflilehc 16 unverändert bleibt, so gleicht de

(,0 Anstieg der Höhe des flüssigen Aluminiums auf den Kohlcbodcn im allgemeinen dem Abbrand der Anodei un ihrer Unterseite. Die üblicherweise gewählt« Dimension von Anoden und Kathoden ermöglichen dai vorstehend beschriebene Verhallen. In diesem FaI

(15 werden sich die Truverscnposilionen z, B, jcwcil: unmillelbar mich einem Schüpfvorgang und unmittclba vor dem darauf folgenden Schöpfvorgang voneinande nicht unterscheiden. In der Praxis ist die tatsächlich!

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Inlerpolardistanz zeitweise, ζ. B. zwischen zwei Schöpfvorgängen, größer oder kleiner als die optimale Interpolardistanz. Die Abweichungen werden im wesentlichen verursacht durch unregelmäßigen Anstieg der Höhe des flüssigen Aluminiums auf dem Kohleboden infolge der Änderung der horizontalen Ausdehnung der Kathodenoberfläche 16 durch Änderung der Dicke der seitlichen Borde 24 und/oder durch unregelmäßiges Abbrennen der Anodenunterseiten. Vergleicht man in diesem Fall die Anodenbalkenposition z. B. unmittelbar nach einem Schöpfvorgang mit derjenigen unmittelbar vor dem darauf folgenden Schöpfvorgang, stellt man Differenzen fest.

Da, kurzfristig gesehen, z. B. zwischen zwei Schöpfvorgängen, der Anodenabbrand als regelmäßig betrachtet werden kann und kleinere Unregelmäßigkeiten des Anodenabbrandes nicht berücksichtigt zu werden braucht, wird erfindungsgemäß aus Änderungen der Anodenbalkenposition auf eine Änderung der Dicke der seitlichen Borde geschlossen, und daraufhin durch an sich bekannte Maßnahmen die Dicke der seitlicher Borde auf den gewünschten Wert zurückgebracht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

/0!) 030/:

5

Claims (7)

Palentansprüche:

1. Verfahren zur Kontrolle der Dicke der seil liehen Borde in einer Zelle zur Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von in einer Fluoridschmelze gelöstem Aluminiumoxid, gekennzeichnet durch folgende Maßnahmen:

a) In regelmäßigen Zeitabständen, während welcher kein Anodeneffekt und kein Arbeitsgang in der Zelle stattfinden oder den ohmsehen Zellenwiderstand beeinflussen, werden der momentane ohmsche Zellenwiderstand berechnet, die Momentanwerte über eine bestimmte Zeitperiode geglättet und die Differenz AR zwischen diesem geglätteten Zellenwiderstand und einem für jede Zelle festgelegten Grundwiderstand errechnet;

b) sobald die Differenz Δ R einen für jede Zelle vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wird der Anodcnbalken (21) gehoben oder gesenkt und dadurch der ohmsche Ist-Widerstand dem ohmschen Grimdwiderstand angepaßt;

c) anschließend wird die Position des Anodenbalkens mit Hilfe eines Weggebers ermittelt und gespeichert;

d) nach höchstens einem Tag werden die Maßnahmen nach a), b) und c) wiederholt;

e) aus den Anodenbalkenpositionen, die nach c) und d) ermittelt werden, wird die Differenz AB }o gebildet, wobei Änderungen der Anodenbalkenpositionen infolge von Schöpfvorgängen oder Metallzugaben berücksichtigt werden;

f) je nach dem Vorzeichen und der Größe von Δ Β werden an sich bekannte Maßnahmen getroffen, welche die Dicke der seitlichen Borde auf den gewünschten Wert zurückbringen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zwecks Änderung der Dicke der seitlichen Borde die Interpolardistanz bei konstanter Zellenstromstärke ändert.

3. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß man zwecks Änderung der Dicke der seitlichen Borde die Stromstärke in der Zelle ohne Änderung der Interpolardistanz ändert.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man zwecks Änderung der Dicke der seitlichen Borde die Höhe des Metallstandes ändert.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man zwecks Änderung der Dicke der seitlichen Borde die Höhe der Aluminiumoxidschicht auf der erstarrten Kruste über dem Elektrolyten und/oder auf den Anoden ändert.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man zwecks Änderung der Dicke der seitlichen Borde die Häufigkeit der Zellenbedienung ändert.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, to dadurch gekennzeichnet, daß man zwecks Änderung der Dicke der seitlichen Borde die Elektrolytzusammensetzung ändert.