DE2615652A1

DE2615652A1 - Verfahren zum messen und steuern der energiebilanz von aluminium-oefen

Info

Publication number: DE2615652A1
Application number: DE19762615652
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Norsk Hydro ASA
Current assignee: Norsk Hydro ASA
Priority date: 1975-04-10
Filing date: 1976-04-09
Publication date: 1976-10-21
Also published as: FR2307059A1; JPS51126314A; NO135034B; NO751256L; US4045309A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

HtM/th

Norsk Hydro a.s, Bygd^y alle 2, Oslo 2, Norwegen

Verfahren zum Messen und Steuern der Energiebilanz von Aluminium-Öfen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen und Steuern der Energiebilanz von Aluminium-Öfen bzw. Elektrolysierzellen, insbesondere Hall-Heroult-Reduktionszeilen für die Reduktion von Aluminiumoxid zu Aluminiummetall durch Steuerung der Eintauchtiefe der Kohleanoden in den Elektrolyten.

Es ist bekannt, daß magnetische Kräfte erhebliche Probleme beim Betrieb solcher öfen bzw. Zellen verursachen, insbesondere wenn der Ofenstrom 100 kA übersteigt. Die primäre Wirkung der Magnetkräfte besteht in ihrem Einfluß auf das Fließen des geschmolzenen

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Metalls und des Bades und auf die Krümmung der Metalloberfläche. Unter extremen Bedingungen können die Magnetkräfte in Kombination mit den Gravitationskräften die Ausbildung von Wellen in dem Metall verursachen.

Die auf das Bad und das Metall einwirkenden Magnetkräfte entsprechen dem Vektorprodukt aus der magnetischen Induktion B und der Stromdichte G .

Die magnetische Induktion hängt von der Konstruktion und der Anordnung des StromzuführungsSchienensystems und der Stromverteilung in dem Ofen bzw. der Zelle ab. Die Stromverteilung hängt von dem Stromschienensystem, jedoch auch in großem Ausmaß von der Geometrie und der Dicke der Seitenkruste oder Schmelzkruste ab, die sich nach und nach während des Betriebs des Ofens aufbaut. Es besteht somit ein erheblicher Zusammenhang zwischen der vorherrschenden Geometrie der Seitenkruste und den Magnetkräften und damit dem Fließen des Fluids und der Metallkrümmung.

Mit Hilfe mathematischer Modelle kann gezeigt werden, daß ein sehr enger Zusammenhang zwischen der Dicke der Seitenkruste und der Krümmung der Metalloberfläche besteht. Eine Veränderung der Krümmung der Metalloberfläche beeinflußt, wenn sie schnell genug erfolgt, den lokalen Elektrodenabstand und damit die Stromverteilung in dem Ofen.

Es wird angenommen, daß das dynamische Verhalten der Seitenkruste in der Badphase und in der Metallphase unterschiedlich ist. Während die Seitenkruste der Metallphase mehr oder weniger mit Schlamm bedeckt ist, besteht die Seitenkruste der Badphase überwiegend aus Kryolith. Die Geometrie der Schicht unterhalb der Metalloberfläche wird somit teilweise durch die Konstruktion und teilweise durch die thermischen und sonstigen Betriebsbedingungen des Ofens bestimmt, da angenommen wird, daß die Schlammbildung dadurch verursacht wird, daß man dem Bad mehr Oxid zuführt als sich in einer ausreichend kurzen Zeit löst.

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Die Dicke der Schicht oder der Seitenkruste in der Elektrolysephase wird andererseits überwiegend durch die Wärmebilanz des Ofens bestimmt. Wenn der Ofen mit mehr Energie versorgt wird als er abstrahlt, schmilzt die Schicht, so daß sich die sogenannten kräftefreien Seitenkanäle des Ofens ausdehen, während bei einer negativen Wärmebilanz' der umgekehrte Effekt die Folge ist.

Ein thermisch stabiler Betrieb der öfen bzw. Zellen ist daher von wesentlicher Bedeutung. In der Praxis ist ein thermisch stabiler Betrieb dadurch erreicht worden, daß man die Ofenspannung empirisch auf einen Wert einstellt, der zu stabilen Betriebsbedingungen führt. Es ist weiterhin bereits vorgeschlagen worden, automatische Regelsysteme zu verwenden, die auf dem Messen und der Steuerung der Ofenspannung beruhen. Jedoch sind nicht alle öfen bzw. Zellen gleich. Dies ist eine Folge von Alterungsprozessen in der Isolation der Badwanne, der Bildung von Rissen und dem dadurch erfolgenden Eindringen des Metalls und beruht auch auf der Tatsache, daß es nicht möglich ist, zwei öfen in exakt der gleichen Weise zu betreiben. Glücklicherweise besitzen die öfen in der Seitenkruste einen automatischen Wärmesteuerungsmechanismus, da diese Kruste bei zunehmender thermischer Belastung des Ofens dünner wird, was zur Folge hat, daß die Wärmeverluste ebenfalls zunehmen,und entsprechend dicker wird, wenn die thermische Belastung abnimmt. Es ist jedoch zu bemerken, daß gleichzeitig die Geometrie des Ofens durch diese Veränderungen beeinflußt wird.

Wenn der Ofen beispielsweise zu stark abkühlt, erfolgt eine drastische Veränderung des Elektrolytflusses in dem Ofen. Das Erstarren der Schicht in der Badphase kann insbesondere das Fließen des Elektrolyten verhindern, was aufgrund der geringen thermischen Leitfähigkeit des Bades zu einer lokalen überhitzung Anlaß geben kann.

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Aus den oben erwähnten Gründen ist eine aktive Steuerung der Energiebilanz bzw. des Energiegleichgewichts des Ofens notwendig. Bislang bestand das Problem darin, Möglichkeiten zu finden, mit denen der Zustand dieser Energiebilanz gemessen werden kann. Bei gewissen frühen Systemen, die auf der Anwendung von Elektronenrechnern beruhen, wird die Ausnutzung des sogenannten Widerstandsrauschens als Kriterium dafür angewandt, daß der Ofen sich zu stark abkühlt. Bislang ist jedoch keine direkte Beziehung zwischen diesem Rauschen und der Wärmebilanz bewiesen worden.

Man könnte annehmen, daß das Problem gelöst werden könnte, wenn man die Badtemperatur entweder kontinuierlich oder zu bestimmten Zeitpunkten mißt. Die Badtemperatur folgt jedoch in großem Ausmaß der Liquidus-Temperatur der Schicht, die ihrerseits eine Funktion der Aluminiumoxidkonzentration ist. Während der Unterschied zwischen der Badtemperatur und der Liquidus-Temperatur im Bereich von 10 bis 30°C liegt, verändert sich die Liquidus-Temperatur, als Folge von normalen Veränderungen der Oxidkonzentration um etwa 20 bis 40°C. Daher gibt die Badtemperatur nur dann eine ausreichende Information über die Wärmebilanz, wenn extreme Betriebsbedingungen vorherrschen.

Es konnte nun mit Hilfe von dynamischen mathematischen Modellen gezeigt werden, daß die überschüssige oder unterschüssige Wärme eines Aluminiumelektrolyseofens überwiegend zu Wärmeverlusten durch denjenigen Teil der Ofenwandungen führt,der mit der lösbaren Seitenkruste bedeckt ist. In dem Modellofen wurde beispielsweise die gesteigerte Energiezufuhr durch eine Zunahme der Badtemperatur von 10°C über einen stabilen Zustand von 1000°C simuliert, wonach ein 96stündiger Betrieb simuliert wurde. Nach Ablauf der erwähnten Zeitdauer haben die Wärmeverluste über den Ofenboden pro Flächeneinheit um weniger als 1% zugenommen, während die Wärmeabfuhr über die Seitenwandungen des Ofens in der Höhe des Bades um 28% abgenommen haben. Zu gleicher Zeit hat die Temperatur des Kohlefutters des Ofens in der Höhe des

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Bades um 40°C zugenommen. Berücksichtigt man die Tatsache, daß die Temperatur in dem Kohlefutter etwa 200 bis 300⁰C beträgt, so ist zu verstehen, daß das Kohlefutter bzw. die Kohleauskleidung der Ort ist, der für die Messung des thermischen Ungleichgewichts des Ofens sehr empfindlich ist. Gleichzeitig ist dies diejenige Stelle, an der die Umgebungsbedxngunge.n hinsichtlich des Verhaltens der Meßsonde annehmbar sind.

Diese Erkenntnis wird nun in dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Messen und Steuern der Energiebilanz von Aluminium-Öfen durch Steuerung der Eintauchtiefe der Kohleanoden in den Elektrolyten ausgenutzt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Temperatur des seitlichen Ofenfutters mit Hilfe von einem oder mehreren in dem seitlichen Ofenfutter vorzugsweise in Höhe der Oberfläche des Elektrolyten angeordneten Thermoelement(en) mißt, die gemessene und gegebenenfalls hinsichtlich Störungen, die durch die Zuführung von Oxid und/oder durch äußere Temperaturschwankungen verursacht sind, korrigierte Temperatur mit einer Bezugstemperatur vergleicht und die Eintauchtiefe der Anode entsprechend verändert, wenn die Differenz zwischen der gemessenen Temperatur und der Bezugstemperatur einen gegebenen Schwellenwert überschreitet.

Weitere Äusführungsformen, Gegenstände und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, in der auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist-. Die Zeichnung zeigt in schematischer Weise, wie die Temperaturmessung erfindungsgemäß zu erfolgen hat. In der Zeichnung steht der Bezugsbuchstabe A für die Anode, C für die Kathode, B für das Bad, M für das Metall, S für die Seitenkruste, M. für den Motor für die Aufwärts- und Abwärtsbewegung der Anode, T für das Thermoelement und R₁ und R₂ für Steuereinrichtungen.

Die Bezugsziffer R₁ bezeichnet einen getrennten Steuerkreis, der gemäß der gemessenen Ofenspannung V und des Ofenstroms I die

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Anode auf einen Differenzwiderstand R,.._f einstellt, der durch die folgende Gleichung wiedergegeben werden kann:

diff

worin Vk die Summe aus den Zersetzungspotentialen und den anodischen und kathodischen Überpotentialen darstellt, die normalerweise als 1,7 V eingesetzt wird.

R-2 stellt einen äußeren Steuerkreis dar, der in Abhängigkeit von der gemessenen Ofenfuttertemperatur den Sollwert der Steuereinrichtung R- vorgibt.

Ein Problem der Messung besteht in der auftretenden gewissen Zeitverschiebung. Somit sind bei der Modellzelle bei einer Anfangsschichtdicke von 19 cm etwa 6 Stunden erforderlich, bevor ein Anstieg der Temperatur in dem Ofenfutter festgestellt werden kann. Man erzielt jedoch nach etwa 96 Stunden eine angenäherten Gleichgewichtszustand.

Wenn die Messung in einem zweiten geschlossenen Kreis erfolgt, wenn beispielsweise die Differenz zwischen der gemessenen Temperatur in dem Kohlenfutter und einem ausgewählten Bezugswert mit Hilfe eines Proportional-plus-Integral-Regulators gemessen wird, ist der Sollwert des Anodenregulators und damit die Steuerwirkung der Steuereinrichtung besonders wirksam für langsame Störungen der Wärmebilanz des Ofens. Ein solches einfaches System ist jedoch für die Korrektur schnellerer Änderungen nicht geeignet, womit in diesem Fall Änderungen innerhalb einer Zeitdauer von 4 Stunden gemeint sind. Langsamere Änderungen, beispielsweise die aufgrund von Alterungsphänomenen in der Ofenisolation oder durch eine gesteigerte Schlammenge auftretenden Änderungen, werden in wirksamer Weise durch ein Steuersystem kompensiert, das auf den oben angegebenen Prinzipien beruht.

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Die Auswahl des Sollwertes einer solchen Steuereinrichtung stellt im Prinzip die Auswahl der Ofenspannung dar, die bei längerem Betrieb zu einer bestimmten Dicke der Seitenkruste in der Höhe des Bades führt.

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Claims

Patentanspruch

Verfahren zum Messen und Steuern der Energiebilanz von Elektrolysierzellen für die Aluminiumreduktion bzw. für Aluminium-Öfen durch Steuerung der Eintauchtiefe der Kohleanoden in den Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperatur des seitlichen Ofenfutters mit Hilfe von einem oder mehreren in dem seitlichen Ofenfutter vorzugsweise in Höhe der Oberfläche des Elektrolyten angeordneten Thermoelement (en) mißt, die gemessene und gegebenenfalls hinsichtlich Störungen, die durch die Zuführung von Oxid und/oder durch äußere Temperaturschwankungen verursacht sind, korrigierte Temperatur mit einer Bezugstemperatur vergleicht und die Eintauchtiefe der Anode entsprechend verändert, wenn die Differenz zwischen der gemessenen Temperatur und der Bezugstemperatur einen gegebenen Schwellenwert überschreitet.

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