DE4443225A1 - Verfahren zum Regeln der Al¶2¶O¶3¶-Konzentration bei der Erzeugung von Aluminium - Google Patents
Verfahren zum Regeln der Al¶2¶O¶3¶-Konzentration bei der Erzeugung von AluminiumInfo
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- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
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- C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Al₂O₃-Kon
zentration im Elektrolyt einer Elektrolysezelle zum Erzeugen
von Aluminium nach dem Hall-Herault-Verfahren, bei dem durch
eine oder mehrere Öffnungen in der erstarrten Schmelze Al₂O₃
oder ein Al₂O₃ enthaltendes Gemisch mit abwechselnden Perioden
von Überdosierung und Unterdosierung eingegeben wird und dabei
der innere Widerstand der Elektrolysezelle gemessen wird.
Aluminium wird durch Schmelzflußelektrolyse mittels elek
trischen Stroms erzeugt. Die Zelle besteht aus einer wannen
artig ausgebildeten Kathode und der die Anoden tragenden
Oberbaukonstruktion. Die Elektrolysewanne hält einen Stock von
produziertem Aluminium, über dem sich der erschmolzene Elek
trolyt aus Kryolith mit verschiedenen Zusätzen bei Betriebs
temperaturen zwischen 900 und 1000°C befindet. In den Elek
trolyten ragen in der Regel zwei Reihen von Anoden aus Kunst
kohle, deren Oberseite mit Al₂O₃ bedeckt ist und damit eine
Isolation bildet. Zwischen den Reihen der Anoden wird übli
cherweise der Rohstoff Al₂O₃ durch geschlagene Öffnungen in
der Kruste periodisch eingebracht.
Üblicherweise wird der Elektrolysestrom konstant gehalten, so
daß ständig Aluminium erzeugt wird und dadurch die Schmelze an
Al₂O₃ verarmt;mit Erreichen der kritischen Stromdichte,
welche einer minimalen Al₂O₃-Konzentration entspricht, kippt
die Zelle in den sogenannten Anodeneffekt, bei dem praktisch
kein Aluminium erzeugt wird. Deshalb muß der Rohstoff Al₂O₃
mindestens in dem Maße ersetzt werden, wie er verbraucht wird.
Bei einer bestimmten Elektrolytzusammensetzung und -temperatur
ist der Zellenwiderstand abhängig von der Al₂O₃-Konzentration
(Fig. 1). Der Elektrolyt hat eine maximale Lösungsfähigkeit an
Al₂O₃, so daß nicht beliebig viel Rohstoff eindosiert werden
darf, um eine Verschlammung der Kathode zu vermeiden; anderer
seits muß ein genügender Abstand zur minimalen Konzentration
gehalten werden, um den Anodeneffekt zu vermeiden. Es ist
jedoch vorteilhaft bei niedriger Konzentration zu arbeiten, da
hier der Wirkungsgrad maximal ist.
Man muß also Aluminiumoxid in kleine Mengen so eindosieren,
wie es elektrolytisch zu Aluminium umgesetzt wird. Aufgrund
der nicht genau bestimmbaren Menge wegen unterschiedlichen
Schüttgewichtes, manueller Manipulationen an der Zelle mit
undefinierter Oxideinbringung oder zeitlich unterschiedlichem
Wirkungsgrad der Zelle kann die einzudosierende Menge nicht
genau genug vorherbestimmt werden, so daß eine Regelung der
Oxidkonzentration erforderlich ist.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art (US-A-
4 431 491 wird von einem vorzugebenden inneren Widerstand der
Elektrolysezelle ausgegangen und dann periodisch eine Überdo
sierung und Unterdosierung des Alumiumoxids vorgenommen. An
gewissen Stellen des Zyklus werden dabei auch Korrekturen der
Elektrodenabstände vorgenommen. Der Nachteil dieses Verfahrens
ist, daß der Wert des inneren Widerstandes, auf den die Rege
lung stattfinden soll, vorbekannt sein muß. Dieser Wert des
inneren Widerstandes hängt aber von verschiedenen Faktoren,
insbesondere auch vom Elektrodenabstand, allgemein der Geome
trie der Elektrolysezelle, den eingebrachten Materialien, der
Temperatur usw. ab und ist daher nicht vernünftig vorherzusa
gen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines
Verfahrens, mit dem die Aluminiumoxid-Konzentration auf wir
kungsvolle Weise geregelt werden kann, ohne daß ein genauer
Wert des inneren Widerstandes der Elektrolysezelle bekannt
sein muß.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß das Verfahren
folgende Schritte aufweist:
- a) es werden eine Widerstandsdifferenz DR, ein Parameter k mit 0 < k < 1, ein Basisdosierintervall τ₀ und eine Zugabezeit T₁₁ vorgegeben;
- b) es werden mit dem Basisdosierintervall τ₀ ein Überdo sierungsintervall (1-k)τ₀ und ein Unterdosierungsinter vall (1+k)τ₀ bestimmt, wobei jeweils nach Ablauf eines Intervalls τ₀, (1-k)τ₀ bzw. (1+k)τ₀ das gleiche Volumen an Rohstoff zugegeben wird;
- c) es wird während der Zugabezeit T₁₁ eine Überdosierung mit dem Intervall (1-k)τ₀ vorgenommen;
- d) es wird anschließend eine Unterdosierung mit dem Inter vall (1+k)τ₀ vorgenommen und laufend der Widerstand der Elektrolysezelle und dabei der Minimalwert R desselben bestimmt;
- e) es wird die Zeitdauer T₁ seit Beginn des Schrittes c) bestimmt, sobald der Widerstand um DR größer ist als der laufend bestimmte Minimalwert R;
- f) es wird ein neues Basisdosierintervall τ₀′ bestimmt nach der Formel τ₀′ = τ₀ * f(x) mit x = T₁₁/T₁wo f(x) eine Funktion mit dem Wert f(1/2) = 1 ist, die wenigstens in der Nähe von x = 1/2 mit x monoton ab fällt;
- g) es wird τ₀ ersetzt durch τ₀′ und mit Schritt c) fort gefahren.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß die
Widerstandsdifferenz DR bei vorgegebener Schwankung der
Al₂O₃-Konzentration den Arbeitsbereich festlegt (siehe Fig. 1),
denn eine gleich große Differenz in der Al₂O₃-Konzentration
verursacht unterschiedliche Widerstanddifferenzen DR1 und DR2
an der Elektrolysezelle.
Zu Beginn eines Steuerzyklus wird für eine vorgegebene Zeit
T₁₁ eine Überdosierung vorgenommen. Die Zuführung von Rohstoff
erfolgt immer in gleichgroßen, festen Portionen diskontinuier
lich. Dadurch bewegt sich der Arbeitspunkt auf der Kurve in
Fig. 1 beispielsweise von "A" nach "B". Anschließend wird eine
Unterdosierung vorgenommen, wobei der Arbeitspunkt sich von
"B" in Richtung "C" bewegt, und der Widerstand der Zelle
wächst an. Ist der Widerstandswert um die Differenz DR ange
wachsen, so wird die Gesamtzeit T₁ als Differenz zwischen
Erreichen dieser Widerstandsdifferenz und dem Beginn des
Steuerzyklus (= Beginn des Schrittes c) ) bestimmt. Es wird
dann ein neuer Satz von Dosierparametern bestimmt, mit dem
dann ein neuer Steuerzyklus begonnen wird, wodurch letztend
lich erzielt werden soll, daß die Überdosierung genau der
Unterdosierung entspricht.
Die Bestimmung der neuen Dosierparameter geschieht mit Hilfe
einer Funktion f(x) mit x = T₁₁/T₁, wobei f eine Funktion mit
dem Wert f(1/2) = 1 ist und in der Nähe von x = 1/2 monoton
abfällt. Als eine besonders vorteilhafte Funktion f(x) hat
sich die Funktion
f(x) = 1 + k*(1-2*x) mit x = T₁₁/T₁
erwiesen.
Ein besonders günstiger Arbeitsbereich befindet sich bei
niedrigen Konzentrationen, beispielsweise der in Fig. 1 einge
zeichnete Bereich DR1. Bei einer in diesem Bereich durchge
führten Überdosierung sinkt der Widerstand der Elektrolysezel
le, bei einer Unterdosierung steigt dieser. Befindet man sich
jedoch anfänglich rechts vom Minimium der Kurve, so steigt der
Widerstand während der Überdosierung und sinkt mit der an
schließenden Unterdosierung; erst nach Durchlaufen des Mini
mums steigt der Widerstand der Elektrolysezelle wieder an. Das
Festhalten des minimalen Widerstandes und Durchlaufen einer
positiven Widerstandsdifferenz stellt sicher, daß der Arbeits
punkt immer in den linken Bereich gelangt, und damit im
Bereich niedriger Konzentration gearbeitet wird.
Man erhält also durch das erfindungsgemäße Verfahren eine
wirksame Regelung der Al₂O₃-Konzentration sogar dann, wenn man
sich anfänglich auf dem falschen Zweig der Kurve in Fig. 1
befindet.
Wenn x = T₁₁/T₁ einen vorgegebenen Wert unterschreitet, die
Widerstanddifferenz DR also bislang nicht durchlaufen wurde,
so wird vorteilhafterweise unmittelbar anschließend und wie
derholend eine um den Faktor "r" mit r < 1 stärkere Unterdo
sierung vorgenommen, solange bis die Widerstandsdifferenz DR
durchlaufen ist.
Ein vorteilhaftes Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß
laufend ein Basisintervall τ₀₀ ermittelt wird nach der Itera
tionsformel:
m * τ₀′ + (1-m) * τ₀₀ → τ₀₀ mit 0,1 < m < 0
und daß nach einem längeren manuellen Eingriff an der Elektro
lysezelle mit diesem Wert τ₀ = τ₀₀ gestartet wird. Man erhält
auf diese Weise einen Basisgrundwert, der allmählich den tat
sächlichen Verhältnissen angepaßt wird. Dies ist besonders bei
größerer Bautoleranz vorteilhaft.
Vorteilhaft ist es weiterhin, daß nach einem Anodenwechsel,
bei dem immer größere Al₂O₃-Mengen aus der Anodenabdeckung in
den Elektrolyten gelangen, zunächst eine Unterdosierung mit
dem Startwert τ₀ = τ₀₀ eingeleitet wird, die nach einer
positiven Widerstandsdifferenz
DR′ = p * DR mit p < 1
beendet wird, wobei dann anschließend der Regelzyklus mit τ₀ =
τ₀₀ begonnen wird.
Durch die oben beschriebene Erfindung wird eine Regelung der
Al₂O₃-Konzentration in der Schmelze einer Elektrolysezelle auf
besonders günstige Werte erreicht, ohne daß genaue Kenntnisse
der Widerstandswerte einer Elektrolysezelle bekannt sind. Das
Verfahren ist daher gut auf Elektrolysezellen anwendbar, die
bisher nicht nach einem point-feed-Prinzip betrieben wurden.
Claims (5)
1. Verfahren zum Regeln der Al₂O₃- Konzentration im Elektro
lyt einer Elektrolysezelle zur Erzeugung von Aluminium
nach dem Hall-Herault-Verfahren, bei dem durch eine oder
mehrere Öffnungen in der erstarrten Schmelze Aluminiumoxid
oder ein Aluminiumoxid enthaltendes Gemisch mit Zyklen aus
Unterdosierung und anschließender Überdosierung eingegeben
wird und dabei der innere Widerstand der Zelle durch Mes
sungen bestimmt wird, gekennzeichnet durch folgende
Schritte:
- a) es werden eine Widerstandsdifferenz DR, ein Parameter k mit 0 < k < 1, ein Basisdosierintervall τ₀ und eine Zugabezeit T₁₁ vorgegeben;
- b) es werden mit dem Basisdosierintervall τ₀ ein Über dosierungsintervall (1-k) * τ₀ und ein Unterdosierungs intervall (1+k) * τ₀ bestimmt, wobei jeweils nach Ablauf eines Intervalls τ₀′ (1-k)τ₀ bzw. (1+k)τ₀ das gleiche Volumen an Rohstoff zugegeben wird;
- c) es wird während der Zugabezeit T₁₁ eine Überdosierung von Rohstoff mit dem Intervall (1-k) * τ₀ vorgenommen;
- d) es wird danach eine Unterdosierung mit dem Intervall (1+k) * τ₀ vor genommen und dabei laufend der Widerstand der Zelle bestimmt und dabei der Minimalwert R dessel ben bestimmt;
- e) es wird die Zeitdauer T₁ seit Beginn des Schrittes c) ermittelt, sobald der Widerstand um DR größer ist als der laufend bestimmte Minimalwert R;
- f) es wird ein neues Basisdosierintervall τ₀′ bestimmt nach der Formel τ₀′ = τ₀ * f (x) mit x = T₁₁/T₁,wobei f(x) eine Funktion mit dem Wert f(0,5) = 1 ist, die wenigstens in der Nähe von x = 0,5 monoton abfällt;
- g) es wird τ₀ ersetzt durch τ₀′ und mit Schritt c) fortge fahren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Funktion f(T₁₁/T₁) die Form
f (T₁₁/T₁) = 1 + k * (1 - 2 * T₁₁/T₁)hat.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß, wenn T₁₁/T₁ einen vorgegebenen Wert unterschreitet,
das Unterdosierungsintervall unmittelbar anschließend und
wiederholt um einen Faktor r mit r < 1 verlängert wird,
bis DR erreicht ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß laufend ein Basisgrund-Dosierintervall
τ₀₀ iterativ errechnet wird nach
m * τ₀′ + (1-m) * τ₀₀ →τ₀₀ mit 0 < m < 0,1und daß nach einem längeren manuellen Eingriff der Regel
zyklus mit dem Basisdosierintervall τ₀ = τ₀₀ begonnen
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
nach einem Anodenwechsel zunächst eine Unterdosierung mit
τ₀ = τ₀₀ erfolgt, die mit Durchlaufen einer positiven
Widerstandsdifferenz
DR′ = p * DR mit p < 1beendet ist, und daß danach der Regelzyklus mit τ₀ = τ₀₀
begonnen wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944443225 DE4443225C2 (de) | 1994-12-05 | 1994-12-05 | Verfahren zum Regeln der Al¶2¶O¶3¶-Konzentration bei der Erzeugung von Aluminium |
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DE19944443225 DE4443225C2 (de) | 1994-12-05 | 1994-12-05 | Verfahren zum Regeln der Al¶2¶O¶3¶-Konzentration bei der Erzeugung von Aluminium |
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DE4443225A1 true DE4443225A1 (de) | 1996-06-13 |
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ID=6534946
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DE19944443225 Expired - Fee Related DE4443225C2 (de) | 1994-12-05 | 1994-12-05 | Verfahren zum Regeln der Al¶2¶O¶3¶-Konzentration bei der Erzeugung von Aluminium |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE4443225C2 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6126809A (en) * | 1998-03-23 | 2000-10-03 | Norsk Hydro Asa | Method for controlling the feed of alumina to electrolysis cells for production of aluminum |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4431491A (en) * | 1980-07-23 | 1984-02-14 | Pechiney | Process and apparatus for accurately controlling the rate of introduction and the content of alumina in an igneous electrolysis tank in the production of aluminium |
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1994
- 1994-12-05 DE DE19944443225 patent/DE4443225C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US4431491A (en) * | 1980-07-23 | 1984-02-14 | Pechiney | Process and apparatus for accurately controlling the rate of introduction and the content of alumina in an igneous electrolysis tank in the production of aluminium |
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US6126809A (en) * | 1998-03-23 | 2000-10-03 | Norsk Hydro Asa | Method for controlling the feed of alumina to electrolysis cells for production of aluminum |
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DE4443225C2 (de) | 2000-08-24 |
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