EP0135516A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung einer einschlagvorrichtung. - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur steuerung einer einschlagvorrichtung.

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EP0135516A1
EP0135516A1 EP84900604A EP84900604A EP0135516A1 EP 0135516 A1 EP0135516 A1 EP 0135516A1 EP 84900604 A EP84900604 A EP 84900604A EP 84900604 A EP84900604 A EP 84900604A EP 0135516 A1 EP0135516 A1 EP 0135516A1
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EP
European Patent Office
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chisel
molten electrolyte
impedance
measuring circuit
electrolyte
Prior art date
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EP84900604A
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English (en)
French (fr)
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EP0135516B1 (de
Inventor
Ulrich Heinzmann
Werner Braun
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Alcan Holdings Switzerland AG
Original Assignee
Alusuisse Holdings AG
Schweizerische Aluminium AG
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Publication date
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Publication of EP0135516A1 publication Critical patent/EP0135516A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0135516B1 publication Critical patent/EP0135516B1/de
Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/14—Devices for feeding or crust breaking

Definitions

  • the present invention relates to a method for controlling an impact device with an up / down movable chisel for the crust forming on the molten electrolyte of a melt flow electrolysis cell, by detection of the chisel / molten electrolyte contact, using the chisel as a sensor in an electrical measuring circuit, changes in signal caused by changes in the impedance between the chisel and the molten electrolyte for control purposes are recorded, and a device for controlling an impact device with a chisel movable up and down for the crust which forms on the molten electrolyte of a melt flow electrolysis cell by detection of the chisel / molten electrolyte contact with an electrical measuring circuit, comprising the chisel as a sensor on which the chisel / molten electrolyte path appears as a contact-significant impedance element.
  • the aluminum oxide or the alumina in the electrolyte is consumed.
  • alumina concentration must be increased by adding new aluminum oxide.
  • maximum restraint of the process gases is guaranteed if the operation is carried out automatically at short intervals.
  • the non-continuous supply of alumina can also be used along the entire longitudinal or transverse cell axis.
  • the known storage bunkers or alumina silos arranged on the electrolysis cells are generally in the form of funnels or containers with a funnel-shaped or conically tapering lower part.
  • the content of the silos arranged on the cell usually covers one to two times the daily requirement, which is why they are also called daily silos.
  • the day silos are mostly fed in a closed pipe system, preferably by means of dense flow from the central alumina supply.
  • the supply of alumina from the day silo to a breakthrough in the crust covering the molten electrolyte takes place in known devices. usually by opening at least one flap that is swiveled for batching, or according to other systems with dosing screws, dosing cylinders or dosing volume.
  • day silos on the electrolytic cells are dispensed with, the metering devices are located outside the area of the electrolytic cell.
  • alumina charging and hammering device for breaking the crust are always combined locally and functionally.
  • An electronic process control initially triggers the lowering and lifting of the ice cream of the impacting device, followed immediately by the clay charging.
  • the chisel is used as a sensor in an electrical measuring circuit that leads from the chisel to the cathode of the cell via a recording device. If the chisel is immersed in the molten electrolyte, the DC voltage generated by the direct electrolysis between the molten electrolyte and the cell cathode appears on the registering device as an indication that the chisel has contacted the molten electrolyte and as a control criterion.
  • the anode / cathode voltage is subject to fluctuations. It is known that such melt flow electrolysis cells are powered by the electrolysis current, ie from a current source / and a plurality of such cells are connected in series in the electrolysis current path. For this reason, the anode / cathode voltages on the individual cells are set in accordance with the instantaneous current resistance between anodes and cathodes and are not kept constant by a rigid supply voltage. As already mentioned above, the anode / cathode voltage can therefore fluctuate in large areas, particularly when anode effects occur. Such fluctuations, in general Unpredictable disturbance variables influencing the anode / cathode voltage of the cell are included in the measurement when using the known method, because with this method a voltage measurement of cell operating variables takes place.
  • the object of the present invention is to design the method or the device of the type mentioned at the beginning in such a way that the disadvantages mentioned above are eliminated.
  • the impedance between the chisel and the molten electrolyte is detected by means of an active impedance measuring circuit.
  • the measuring circuit is provided with an active signal source, a current or voltage source, and the impedance between chisel and molten electrolyte is registered by registering the resulting current or voltage signal Measuring circuit recorded that results, at least primarily, from the closing of the measuring circuit by immersing the ice cream in the molten electrolyte.
  • the hammering device is preferably activated such that when the impedance measured by means of the active impedance measuring circuit reaches a predetermined minimum value, the chisel is raised.
  • the impact device is to be operated with as little energy as possible, which in the normal case is just sufficient to penetrate the crust, so it is proposed that the chisel be lowered with a predetermined force, monitored, whether the minimum value is reached within a specified period of time, otherwise the lowering force increases.
  • the operating energy for the impact device is increased by raising the lowering force in order to force the breakthrough.
  • the operational safety of such a wrapping device is increased by detecting the time span of reaching or falling below the minimum value and generating an indication when a predetermined maximum time span is exceeded.
  • the device of the type mentioned at the outset is designed in accordance with the invention in such a way that the measuring circuit with a circuit-associated, active source and measuring device is an impedance measuring circuit.
  • the measuring circuit from the chisel via the active source and measuring device must be connected to a connection which preferably contacts the molten electrolyte with low resistance. Where this connector is located is of secondary importance. It is thus possible to arrange this connection point directly at the area where the chisel is immersed in the molten electrolyte. If this connection point is practically at the same potential with respect to the operating parameters of the cell as the area in which the chisel is immersed in the molten electrolyte, then when it is immersed in cell operation, there appears practically a zero potential difference between the connection point and the chisel. In such a case, the measuring circuit remains unaffected by the operating parameters of the cell, in particular by the anode / cathode voltage, and a direct current impedance measurement can be carried out.
  • the source be an alternating signal source and thus an alternating signal impedance is measured.
  • the detected impedance is largely independent of the cell operating variables and interfering variables mentioned when the measuring circuit is closed on the one hand via the chisel and on the other hand via a connection which is connected to the molten electrolyte at low resistance.
  • connection point for the molten electrolyte is a connection point of the cell itself. This can be on the ground or cathode side, for example. If an AC impedance is measured with an AC signal source, it is further proposed to provide DC decoupling capacitors in the circuit which decouple DC operating values from the circuit in terms of high impedance, but which act as low-resistance elements on the measuring circuit operating frequency used.
  • FIG. 1 shows a schematic vertical cross section through an electrolysis cell with a measuring circuit according to the invention, with an alternating signal source
  • FIG. 2 shows an illustration analogous to FIG. 1, with a measuring circuit according to the invention, in a connection type that differs from FIG. 1, basically for direct current or alternating current impedance measurement, with a
  • a steel trough 10 is lined with an insulation and carbon layer, which is not shown individually for reasons of clarity, the carbon base containing the cathode bars running in the transverse direction of the row.
  • the cell encapsulation includes a horizontal cover 22 and mobile sloping cover plates 24, which are electrically insulated from the board of the steel tub 10.
  • the impact device 28 is fastened in the anodic structure 26 with at least 5 kOh in an electrically insulating manner.
  • This impact device pneumatically actuates a chisel 30 which can be moved vertically up and down and which is shown in the rest position above the carbon anodes 16.
  • the lowermost working position of the ice cream is shown in dashed lines, which dips into the molten electrolyte, closes the electrical measuring circuit, in FIG. 1 an alternating current circuit, and is raised again to the rest position in the next moment.
  • an AC circuit connected in an electrically conductive manner is fed by an AC voltage source 32,
  • the electronic relay 34 eats the alternating current signal resulting as a function of the circuit impedance and sends a corresponding signal to the electronic process control 36.
  • Two decoupling capacitors 40 in the alternating current circuit cause the DC potential separation between the electrolytic cell and the electronic process control or. the relay 34.
  • one connection 42 of the measuring circuit generally designated 44 is connected to the chisel 30, the other connection 46 to one of the anode trees 18.
  • the measuring circuit 44 generally comprises an active signal source 48, a signal generator for DC or preferably AC signals and a measuring device 50, a current or voltage measuring device for impedance measurement.
  • the impact device is preferably controlled in accordance with the impedance measurement signal, preferably via a process control. 2 now shows with function blocks how the essential functions of the control can be implemented in a structure specially created for this purpose, whereby in most cases, as mentioned, the use of an already provided process control will be indicated. According to FIG.
  • output A of the measuring device 50 acts on the one input of a comparator unit 52, at the second input of which a reference signal source 54, preferably a Dar, is connected.
  • the comparator unit 52 only emits a signal with a high level if the output signal of the measuring device 50 falls below the switching value set with the source 54. Is If the output signal of the measuring device 50 is proportional to the circular impedance, ie to the impedance between the chisel 30 and the anode tree 18, then a signal with a high level only appears at the output of the comparator unit 52 if that which is significant for contacting the chisel and the molten electrolyte Minimum impedance is registered.
  • a bistable unit such as a FLIP-FLOP 56
  • the turning device 28 is controlled pneumatically by a control unit 58 with control inputs d and u, corresponding to the control of the lowering movement and lifting movement.
  • a start switch S- is closed and a control voltage U_ is applied to the lowering input d of the control unit 58, via a changeover switch S 2 which is then shown in the position shown.
  • the chisel is lowered and finally contacts the molten electrolyte.
  • the changeover switch S2 is switched to the position shown in broken lines, which means that the ice cream 30 is retrieved via the
  • Control unit 58 triggers.
  • a time delay circuit for example a monostable multivibrator 59 with an adjustable pulse length ⁇ , at the end of the pulse appearing at output A59, a monostable multivibrator 60 a pulse generates, which is fed to an AND gate 62.
  • the second input of the AND gate 62 is connected to the output of the comparator unit 52.
  • this pulse appears at the output of the AND gate 62, it means that the contact between the chisel and the electrolyte has been maintained during the set time period T. That is, a bistable circuit, such as a FLIP-FLOP 64, is set. which leads to a display on the display device 66.
  • the FLIP-FLOP 64 is reset on a falling edge at the output A__ of the comparator unit 52, which indicates that the contact between the chisel and the electrolyte has been broken again by retrieving the chisel.
  • a second time delay circuit 68 such as a monostable multivibrator with an adjustable output pulse length ⁇ _, is also triggered.
  • a pulse is generated by a monostable multivibrator 70. This pulse is fed to the AND gate 72.
  • the pulse at the output of the monostable multivibrator 70 only appears at the output of the AND gate 72 if the second input of said gate is at logic '1', which, with the inverter 75, is only the case if the output signal of the FLIP-FLOP 56 indicates that the contact between the chisel and the electrolyte has not been established.
  • the pulse at the exit of the gate 72 thus indicates that after triggering the lowering movement of the ice cream, waiting for the time period ⁇ , there has still not been contact between the chisel and the electrolyte. This means that the crust has not been broken. That is why ⁇ A-
  • the flip-flop 74 ge is, the output to the control input E_ fi of a power adjustment device 76 acts, by means of which the pressure force, respectively.
  • the pressure P with which the chisel 30 is driven downward is then increased.
  • the FLIP-FLOP 74 is reset by the rising switching edge at the output of the FLIP-FLOP 56: the crust is broken through.
  • the FLIP-FLOP 56 is reset after passing through the return path of the ice cream 30 by a limit switch S p , only shown schematically, the impact cycle is ended. It goes without saying that when the chisel is under increased pressure, the chisel is preferably only, at least partially, retrieved in order to attempt a new breakthrough. The control to be provided for this is not shown in FIG. 2.
  • a further time delay unit for example a monostable multivibrator 78 with an adjustable pulse length ⁇ _, is triggered, at the end of which a pulse is generated again via a monostable multivibrator 80.
  • the output pulse of the monostable multivibrator 80 appears at the AND gate 82 only if the FLIP-FLOP 74 is still set at the same time, i.e. is still working with increased chisel power. This means that the chisel could not penetrate into the molten electrolyte even at elevated pressure.
  • This state is also indicated on display 66 via an OR gate 84.
  • control system which is also referred to as electronic process control. This can be done in a timed .5
  • the preferably used AC voltage source from FIG. 1 can emit an adjustable voltage which is preferably between 20 and 40 V, in particular between 20 and 25 V.
  • the entire resistance of the AC circuit closed via the molten electrolyte is designed here in such a way that the AC voltage source emits a current of a few milli-amperes at the set voltage.
  • the electronic relay (converter) built into the AC circuit forwards the signal to the central electronic process control, which is usually located outside the electrolysis hall.
  • a capacitor is installed in the alternating current circuit. These capacitors separate the potential between the electrolysis cell, possibly occurring stray currents and the electronic process control.
  • All elements of the measuring circuit are located in the area of the electrolysis cell, but outside the hot, corrosive zone.
  • the electronic process control causes a signal to lower the chisel into the working position and - after contact with it
  • the electrolyte is produced - for example via the electronic relay, the immediate lifting of the ice cream in the rest position or - if the measuring circuit is not closed within the specified time period ⁇ after the ice cream has been lowered - that the pneumatic or hydraulic pressure P is on the chisel is enlarged.
  • the chisel In the rest position, the chisel is located outside the area of the anode body, on the one hand because of mechanical effects when changing the anode, and on the other hand because of the increasing temperature and corrosion effects in the direction of the crust breakthrough.
  • the measuring circuit is not closed.
  • the electronic process control triggers an increase in pressure.
  • a reduced line pressure of, for example, 3-4 bar. Bring it Chisel with this reduced line pressure does not have enough force, the electronic process control causes the system to switch to the normal line pressure of, for example, 7-8 bar.
  • the electronic process control will trigger an optical and / or acoustic signal .
  • the cell operator can then correct the fault.
  • the same signal is triggered if the AC circuit during a time ⁇ that exceeds the normal operating cycle of the impact device. remains closed because, for example, the chisel is jammed.
  • the voltage source of FIG. 1 preferably outputs a voltage between 20 and 40 V, in particular 20 and 25 V, an alternating current of a few milliamps flowing when contact is made between the chisel and the electrolyte.
  • the device according to the invention and the method according to the invention can therefore not only be used to control the charging of clay, but also to carry out the following monitoring procedures:

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Description

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Ein¬ schlagvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Einschlagvorrichtung mit auf/abbeweg¬ lichem Meissel für die sich auf dem schmelzflüssigen Elektrolyteneiner Sch elzfluss-Elektrolysezelle bilden- de Kruste, durch Detektion der Meissel/schmelzflüssiger Elektrolyt-Kontaktierung, wobei man mit dem Meissel als Messfühler in einem elektrischen Messkreis durch Aende- rungen der Impedanz zwischen Meissel und schmelzflüssi¬ gem Elektrolyten bewirkte Signaländerungen zur Steuerung erfasst sowie eine Vorrichtung zur Steuerung einer Ein¬ schlagvorrichtung mit auf/abbeweglichem Meissel für die sich auf dem schmelzflüssigen Elektrolyten einer Schmelzfluss-Elektrolysezelle bildende Kruste, durch Detektion der Meissel/schmelzflüssiger Elektrolyt-Kontak- tierung mit einem elektrischen Messkreis, den Meissel als Messfühler umfassend, an welchem die Meissel/schmelz- flüssigerElektrolyt-Strecke als kontaktierungs-signifi- kantes Impedanzelement erscheint.
Stand der Technik
Für die Gewinnung von Aluminium durch Schmelzflusselek- trolyse von Aluminiumoxid wird dieses in einer Fluorid¬ schmelze gelöst, die zum grössten Teil aus Kryolith be¬ steht. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem Kohleboden der Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen Aluminiums die Kathode bildet. In die Schmelze tauchen von oben Anoden ein, die beim konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlen¬ stoff bestehen. An den Kohleanoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu C02 und CO verbindet. Die Elektrolyse findet in einem Tempera¬ turbereich von etwa 940 bis 970°C statt.
Im Laufe der Elektrolyse wird also das Aluminiumoxid bzw. die Tonerde im Elektrolyten verbraucht. Bei einer unteren Konzentration von etwa 1 - 2 Gew.-% Tonerde im Elektrolyten kommt es zum Anodeneffekt, der sich in einer Erhöhung der Spannung von beispielsweise 4 - 5 V auf 30 V und darüber auswirkt. Die Zelle wird deshalb im normalen Betrieb üblicherweise periodisch bedient, auch wenn kein Anodeneffekt auftritt. Zusätzlich muss bei je¬ dem Anodeneffekt die Tonerdekonzentration durch Zugabe von neuem Aluminiumoxid angehoben werden. Bei gekapsel- ten Elektrolysezellen ist eine maximale Zurückhaltung der Prozessgase gewährleistet, wenn die Bedienung in kurzen Zeitabständen automatisch erfolgt. Neben dem heute übli¬ chen, lokalen und kontinuierlichen "Point-feeder"-Prin- zip ist jedoch auch die nichtkontinuierliche Tonerdezu- fuhr über die ganze Zellenlängs- oder Zellenquerachse an¬ wendbar.
Die bekannten, auf den Elektrolysezellen angeordneten Vorratsbunker bzw. Tonerdesilos sind im allgemeinen in Form von Trichtern oder Behältern mit einem trich¬ terförmigen bzw. konisch auslaufenden Unterteil ausge¬ bildet. Der Inhalt der auf der Zelle angeordneten Si¬ los deckt meist einen ein- bis zweifachen Tagesbedarf, sie werden daher auch Tagessilos genannt. Die Spei¬ sung der Tagessilos erfolgt bis heute meist in einem geschlossenen Rohrsystem, vorzugsweise mittels Dicht¬ stromförderung aus der zentralen Tonerdeversorgung.
Die Tonerdezufuhr vom Tagessilo zu einem Durchbruch in der den schmelzflüssigen Elektrolyten überdecken¬ den Kruste erfolgt bei bekannten Vorrichtungen ü. li- cherweise durch das Oeffnen mindestens einer Klappe, die zwecks Chargierung geschwenkt wird, oder nach anderen Systemen mit Dosierschnecken, Dosierzylindern oder Dosiervolumen.
Nach anderen Tonerdezufuhrvorrichtungen wird auf Tagessilos auf den Elektrolysezellen verzichtet, die Dosiervorrichtungen befinden sich ausserhalb des Bereiches der Elektrolysezelle.
Bei der kontinuierlichen Tonerdezufuhr ist wesentlich, dass stets ein entsprechender Krustendurchbruch offen ist, damit die Tonerde portionenweise in den Elektro¬ lyten eingespeist werden kann. Bei modernen Elektrolyse- zellen sind daher stets Tonerdechargierung und Ein¬ schlagvorrichtung zum Brechen der Kruste örtlich und funktioneil miteinander kombiniert. Eine elektronische ProzessSteuerung löst vorerst das Absenken und Hoch¬ heben des Meisseis der Einschlagvorrichtung aus, un- mittelbar darauf erfolgt die Tonerdechargierung.
Durch einen mechanisch oder pneumatisch betätigbaren Endschalter wird die Senkbewegung des Meisseis be¬ endet und dessen Rückkehr in die Ruhelage ausgelöst. Dies hat zur Folge, dass der Meissel während einiger Zeit in den schmelzflüssigen Elektrolyten eingetaucht bleibt, verhältnismässig schnell korrodiert und vor¬ zeitig ersetzt werden muss, weiter bleibt Krustenma¬ terial am stark erhitzten Meissel kleben und muss abgestreift werden. Der Druckluftverbrauch ist ver¬ hältnismässig hoch.
Aus der FR-PS 2 483 965 ist nun ein Verfahren und eine Vor¬ richtung eingangs genannter Art bekannt. Dabei wird der Meissel als Messfühler in einem elektrischen Messkreis verwendet, der vom Meissel über ein Registriergerät auf die Kathode der Zelle führt. Taucht der Meissel in den schmelzflüssigen Elektrolyten ein, so erscheint am Regi¬ striergerät die durch den Elektrolyse-Gleichstrom zwischen schmelzflüssigem Elektrolyten und Zellkathode erzeugte Gleichspannung als Anzeige, dass der Meissel den schmelz- flüssigen Elektrolyten kontaktiert hat und als Steuerungs¬ kriterium.
Versuche haben nun ergeben, dass mit diesem Verfahren und der Vorrichtung keine befriedigenden Ergebnisse in- form eindeutiger Steuerkriterien erzielt werden. Dies kann u.a. wie folgt erklärt werden:
Die Anoden/Kathoden-Spannung, die oder deren Teil mit dem Verfahren gemäss dieser FR-PS abgegriffen wird, ist Schwankungen unterworfen. Bekannterweise werden nämlich derartige Schmelzfluss-Elektrolysezellen mit dem Elektro¬ lysestrom stromgespiesen, d.h. aus einer Stromquelle/ und es wird eine Mehrzahl derartiger Zellen in den Elek¬ trolysestrompfad seriegeschaltet. Deshalb stellen sich an den einzelnen Zellen die Anoden/Kathoden-Spannungen entsprechend den momentanen Stromdurchgangswiderständen zwischen Anoden und Kathoden ein und werden nicht durch starre Speisespannung konstant gehalten. Wie bereits oben erwähnt, kann deshalb die Anoden/Kathoden-Spannung insbesondere bei Auftreten von Anodeneffekten in grossen Bereichen schwanken. Derartige Schwankungen, generell unvoraussehbare, die Anoden/Kathoden-Spannung der Zelle beeinflussende Störgrössen, gehen bei Einsatz des bekann¬ ten Verfahrens in die Messung ein, denn nach diesem Ver¬ fahren erfolgt eine Spannungsmessung von Zellbetriebsgrös- sen.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden" Erfindung ist es, das Verfahren resp. die Vorrichtung eingangs genannter Art derart auszu- bilden, dass die obgenannten Nachteile behoben werden.
Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass man die Impedanz zwischen Meissel und schmelzflüssi¬ gem Elektrolyten mittels eines aktiven Impedanzmesskrei- ses erfasst.
Es wird somit in prinzipieller Abweichung vom Stand der Technik der Messkreis mit einer aktiven Signalquelle, einer Strom- oder Spannungs-Quelle,versehen und die Im- pedanz zwischen Meissel und schmelzflüssigem Elektrolyten durch Registrierung des sich ergebenden Strom- oder Span¬ nungs-Signals am Messkreis erfasst, das sich, mindestens in erster Linie, aus dem Schliessen des Messkreises durch Eintauchen des Meisseis in den schmelzflüssigen Elektroly- ten ergibt.
Dabei wird die Einschlagvorrichtung vorzugsweise so ange¬ steuert, dass,wenn die mittels des aktiven Impedanzmess¬ kreises gemessene Impedanz einen vorgegebenen Minimalwert erreicht, der Meissel hochgezogen wird.
Berücksichtigt man, dass einerseits zur Minimalhaltung der für die Einschlagvorrichtungen aufzuwendenden Energie an den einzelnen Elektrolysezellen einer Gesamtanlage die Einschlagvorrichtung mit möglichst geringer Ener¬ gie zu betreiben ist, die im Normallfall gerade ge¬ nügt, die Kruste zu durchschlagen, so wird vorgeschla- gen, dass man den Meissel mit vorgegebener Kraft ab¬ senkt, überwacht, ob innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne der Minimalwert erreicht wird, ansonsten die Absenkkraft erhöht.
Wird nämlich während der vorgegebenen Zeitspanne der Impedanz-Minimalwert als Indikation, dass der Meissel die Kruste durchschlagen hat, nicht erreicht, so wird dann die Betriebsenergie für die Einschlag- Vorrichtung erhöht, durch Anheben der Absenkkraft, um den Durchbruch zu erzwingen.
Im weiteren wird die Betriebssicherheit einer derartigen Einschlagvorrichtung dadurch erhöht, dass man die Zeit- spanne des Erreichens oder Unterschreitens des Minimal¬ wertes erfasst und bei Ueberschreiten einer vorgegebenen Maximalzeitspanne eine Anzeige erzeugt.
Ueberschreitet nämlich die Zeitspanne, während welcher der Meissel in den schmelzflüssigen Elektrolyten einge¬ taucht bleibt, die vorgegebene Maximalzeitspanne, so ist dies eine Indikation dafür, dass die Einschlagvorrichtung nicht ordnungsgemäss funktioniert.
Die Vorrichtung eingangs genannter Art ist erfindungs- gemäss so ausgebildet, dass der Messkreis mit kreiszuge¬ höriger, aktiver Quelle und Messeinrichtung ein Impe¬ danzmesskreis ist.
UM-fi Daraus ist ersichtlich, dass der Messkreis vom Meissel über aktive Quelle und Messeinrichtung mit einem den schmelzflüssigen -Elektrolyten vorzugsweise niederohmig, kontaktieren¬ den Anschluss verbunden sein muss. Wo dieser Anschlύss angeordnet ist, ist von sekundärer Bedeutung. Es ist somit möglich, diesen Anschlusspunkt unmittelbar beim Bereich anzuordnen, wo der Meissel in den schmelzflüssi¬ gen Elektrolyten eintaucht. Ist dieser Anschlusspunkt mit Bezug auf die Betriebsparameter der Zelle praktisch auf gleichem Potential, wie der Bereich, in welchem der Meissel in den schmelzflüssigen Elektrolyten eintaucht, so erscheint bei dessen Eintauchen vom Zellbetrieb her, zwischen Anschlusspunkt und Meissel, praktisch eine Null- Potentialdifferenz. In einem solchen Fall bleibt der Messkreis von den Betriebsparametern der Zelle unbeein- flusst, insbesondere von der Anoden/Kathoden-Spannung und es kann eine Gleichstrom-Impedanzmessung vorgenommen werden.
Um jedoch einerseits von Betriebsgrössen der Zelle, ander¬ seits von eingestreuten Störgrössen unabhängig zu sein, wird bevorzugterweise vorgeschlagen, dass die Quelle eine Wechselsignalquelle ist und somit eine Wechselsignal¬ impedanz gemessen.wird. Prinzipiell wird die erfasste Impedanz dann von den erwähnten Zellbetriebsgrossen und eingestreuten Störgrössen weitgehend unabhängig, wenn der ess- kreis einerseits über den Meissel, anderseits über einen niederohmig mit dem schmelzflüssigen Elektrolyten verbun¬ denen Anschluss geschlossen ist. Je niederohmiger zusätzlich zur Meissel-Elektrolytimpedanz vorgesehene Impedanzele¬ mente im Kreis, bei der vorgesehenen Kreisbetriebsfre- quenz sind, desto geringer werden die obge- nannten Einflüsse.
Obwohl es durchaus möglich ist, den Anschlusspunkt für den schmelzflüssigen Elektrolyten mit Bezug auf die Zel- le isoliert vorzusehen, d.h. den ganzen Messkreis be¬ züglich der Zelle fliegend anzuordnen, wird die Reali¬ sation dadurch vereinfacht, dass der Anschluss für den schmelzflüssigen Elektrolyten ein Anschlusspunkt der Zelle selber ist. Dies kann beispielsweise anöden- oder kathodenseitig sein. Wird mit einer Wechselsignalquelle eine Wechselstromimpedanz gemessen, so wird im weiteren vorgeschlagen, im Kreis DC-Entkopplungskondensatoren vorzusehen, die DC-mässig hochohmig Zellbetriebsgrössen vom Kreis entkoppeln, jedoch auf der verwendeten Mess- kreisbetriebsfrequenz als niederohmige Elemente wirken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen vertikalen Querschnitt durch eine Elektrolysezelle mit erfindungsgemässem Messkreis, mit Wechselsignalquelle,
Fig. 2 eine Darstellung analog zu Fig. 1 , mit erfindungs- gemässem Messkreis, in von Fig. 1 abweichender Anschlussart, grundsätzlich für Gleichstrom- oder Wechselstromimpedanzmessung, mit einem
Funktionsblockdiagramm der Einschlagvorrichtungs¬ steuerung. Beschreibung der Einzelfiguren
In den Figuren ist eine Stahlwanne 10 mit einer wegen der Uebersichtlichkeit nicht einzeln dargestellten Iso- lations- und Kohlenstoffschicht ausgekleidet, wobei der Kohlenstoffboden die in Zeilquerrichtung verlaufenden Kathodenbarren enthält.
Auf dem Kohlenstoffboden liegt eine Schicht von abgeschie¬ denem, flüssigen Aluminium 12, darauf eine Schicht von ge¬ schmolzenem Elektrolyten 14, mit ebenfalls nicht darge- stellter Kruste. In den schmelzflüssigen Elektrolyten 14 tauchen von oben Kohlenstoffanöden 16 ein, welche über Anodenstangen 18 an den Traversen 20 aufgehängt sind.
Die Zellenkapselung umfasst eine horizontale Abdeckung 22 und mobile schräge Abdeckplatten 24, welche gegen das Bord der Stahlwanne 10 elektrisch isoliert sind. Im anodischen Aufbau 26 ist die Einschlagvorrichtung 28 mit mindestens 5 kOh elektrisch isolierend befestigt. Diese Einschlagvor¬ richtung betätigt pneumatisch einen vertikal ab- und aufwärtsbewegbaren Meissel 30, welcher in Ruhestellung oberhalb der Kohlenstoffanöden 16 eingezeichnet ist. Gestrichelt ist die unterste Arbeitsposition des Meisseis eingezeichnet, der in den schmelzflüssigen Elektrolyten eintaucht, den elektrischen Messkreis, in Fig. 1 einen Wechselstromkreis, schliesst und im nächsten Moment wie¬ der in die Ruhestellung gehoben wird.
Der gemäss Fig. 1 an der Deckfläche der Einschlagvorrich¬ tung 28 und an der Stahlwanne 10 der Elektrolysezelle, d.h. einem Punkt 38 mit kathodischem Zellenpotential, elektrisch leitend angeschlossene Wechselstromkreis wird von einer Wechselspannungsquelle 32 gespeist,
r υ-M« welche eine Wechselspannung von 24 V erzeugt. Das elek¬ tronische Relais 34 isst das in Abhängigkeit der Kreis¬ impedanz resultierende Wechselstromsignal und sendet ein entsprechendes Signal zur elektronischen Prozesssteuerung 36. Zwei Entkopplungs-Kondensatoren 40 im Wechselstr nkreis bewirken die DC-Potentialtrennung zwischen der Elektrolysezelle und der elektronischen Prozesssteuerung resp. dem Relais 34.
Gemäss Fig. 2 ist der eine Anschluss 42 des generell mit 44 bezeichneten Messkreises mit dem Meissel 30 ver¬ bunden, der andere Anschluss 46 mit einem der Anoden¬ bäume 18. Der Messkreis 44 umfasst generell eine aktive Signalquelle 48, einen Signalgenerator für DC- oder vor¬ zugsweise AC-Signale und eine Messeinrichtung 50, zur Impedanzmessung eine Strom- oder Spannungs-Messeinrich- tung. Wie anhand von Fig. 1 beschrieben worden ist, wird bevorzugterweise die Einschlagvorrichtung nach Massgabe des Iinpedanzmessignals, vorzugsweise über eine Prozess¬ steuerung, angesteuert. In Fig. 2 ist nun mit Funktions- blocken dargestellt, wie die wesentlichen Funktionen der Steuerung realisiert werden können, in einem eigens dafür geschaffenen Aufbau, wobei in den meisten Fällen, wie erwähnt, der Einsatz einer ohnehin vorgesehenen Pro¬ zesssteuerung angezeigt sein wird. Gemäss Fig. 2 wirkt f'er Ausgang A der Messeinrichtung 50 auf den einen -ingang einer Komparatoreinheit 52, an deren zweitem Eing: .g eine Referenzsignalquelle 54, vorzugsweise ein- ste--.Dar, zugeschaltet ist. Die Komparatoreinheit 52 gibt nur dann ein Signal mit hohem Pegel ab, wenn das Ausgangssignal der Messeinrichtung 50 den mit der Quel¬ le 54 eingestellten Schaltwert unterschreitet. Ist das Ausgangssignal der Messeinrichtung 50 proportional zur Kreisimpedanz, d.h. zur Impedanz zwischen Meissel 30 und Anoάenbaum 18, so erscheint am Ausgang der Kom¬ paratoreinheit 52 somit nur dann ein Signal mit hohem Pegel, wenn die für das Kontaktieren vom Meissel und schmelz¬ flüssigem Elektrolyt signifikante Minimalimpedanz regi¬ striert wird. Ist dieser Kontakt erstellt, so wird eine bistabile Einheit, wie ein FLIP-FLOP 56, gesetzt. Die Einschlagvorrichtung 28 wird pneumatisch durch eine Steu- ereinheit 58 mit Steuereingängen d und u,entsprechend zur Ansteuerung der Absenkbewegung und Anhebbewegung, angesteuert. Für das Absenken des Meisseis 30 wird ein Startschalter S-, geschlossen und eine Steuerspannung U_ an den Absenkeingang d der Steuereinheit 58 angelegt, über einen dann in eingezeichneter Position stehenden Umschalter S2« Der Meissel wird abgesenkt und kontak¬ tiert schliesslich den schmelzflüssigen Elektrolyten. Durch Setzen des bistabilen Elementes 56 wird der Um¬ schalter S2 in die gestrichelt eingetragene Position umgelegt, was das Rückholen des Meisseis 30 über die
Steuereinheit 58 auslöst. Bei der Detektion des Meissel/ Elektrolyt-Kontaktes löst die aufsteigende Signalflanke am Ausgang des bistabilen Elementes 56 eine Zeitverzö¬ gerungsschaltung, beispielsweise einen monostabilen Multivibrator 59 mit einstellbarer Impulslänge τ aus, am' Ende des am Ausgang A59 erscheinenden Impulses wird über einen monostabilen Multivibrator 60 ein Impuls er¬ zeugt, der einem UND-Tor 62 zugeführt ist. Der zweite Eingang des UND-Tores 62 ist mit dem Ausgang der Kompa- ratoreinheit 52 verbunden. Somit wird der Ausgangsim¬ puls des monostabilen Multivibrators 60 nur dann am Aus¬ gang des UND-Tores 62 erscheinen, wenn der Meissel den schmelzflüssigen Elektrolyten dann kontaktiert. Erscheint dieser Impuls am Ausgang des UND-Tores 62, so besagt, dies, dass der Kontakt zwischen Meissel und Elektrolyt während der eingestellten Zeitspanne T. aufrechterhalten worden ist, also zulang, es wird eine bistabile Schaltung, wie ein FLIP-FLOP 64 gesetzt, was zu einer Anzeige an der Anzeigeeinrichtung 66 führt. Das FLIP-FLOP 64 wird rückgesetzt bei abfallender Flanke am Ausgang A__ der Komparatoreinheit 52, was anzeigt, dass der Kontakt zwi- sehen Meissel und Elektrolyt wieder unterbrochen worden ist, durch Rückholen des Meisseis.
Bei Auslösung der Absenkbewegung durch Schliessen des Schalters S1 wird im weiteren eine zweite Zeitverzö- gerungsSchaltung 68, wie ein monostabiler Multivibrator mit einstellbarer Ausgangsimpulslänge τ_ ausgelöst. Am Ende des am Ausgang AC Q der Einheit 68 erscheinenden Im- pulses der Länge τ_ wird über einen monostabilen Multi¬ vibrator 70 ein Impuls erzeugt. Dieser Impuls wird dem UND-Tor 72 zugeführt. Der Impuls am Ausgang des mono¬ stabilen Multivibrators 70 erscheint jedoch nur am Aus¬ gang des UND-Tores 72, wenn der zweite Eingang besagten Tores auf logisch '1' steht, was, mit dem Inverter 75, nur dann der Fall ist, wenn das Ausgangssignal des FLIP- FLOP's 56 anzeigt, dass der Kontakt zwischen Meissel und Elektrolyt nicht erstellt ist. Der Impuls am Ausgang des Tores 72 zeigt somit an, dass nach Auslösen der Absenk¬ bewegung des Meisseis, Abwarten der Zeitspanne τ , eine Kontaktierung zwischen Meissel und Elektrolyt noch immer nicht stattgefunden hat. Dies besagt, dass die Kruste nicht durchbrochen worden ist. Deshalb wird ΪA-
mit' dem dann am Ausgang des Tores 72 erscheinenden Im¬ puls eine bistabile Schaltung, das FLIP-FLOP 74, ge¬ setzt, dessen Ausgang auf den Steuereingang E_fi einer Kraftstelleinrichtung 76 wirkt, mit deren Hilfe die Druck- kraft resp. der Druck P, mit welchem der Meissel 30 nach unten getrieben wird, dann erhöht wird. Wird die Kruste durchbrochen, so wird das FLIP-FLOP 74 durch die auf¬ steigende Schaltflanke am Ausgang des FLIP-FLOP's 56 rück¬ gesetzt: Die Kruste ist durchbrochen. Das FLIP-FLOP 56 wird nach Durchlaufen des Rückholweges des Meisseis 30 durch einen nur schematisch dargestellten Endschalter Sp rückgesetzt, der Einschlagzyklus ist beendet. Es ver¬ steht sich dabei von selbst, dass bei erhöhter Druckkraft der Meissel vorzugsweise erst, mindestens teilweise rück- geholt wird, um darauf einen neuen Durchbrechungsversuch zu unternehmen. Die dafür vorzusehende Steuerung ist in Fig. 2 nicht eingetragen.
Ist das Ausgangssignal des FLIP-FLOP's 74 gesetzt, so wird eine weitere Zeitverzögerungseinheit, beispiels¬ weise ein monostabiler Multivibrator 78 mit einstellba¬ rer Impulslänge τ_ ausgelöst, an dessen Ende, über einen monostabilen Multivibrator 80, wiederum ein Impuls erzeugt wird. Am UND-Tor 82 erscheint der Ausgangsimpuls des mo- nostabilen Multivibrators 80 nur dann, wenn zur gleichen Zeit das FLIP-FLOP 74 noch immer gesetzt ist, d.h. immer noch mit erhöhter Meisselkraft gearbeitet wird. Dies be¬ sagt, dass der Meissel auch bei erhöhtem Druck nicht zum schmelzflüssigen Elektrolyten durchdringen konnte. Dieser Zustand wird über ein ODER-Tor 84 ebenfalls an Anzeige 66 zur Anzeige gebracht.
Die Absenkung des Meisseis wird somit von der im weitern als elektronischen Prozesssteuerung bezeichneten Steu- erung ausgelöst. Dies kann in einem zeitlich festgeleg- .5
ten Intervall durch Schliessen von S.. in Fig. 2, bei¬ spielsweise alle 1 bis 2 Minuten, nach instrumentellen -Analysenresultaten der Tonerdekonzentration im Schmelz- fluss oder nach andern automatisierten Parametern fest- gelegt werden.
Die bevorzugterweise eingesetzte Wechselspannungsquelle von Fig. 1 kann eine einstellbare Spannung abgeben, die vorzugsweise zwischen 20 und 40 V, insbesondere zwischen 20 und 25 V liegt. Der gesamte Widerstand des über den schmelzflüssigen Elektrolyten geschlossenen Wechselstrom¬ kreises ist hier derart ausgelegt, dass die Wechselspan¬ nungsquelle bei der eingestellten Spannung eine Strom¬ stärke von einigen Milli-Ampere abgibt.
Das in den Wechselstromkreis eingebaute elektronische Relais (Wandler) gibt das Signal an die üblicherweise ausserhalb der Elektrolysehalle angeordnete, zentrale elektronische Prozesssteuerung weiter.
Zwischen dem elektronischen Relais und der Einschlagvor¬ richtung sowie der Wechselstromquelle und dem Punkt mit kathodischem Zellenpotential ist, wie in Fig. 1 gezeigt, je ein Kondensator in den Wechselstromkreis eingebaut. Diese Kondensatoren bewirken die Potentialtrennung zwi¬ schen der Elektrolysezelle, gegebenenf lls auftretenden vagabundierenden Strömen und der elektronischen Prozess¬ steuerung.
Sämtliche Elemente des Messkreises befinden sich im Be¬ reich der Elektrolysezelle,jedoch ausserhalb der heissen, korrosiven Zone.
In bezug auf das Verfahren bewirkt die elektronische Prozesssteuerung mit einem Signal ein Absenken des Meis- sels in Arbeitsposition und - nachdem der Kontakt mit
CΛ__ dem Elektrolyten hergestellt ist - z.B. über das elek¬ tronische Relais,das unverzügliche Anheben des Meisseis in Ruhestellung oder - falls der Messkreis nicht inner¬ halb der festgelegten Zeitspanne τ nach dem Absenken des Meisseis geschlossen wird - dass der pneumatische bzw. hydraulische Druck P auf den Meissel vergrössert wird.
In Ruhestellung befindet sich der Meissel ausserhalb des Bereiches der Anodenkörper, einerseits wegen me- chanischen Einwirkungen beim Anodenwechsel, anderseits wegen der in Richtung des Krustendurchbruchs zunehmen¬ den Temperatur- und Korrosionseinwirkung.
Beim ersten Kontakt des in Arbeitsposition abgesenk- ten Meisseis 30 mit dem flüssigen Elektrolyten wird der Mesεkreis geschlossen und durch die elektronische Prozesssteuerung die sofortige Beendigung der Absenk¬ phase und das unmittelbar darauffolgende Anheben des Meisseis in die Ruhestellung eingeleitet. Ein im untersten Bereich bereits etwas abgenützter oder kor- rodierter Meissel wirkt sich in bezug auf das erfin- dungsgemässe Verfahren nicht nachteilig aus.
Gelangt der Meissel 30 beim normalen Absenken nicht in Kontakt mit schmelzflüssigem Elektrolyten, sondern nur mit erstarrtem Elektrolytmaterial, so wird der Messkreis nicht geschlossen. Nach einer festgelegten Zeitspanne τ , beispielsweise 5 - 10 sec nach dem Ab¬ senken, löst die elektronische Prozesssteuerung eine Druckerhöhung aus. Zweckmässig wird bei Normalbetrieb der Einschlagvorrichtung mit reduziertem Leitungsdruck von beispielsweise 3 - 4 bar gearbeitet. Bringt der Meissel mit diesem reduzierten Leitungsdruck nicht genügend Kraft auf, so bewirkt die elektronische Pro¬ zesssteuerung, dass auf den normalen Leitungsdruck von beispielsweise 7 - 8 bar umgeschaltet wird. Genügt dieser erhöhte Druck immer noch nicht zum Durchstossen der Kruste, so wird, falls nach einigen normalen Ar¬ beitszyklen der elektrische Kontakt im Wechselstrom¬ kreis nicht hergestellt werden kann, durch die elek¬ tronische Prozesssteuerung ein optisches und/oder aku- stisches Signal ausgelöst. Das Zellenbedienungsperso¬ nal kann dann die Störung beheben. Dasselbe Signal wird ausgelöst, wenn der Wechselstromkreis während einer den normalen Arbeitszyklus der Einschlagvorrich¬ tung übersteigenden Zeit τ . geschlossen bleibt, weil beispielsweise der Meissel verklemmt ist.
Bevorzugt gibt die Spannungsquelle von Fig. 1 eine Spannung zwischen 20 und 40 V,insbesondere 20 und 25 V, ab, wobei ein Wechselstrom von einigen Milli-Ampere fliesst, bei Kontakterstellung zwischen Meissel und Elektrolyt.
Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung und dem erfin- dungsgemässen Verfahren kann also nicht nur die Ton- erdechargierung kontrolliert werden, sondern beiläufig noch folgende Ueberwachungen durchgeführt werden:
- Defekt im Druckluftnetz
- Defekt der Isolation zwischen Einschlagvorrichtung und dem anodischen Teil der Elektrolysezelle.

Claims

- l6> - Patentansprüche:
1. Verfahren zur Steuerung einer Einschlagvorrichtung mit auf/abbeweglichem Meissel (30) für die sich auf dem schmelzflüssigen Elektrolyten (14) einer Schmelz¬ flusselektrolysezelle bildende Kruste, durch Detek- tion der Meissel/schmelzflüssiger Elektrolyt-Kontak- tierung, wobei man mit dem Meissel (30) als Mess¬ fühler in einem elektrischen Messkreis, durch Aen- derungen der Impedanz zwischen Meissel und schmelz¬ flüssigem Elektrolyten bewirkte Signaländerungen zur Steuerung erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass man die Impedanz zwischen Meissel (30) und schmelz¬ flüssigem Elektrolyten (14) mittels eines aktiven Impedanzmesskreises (38, 40, 32, 34) erfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man, wenn die Impedanz einen vorgegebenen Minimalwert erreicht, den Meissel (30) hochzieht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man den Meissel (30) mit vorgegebener Kraft absenkt, überwacht, ob innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne der Minimalwert erreicht wird, ansonsten die Absenk¬ kraft erhöht.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass man die Zeitspanne des Erreichens oder Unterschrei- tens des Minimalwertes erfasst, und bei Ueberschrei- ten einer vorgegebenen MaximalZeitspanne eine An¬ zeige erzeugt.
OMPI
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man das Erhöhen der Absenkkraft anzeigt.
6. Vorrichtung zur Steuerung einer Einschlagvorrichtung mit auf/abbeweglichem Meissel (30) für die sich auf dem schmelzflüssigen Elektrolyten (14) einer Schmelz¬ flusselektrolysezelle bildende Kruste durch Detektion der Meissel/schmelzflüssigen Elektrolyt-Kontaktierung mit einem elektrischen Messkreis, den Meissel (30) als Messfühler umfassend, an welchem die Meissel/ schmelzflüssige Elektrolyt-Strecke als kontaktierungs- signifikantes Impedanzelernent erscheint, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkreis mit kreiszugehöriger, aktiver Quelle (32) und Messeinrichtung (34) ein Impedanzmesskreis ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle eine Wechselsignalquelle (32) ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkreis einerseits über den Meissel (30) , an¬ derseits über einen niederohmig mit dem schmelzflüs¬ sigen Elektrolyten (14) verbundenen Anschluss (38) geschlossen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschluss ein Anschlusspunkt (38) der Zelle (12, 14, 16) ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle (32) über eine DC-Entkopplungs-Kondensa- toranordnung (40) angeschlossen ist.
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