EP0716165B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Temperatur und Badhöhe des geschmolzenen Elektrolyts in Aluminium-Schmelzflussöfen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Temperatur und Badhöhe des geschmolzenen Elektrolyts in Aluminium-Schmelzflussöfen Download PDF

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EP0716165B1
EP0716165B1 EP95420354A EP95420354A EP0716165B1 EP 0716165 B1 EP0716165 B1 EP 0716165B1 EP 95420354 A EP95420354 A EP 95420354A EP 95420354 A EP95420354 A EP 95420354A EP 0716165 B1 EP0716165 B1 EP 0716165B1
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crust
electrolyte
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measuring
level
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Benoít Sulmont
Pierre Homsi
Olivier Granacher
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Rio Tinto France SAS
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Aluminium Pechiney SA
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    • 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
    • C25C3/20—Automatic control or regulation of cells

Definitions

  • the invention relates to temperature and level measurements. electrolyte based on molten cryolite, in production tanks of aluminum by electrolysis of alumina dissolved in said cryolite as well as the application to the determination of the thickness of the bath of molten electrolysis in these same cells.
  • the volume of the electrolyte covering the layer of liquid aluminum at contact of the cathode at the bottom of the tank, or cathode substrate, must be sufficient to ensure rapid dissolution and distribution of alumina which is introduced at the top of the tank. He ... not must not however exceed a certain level beyond which it disturb the thermal equilibrium of the tank and cause corrosion of the steel logs to which the anodes are fixed and by therefore pollution by the iron of the aluminum produced or metal.
  • the electrolyte level should therefore be checked periodically. representative of its volume, i.e. the level of the interface air / electrolyte. This measure is also useful, in combination with the measurement of the level of the electrolyte / metal interface, to determine by difference the thickness of the electrolyte, i.e. the thickness of the bath molten electrolysis.
  • this method supposes a very great homogeneity of the electrolyte, but its resistivity varies locally and over time with its composition and in particular with the content of dissolved alumina. By elsewhere this method requires significant movements of the anode which can disturb the operation of the tank when this operation is too often repeated.
  • document EP 0288397 describes a process for controlling the solidified bath additions in an electrolysis tank consisting of periodically determine the thickness of the HB electrolyte which is compared to a HC setpoint and then adjusted accordingly. For get HB it is necessary in an intermediate step to measure the level of the bath relative to a fixed mark and this measurement is carried out by means of a probe associated with a level sensor and equipped with a chisel electrically connected to the cathode of the electrolysis tank. When the chisel pin comes into contact with the interface air / electrolyte there is a significant increase in the pointerolle / cathode potential difference. Regardless of whether this process does not give any operational details for this measurement intermediate level (frequency, accuracy and reliability) given in particular the disruptive effect of the solidified bath deposit on the probe, it does not in any way deal with the essential problem of measurement electrolyte temperature.
  • the invention also relates to the device suitable for setting up implements the process, namely the stitching and measurement device intended for measure, after piercing the surface solidified bath crust, the temperature and level of the electrolyte in a production tank of aluminum by electrolysis of alumina dissolved in the electrolyte, said device, integral but electrically isolated from the superstructure comprising means for pricking, or pricking, the crust, being characterized in that it is provided with means for measuring the temperature and of the level of the electrolyte constituted mainly by a probe cylindrical moving vertically along its major axis inside stitching means by performing automatically, according to a determined operating sequence, the periodic control of this temperature and this level, and that said stitching means ensure also the removal of the solidified bath deposit on the measurement probe.
  • the stitching and measurement device intended for measure, after piercing the surface solidified bath crust, the temperature and level of the electrolyte in a production tank of aluminum by electrolysis of alumina dissolved in the electrolyte
  • said device integral
  • the invention constitutes another improvement of the process according to EP 0288397 already analyzed in the prior art of the application.
  • thermocouple probes Due to the short life of immersed thermocouple probes in continuous in the electrolyte due to its very high aggressiveness, but also of the need to increase the frequency of temperature performed manually at the same time as the level measurement of electrolyte, led the applicant to study and to point an automatic temperature and level measurement process the electrolyte with a device suitable for its implementation after have found that temperature measurement at high frequency and with good accuracy is possible by intermittent immersion of a probe thermocouple in the electrolyte for a relatively short time does not not requiring the thermal equilibrium of the probe to be obtained with the electrolyte as soon as we can correctly extrapolate its end temperature rise.
  • the stitching and measuring device 1 is intended to measure after piercing of the bath crust 2 solidified the temperature and the level of the electrolyte 3 in contact with the carbon anodes 4 and above the sheet of liquid aluminum or metal 5 resting on the cathode substrate 6. It is integral but electrically isolated from the superstructure 7 of the tank and comprises stitching means 8 formed in their part lower by a hollow cylindrical pricker 9 actuated by at least one cylinder 10 driven by a vertical translational movement for drilling then maintain a passage opening in the crust allowing work of the means 11 for measuring the temperature and the level of electrolyte mainly constituted by a cylindrical probe 12.
  • the pricker 9 ensures at the same time, by scraping, the removal of the deposit 18 of solidified bath on the external surface of said probe.
  • the clearance between the pricker 9 and the probe 12, according to fig. 2a and fig. 2b, must be sufficient (0.5 to 20 mm radius) to allow their relative displacement without friction but do not must not be too large to avoid the progressive formation of a deposit too much solidified bath on the lower part of the probe 12.
  • a potentiometer 14 makes it possible to determine with precision the position of the probe in height while simultaneously a voltmeter 15 measures the potential difference between probe 12 and the substrate cathodic 6.
  • a level 16 sensor especially when the end bottom of the probe or pin 20 comes into contact with electrolyte 3, acquires the 2 signals on each descent and reassembly of the probe, calculates the level of the electrolyte / air interface which is transmitted to the command and control system 17.
  • the probe 12 consists of an external cylindrical sheath 22, by example in stainless steel, from 100 to 600 mm in length, from 7 to 100 mm of external diameter and whose wall thickness does not exceed 40 mm and is preferably between 2 and 10 mm to reduce losses thermal.
  • a thermocouple 21 in its sheath 19. This thermocouple is electrically connected to its upper part to the command and control system 17, which by extrapolation of the probe temperature determines the temperature of the electrolyte.
  • the immersion time of the probe in the electrolyte is about 950 ° C, corresponds to the time acquisition by the probe of at least the temperature of 850 ° C and preferably 920 ° C, plus the time required to obtain, from this temperature, with a very low heating rate of the probe, for example less than 3 ° C / second.
  • the probe When this threshold is reached, the probe is raised to its initial position and the successive values of temperature measured by the thermocouple 21 are transmitted to the command and regulation system 17 which determines, by extrapolation from the N different pairs of values (ti, Ti) temperature / time, the temperature Tb of the electrolyte.
  • the method and device according to the invention can also be adapted to measuring the level of the electrolyte / metal interface. Indeed so analogous you can record by pushing the probe into the sheet of metal a new potential variation between the substrate cathodic and the pointerolle of the probe when this crosses the electrolyte / metal interface. This variation results in a strong decrease in potential probe-metal / cathode difference compared to the previously recorded potential probe-electrolyte / cathode difference due to the significant decrease in resistance of the new medium.

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Claims (23)

  1. Verfahren zum Messen der Temperatur und der Höhe des Elektrolyseschmelzbades oder Elektrolyten in einer Aluminium-Schmelzflußzelle durch Elektrolyse nach dem Hall-Héroult-Verfahren von im Elektrolyten gelöstem Aluminiumoxid, welcher Elektrolyt mit den Kohleanoden in Kontakt steht und auf der Flüssigmetallschicht liegt, die auf dem Kathodensubstrat gebildet ist, und dessen mit der Luft in Kontakt stehende Oberfläche im oberen Bereich der Zelle mit einer erstarrten Badkruste bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer geeigneten Vorrichtung, die fest mit dem Oberbau der Zelle verbunden, aber elektrisch davon isoliert ist, und die insbesondere mit Mitteln zum Abstich der erstarrten Badkruste, oder Abstichstangen, und mit Mitteln zum Messen der Temperatur und der Höhe des Elektrolyten versehen ist, folgende Arbeitsgänge in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden :
    a) Abstich der erstarrten Badkruste und durch die so erzeugte Öffnung hindurch genügend tiefes Eintauchen des Endes eines Temperaturfühlers in den Elektrolyten, bis eine Temperatur von mindestens 850°C und vorzugsweise 920°C erfaßt ist, wobei dann ab dieser Temperatur und während einer kürzeren Dauer als die Dauer zur Herstellung des thermischen Gleichgewichtes zwischen Fühler und Elektrolyten der Fühler im Tauchbad verbleibt,
    b) Herausziehen des Fühlers und Ermittlung der Temperatur des Elektrolyten nach einem vorbestimmten Rechenprogramm durch Extrapolieren der Temperaturwerte, die vom Fühler oberhalb von 850°C und vorzugsweise 920°C erfaßt wurden,
    c) nach eventueller Freilegung der vorher erzeugten Öffnung zum Durchführen des Fühlers und nach Beseitigung des erstarrten Badniederschlages auf dem Fühler : Messen der Badhöhe des Elektrolyten in der Zelle ab einem Referenzpunkt durch Aufzeichnung der Potentialänderung zwischen dem kathodischen Substrat und dem Fühler, dessen Position durch ein Potentiometer festgelegt wird und dessen Potential sich schlagartig erhöht, sobald das untere Ende des Fühlers, oder die Spitze, mit dem Elektrolyten in Kontakt kommt,
    d) Hochziehen des Fühlers und Berechnung der Badhöhe des Elektrolyten durch den Fühler nach Erfassung der Signale Potential/Position der Fühlerspitze.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsgänge zum Messen der Temperatur und der Badhöhe des Elektrolyten in regelmäßigen Abständen von 30 Minuten bis 48 Stunden durchgeführt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweildauer des Fühlers im Elektrolyten oberhalb von 850°C und vorzugsweise 920°C durch die Ausgangsbedingung des Fühlers definiert ist, bei der es sich um eine Temperaturanstiegsgeschwindigkeit handelt, die unter einem vorbestimmten Grenzwert liegt, vorzugsweise 0,1 bis 10°C pro Sekunde.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler bei einer Temperaturmessung während einer Gesamtdauer von 30 Sekunden bis 30 Minuten in den Elektrolyten getaucht wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Fühlers mindestens 1 cm und vorzugsweise 8 bis 16 cm tief in den Elektrolyten getaucht wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erstarrte Badniederschlag auf der Außenfläche des Fühlers regelmäßig mit Hilfe der Abstichstange unter vertikaler Translationsbewegung abgelöst wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlerende oder die Fühlerspitze bei jeder Messung der Badhöhe während einer vorzugsweise 20 Sekunden nicht überschreitenden Dauer in den Elektrolyten getaucht wird.
  8. Abstich- und Meßvorrichtung (1), die dazu bestimmt ist, nach Abstich der Kruste (2) auf der Oberfläche des erstarrten Bades die Temperatur und die Badhöhe des Elektrolyten (3) in einer Aluminium-Schmelzflußzelle durch Elektrolyse von im Elektrolyten gelöstem Aluminiumoxid zu messen, wobei die Vorrichtung, die fest mit dem Oberbau (7) der Zelle verbunden, aber elektrisch davon isoliert ist, Mittel zum Abstich der Kruste oder Abstichstangen (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Mitteln (11) zum Messen der Temperatur und der Badhöhe des Elektrolyten (3) versehen ist, die im wesentlichen aus einem zylinderförmigen Fühler (12) bestehen, welcher sich entlang seiner Hauptachse innerhalb der Abstichmittel (8) vertikal bewegt und dabei diese Temperatur und Badhöhe gemäß einem bestimmten Arbeitsablauf automatisch prüft, und daß die Abstichmittel gleichzeitig die Beseitigung des erstarrten Badniederschlages (18) auf dem Meßfühler gewährleisten.
  9. Abstich- und Meßvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstichmittel (8) in ihrem unteren Bereich durch eine hohlzylinderförmige Abstichstange (9) gebildet sind, welche von mindestens einem Abstichzylinder (10) betätigt wird und eine vertikale Translationsbewegung ausführt.
  10. Abstich- und Meßvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (11) zum Messen der Temperatur und der Badhöhe des Elektrolyten im wesentlichen aus einem innerhalb der Abstichstange (9) beweglichen zylinderförmigen Fühler (12) bestehen, dessen vertikale Bewegung koaxial zur Abstichstangenachse durch einen Meßzylinder (13) gewährleistet ist.
  11. Abstich- und Meßvorrichtung nach Anspruch 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Potentiometer (14) fest am Schaft des Zylinders (13) befestigt ist, um die Position des Fühlers (12) festzulegen.
  12. Abstich- und Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Voltmeter (15) die Potentialdifferenz zwischen dem Fühler (12) und dem Kathodensubstrat (6) mißt.
  13. Abstich- und Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 10, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Voltmeter (15) und dem Potentiometer elektrisch verbundener Füllstandssensor (16) die Erfassung der Signale Potential/Position des Fühlers vornimmt und bei jeder Abwärts- und Aufwärtsbewegung des Fühlers die Grenzflächenhöhe zwischen Luft und Elektrolyten oder die Höhe des Elektrolyten ermittelt.
  14. Abstich- und Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 10, 11, 12, 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (12) aus einer zylinderförmigen Außenummantelung (22) mit einer Länge von 100 bis 600 mm, einem Außendurchmesser von 7 bis 100 mm und einer Wanddicke von weniger als 40 mm besteht.
  15. Abstich- und Meßvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zylinderförmige Außenummantelung (22) des Fühlers (12) eine Wanddicke von vorzugsweise 2 bis 10 mm besitzt.
  16. Abstich- und Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 10, 11, 12, 13, 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zylinderförmige Ummantelung (22) in ihrer Hülse (19) ein Thermoelement (21) enthält, welches in seinem oberen Bereich mit dem Steuer- und Regelsystem (17) elektrisch verbunden ist.
  17. Abstich- und Meßvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Spielraum zwischen der Abstichstange (9) und dem zylinderförmigen Fühler (12) im Radius 0,5 bis 20 mm beträgt.
  18. Abstich- und Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßzylinder (13) mittig angeordnet ist und vorzugsweise einen durchdringenden Schaft aufweist.
  19. Abstich- und Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßzylinder (13) außermittig und der einzige Abstichzylinder (10) mittig angeordnet ist.
  20. Abstich- und Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen einzigen Mehrzweckzylinder (13 oder 10) zum Messen und Abstechen aufweist.
  21. Abstich- und Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßzylinder (13) mittig angeordnet ist und die Abstichmittel (8) zum Erzeugen einer Öffnung in der Kruste (2) durch einen festhaftenden Dauerschutz (9') gebildet sind.
  22. Anwendung des Verfahrens zum Messen der Badhöhe des Elektrolyten nach Anspruch 1 bis 7 auf das Messen der Flüssigmetallhöhe in der Elektrolysezelle.
  23. Anwendung des Verfahrens zum Messen der Badhöhe des Elektrolyten und des Metalls nach Anspruch 1 bis 7 und 22 auf die Dickenbestimmung des Elektrolyten durch Differenzbildung zwischen der gemessenen Höhe des Elektrolyten und der gemessenen Höhe des Metalls.
EP95420354A 1994-12-09 1995-12-07 Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Temperatur und Badhöhe des geschmolzenen Elektrolyts in Aluminium-Schmelzflussöfen Expired - Lifetime EP0716165B1 (de)

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