EP1344847A1 - Regulating of aluminium electrolysis cells - Google Patents
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- EP1344847A1 EP1344847A1 EP01811170A EP01811170A EP1344847A1 EP 1344847 A1 EP1344847 A1 EP 1344847A1 EP 01811170 A EP01811170 A EP 01811170A EP 01811170 A EP01811170 A EP 01811170A EP 1344847 A1 EP1344847 A1 EP 1344847A1
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- European Patent Office
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- predetermined
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- electrolysis
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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
- C25C3/20—Automatic control or regulation of cells
Definitions
- the invention relates to a method for automatically regulating the bath of an electrolytic cell for the production of aluminum from aluminum oxide dissolved in a cryolite melt.
- the technical production of primary or smelter aluminum usually takes place by melt flow electrolysis of aluminum oxide in an electrolyte essentially consisting of a cryolite melt (Na 3 AlF 6 ).
- the electrolyte or the bath is located in a steel liner lined with carbon, the carbon serving as the cathode.
- a variety of vertically movable carbon anodes are attached above the tub.
- the electrolysis decomposes the aluminum oxide into aluminum and oxygen, so that the aluminum oxide has to be continuously introduced into the electrolyte as a raw material.
- a DC voltage of typically 2-5 V is applied between the anode and cathode.
- the specific electrical conductivity of cryolite at 1000 ° C is 2.8 ⁇ 0.02 ⁇ -1 . cm -1 .
- the conductivity drops, which is why the Al 2 O 3 content in the melt is expediently set as low as possible, for example less than 4% by weight.
- Approximately 40% of the electrical energy is converted into heat as a result of the electrical resistance in the bathroom and enables the working temperature of the electrolyte to be maintained.
- the other part of the electrical energy causes the actual electrolysis, i.e. the deposition of the aluminum on the cathode and the oxygen on the anode.
- the aluminum collects at the bottom of the tub in a metal bath.
- the oxygen reacts with the carbon to form carbon monoxide and carbon dioxide, so that the anode burns off and is used up after a few weeks.
- a solid crust of cryolite and alumina forms, which must be pierced to add more alumina.
- the melt flow electrolysis of the aluminum oxide (alumina) can be carried out at temperatures of approximately 940 ° C. to 980 ° C. with the addition of further melting agents.
- the cryolite melt contains - in addition to the aluminum oxide - substances which lower the melting point, such as, for example, AlF 3 , LiF, CaF 2 and / or MgP 2 .
- the addition of AlF 3 can lower the liquidus line of the ternary system cryolite / Al 2 O 3 / AlF 3 with a quadratic relationship, with an addition of, for example, 10% by weight AlF 3, a decrease in the eutectic melting temperature by about 25 ° C causes. Because of the dependence of the eutectic melting temperature on the AlF 3 concentration, it is obvious to work with high AlF 3 concentrations.
- the addition of AlF 3 reduces the specific electrical conductivity of the electrolyte, ie the electrical bath resistance is increased.
- the specific electrical conductivity of the electrolyte and the electrode spacing determine the cell voltage. Since the electrolysis cells are driven at constant current, the addition of AlF 3 thus increases the electrolyte temperature, the electrolyte temperature increasing compared to the eutectic melting temperature, reducing the efficiency of the electrolysis cell and thus increasing the energy required to produce 1 kg of aluminum.
- a high excess of AlF 3 is preferred. This excess is expressed as a molar or weight ratio of NaF to AlF 3 including the cryolite or as a percentage of the excess free AlF 3 .
- the second variant is selected below.
- an excess proportion of AlF 3 of more than 10% by weight is usually used.
- a high AlF 3 content in the electrolyte generally causes an unstable electrolyte temperature, which reduces the current efficiency, ie the efficiency, and the service life of the electrolytic cell.
- EP-B1 0 455 590 describes a method for regulating an AlF 3 content in the bath of an electrolysis cell for aluminum production which is at least 10% by weight, in which, based on an analysis of the state of the aluminum electrolysis cell, the optimal time shift between the addition of AlF 3 and its effect in the electrolyte are determined and the addition of AlF 3 is calculated taking into account a specific AlF 3 content in consideration of the time shift and is added to the electrolyte.
- the measurement of the AlF 3 content in a stationary state of the electrolytic cell can be replaced by a temperature measurement.
- a substantially linear relationship between AlF 3 concentration and electrolyte temperature applies in a range of ⁇ 10 ° C around the temperature setpoint.
- the present invention is based on the object of a known state of the art the technology with regard to efficiency improved method for automatic Specify regulation of an aluminum electrolysis cell.
- this object is achieved in that the efficiency of the aluminum electrolysis is optimized by analyzing the individual state of the electrolytic cell from a series of measured values comprising several parameters at certain intervals and, based on the current state and taking into account the earlier states, that of the further electrolysis process optimum electrolyte temperature and the optimal AlF3 excess concentration can be regulated by calculating and appropriately setting the electrolysis target voltage and AlF 3 feed rate required for the further electrolysis process.
- the process according to the invention thus solves the problem of controlling the electrolyte temperature and the AlF 3 excess concentration in an aluminum electrolysis cell, according to which the AlF 3 concentration in the electrolyte has a direct influence on the electrolyte temperature, and both process parameters affect the current yield and thus the energy consumption per kilogram of aluminum produced bein influence.
- the term “optimal” relates to the best possible electrolyte temperature or AlF 3 excess concentration for a given electrolytic cell, which economically yield the highest possible efficiency.
- the individual condition of the electrolytic cell at a specific point in time is determined by analyzing a series of measured values comprising several parameters. These include, for example, the electrolyte or bath temperature, the bath composition, the set electrolysis voltage, the schedule for changing the anode, etc. Based on these measured values for the current state of the electrolytic cell and taking into account the previous states, the method according to the invention is used to achieve the desired course the electrolyte temperature and the AlF 3 excess concentration required electrolysis target voltage and the AlF 3 supply rate are calculated and regulated accordingly.
- the method according to the invention permits the automatic regulation of the electrolyte temperature and the AlF3 excess concentration in the bath of an electrolysis cell for the production of aluminum from aluminum oxide dissolved in a cryolite melt, while at the same time minimizing the fluctuations in the AlF 3 content and the electrolyte temperature, the AlF 3 concentration being regulated without the inclusion of neutralizing additives, such as, for example, soda or sodium fluoride.
- neutralizing additives such as, for example, soda or sodium fluoride.
- the above procedure for calculating and regulating the AlF 3 supply applies only to the normal working cell. Accordingly, it must be checked in every period n whether the cell is operating normally, ie whether the electrolysis cell is in a normal state within the specified parameter limit values during the period n. If an abnormal condition is found, the operator changes the condition of the electrolytic cell until a normal condition of the electrolytic cell is reached. Only after a normal state has been reached is the calculation and addition of AlF 3 continued in accordance with the process steps a) to h) described above.
- the parameters k T , k C , k L and k Trend are characteristic parameters for a given electrolysis cell, which depend among other things on the size of the cell, the amount of electrolyte, the current strength and the desired correction speed of any AlF 3 and electrolyte temperature fluctuations.
- the corresponding parameter values can be determined by statistical analyzes of the dependencies of the temperature values T n and the AlF 3 excess concentration on the amount of AlF 3 supplied and on the respective changes in the electrolysis voltage.
- the time interval ⁇ t in the sense of (i) expediently denotes the time period between the last and the penultimate temperature measurement, with ⁇ t preferably about one Day lasts.
- the electrical bath resistance in the sense of (ii) typically applies as stable when the electrical bath resistance noise has a value of 0.5 ⁇ during 30 minutes a day.
- the state of the electrolysis cell must be changed by an operator until all conditions (i) to (iv) are met.
- the method according to the invention can then be used again.
- the time-delayed effect after adding AlF3 can be taken into account in accordance with the method described in EP-B1 0 455 590. If the electrolyte is in a non-normal state in which the electrolyte is oversaturated with AlF 3 , a neutralizing agent such as soda or NaF can be added. Furthermore, the electrolysis voltage can also be adjusted to set a normal state.
- the parameters for the daily standard addition F 0 (t) to compensate for the daily AlF 3 loss on the electrolyte the approximate knowledge of the mean AlF require 3 -Bedarfes per unit time at a stationary operating electrolytic cell at the setpoint T set lying electrolyte temperature and may be prepared by preliminary tests or determined by the known daily additions of AlF 3 during the previous electrolysis process.
- the standard addition depends on the cell age.
- F 0 (t) k a - k b exp (-t / ⁇ )
- T denotes the cell age in days and ⁇ a predetermined time constant, the value of which is between 150 and 350 days.
- k a and k b denote constants, the value of which depend on the nominal current, the geometric dimensions of the electrolysis cell and the cathode, and on the sodium fluoride and sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) content of the aluminum oxide.
- the constant k a for an electrolysis cell with a nominal current of 130 KA is between 13 and 17 kg AlF 3 / day, the corresponding value for the constant k b typically being between 20 and 25 kg AlF 3 / day.
- the nominal current denotes the highest, permanently possible current strength of the electrolytic cell.
- the electrolyte nominal temperature T nom, or the setpoint of the AlF 3 content to C is predetermined by preliminary tests based on empirical values or by determining an optimum value due.
- the desired temperature and the desired value of the AlF 3 content C should clearly predetermined.
- the target temperature T target is also clearly specified. Accordingly, the specification for the AlF 3 C -Sollwert directed to after regarded as optimal electrolyte nominal temperature T nom. This can be obtained, for example, with approximately 12% by weight of AlF 3 .
- the setpoint temperature can be given anew during the process due to changes in the electrolysis parameters. Usually, however, a constant target temperature T target is preferred over the entire life of an electrolytic cell.
- the setpoint temperature T set is preferably at least 950 ° C and at most 975 ° C.
- T target is very preferably in the range 960 ⁇ 3 ° C.
- the target value C to the percentage of free AlF 3 in the electrolyte is preferably at least 10 wt .-% and at most 13 wt .-%. More preferably is C to at 12 ⁇ 0.2 wt .-%.
- the current electrolyte temperature T n during the period n can be determined in different ways and at different locations of the electrolytic cell.
- the electrolyte temperature can be determined by direct temperature measurement in the electrolyte. Because of the short-term fluctuations, however, a temperature measurement in the trough, in particular in the side walls of the electrolysis cell, or in the liquid aluminum on the trough bottom is preferred.
- the current is usually supplied to the cathode by means of steel carriers inserted into the carbon steel-lined steel trough, so that the temperature measurement can be carried out particularly preferably by means of temperature measuring devices inserted into recesses in the steel carrier.
- the current T n value can be measured continuously or at predetermined time intervals.
- the current C n value is expediently measured at predetermined time intervals.
- the measurement in predetermined time intervals is preferred for the determination of both values, ie for the T n and C n values, an interval of 24 hours being generally sufficient for stable process control.
- the C n and T n values are measured simultaneously.
- the constant k T required to calculate F n is in the range from 0.4 to 1.3 kg AlF 3 / ° C and in particular 0.73 ⁇ 0.02 kg AlF 3 / ° C.
- the constant k C also required for the calculation of F n is in the range of 2.5 to 7.0 kg AlF 3 / ° C and in particular 4.4 ⁇ 0.1 kg AlF 3 / ° C.
- the constant k L required to calculate F n in the absence of a certain C n value within certain predetermined limits is in the range from 0.9 to 2.5 kg AlF 3 / ° C and in particular 1.46 ⁇ 0.04 kg AlF 3 / ° C ,
- the deviation ⁇ U specified for condition (i) for calculating F trend is preferably between 0 and 0.2 V and in particular in the range 100 ⁇ 5 mV.
- the standard voltage U s is predetermined and can correspond to the value of the electrolysis target voltage.
- the predetermined maximum value C max for the AlF 3 content in the electrolyte is preferably in the range from 14 to 17% by weight and is particularly preferably 16% by weight.
- the AlF 3 required for the method according to the invention is supplied, for example, in portions at certain time intervals.
- the AlF 3 supply can be adjusted by adjusting the amount of AlF 3 supplied at intervals and / or by changing the time interval.
- AlF 3 can also be supplied continuously by means of a metering device, preferably by means of a program-controlled metering device.
- the measurement of the T n and C n values at intervals of several hours is usually sufficient to carry out a stable electrolysis. In general, a daily measurement of the T n and C n values and a corresponding adjustment of the AlF 3 supply rate is sufficient.
- the upper limit value A o for the AlF 3 feed rate A n + 1 is in the range from 20 to 60 kg AlF 3 / day, preferably between 30 and 35 kg AlF 3 / day and in particular in the range 33 ⁇ 1 kg AlF 3 / day.
- Another example of an electrolysis cell with a nominal current of 130 kA is the lower limit value A U for the AlF 3 feed rate A n + 1 in the range from 0 to 20 kg AlF 3 / day, preferably 0 to 7 kg AlF 3 / day and in particular in the range 3 ⁇ 0.5 kg AlF 3 / day.
- the temperature limit values T u , T M and To as well as the voltage increase and voltage reduction values ⁇ U E and ⁇ U A are specified based on the properties of the electrolysis cell, such as the size of the cell, the amount of electrolyte, the nominal current and the desired correction speed of any AlF 3 and electrolyte temperature fluctuations ,
- the lower temperature limit value T U is preferably in the temperature range from 945 to 954 ° C. and in particular 950 ⁇ 0.5 ° C.
- the mean temperature limit T M is preferably in the temperature range from 955 to 964 ° C. and in particular 955 ⁇ 0.5 ° C.
- the upper temperature limit To is preferably in the temperature range from 965 to 985 ° C and in particular at 975 ⁇ 0.5 ° C.
- the voltage increase value ⁇ U E is expediently in the range from 0 to 170 mV and preferably at 120 ⁇ 2 mV.
- the voltage reduction value ⁇ U A is expediently in the range from 0 to 80 mV and preferably 60 ⁇ 2 mV.
- the time intervals ⁇ t U, 1 and ⁇ t U, 2 are specified based on the properties of the electrolytic cell.
- the time period ⁇ t U, 1 is preferably between 35 and 50 hours and is very preferably 40 hours.
- the time period ⁇ t U, 2 is preferably between 15 and 25 hours and is very preferably 20 hours.
- the time intervals n and k ie the time interval for the determination of the AlF 3 supply rate A n + 1 and the time interval k for the determination of the future electrolysis target voltage U, can be the same length or different.
- the time intervals k of length ⁇ t k (k is a natural number; ⁇ t k describes the duration in hours) can be of different lengths.
- the interval length ⁇ t k can correspond to the value ⁇ t U, 1 and / or ⁇ t U, 2 .
- the time intervals n of the length ⁇ t n are expediently, but not necessarily, of the same length.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Regulierung des Bades einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium aus in einer Kryolithschmelze gelöstem Aluminiumoxid.The invention relates to a method for automatically regulating the bath of an electrolytic cell for the production of aluminum from aluminum oxide dissolved in a cryolite melt.
Die technische Erzeugung von Primär- oder Hüttenaluminium geschieht üblicherweise durch eine Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid in einem im Wesentlichen aus einer Kryolithschmelze (Na3AlF6) bestehenden Elektrolyten. Der Elektrolyt oder das Bad befindet sich dabei in einer mit Kohlenstoff ausgekleideten Stahlwanne, wobei der Kohlenstoff als Kathode dient. Über der Wanne ist eine Vielzahl von vertikal beweglichen Kohlenstoff-Anoden angebracht. Die Elektrolyse zersetzt das Aluminiumoxid in Aluminium und Sauerstoff, so dass das Aluminiumoxid ständig als Rohstoff in den Elektrolyten eingebracht werden muss.The technical production of primary or smelter aluminum usually takes place by melt flow electrolysis of aluminum oxide in an electrolyte essentially consisting of a cryolite melt (Na 3 AlF 6 ). The electrolyte or the bath is located in a steel liner lined with carbon, the carbon serving as the cathode. A variety of vertically movable carbon anodes are attached above the tub. The electrolysis decomposes the aluminum oxide into aluminum and oxygen, so that the aluminum oxide has to be continuously introduced into the electrolyte as a raw material.
Zwischen Anode und Kathode wird eine Gleichspannung von typischerweise 2-5 V angelegt. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit von Kryolith bei 1000 °C beträgt 2.8 ± 0.02 Ω-1. cm-1. Bei Zugabe von Al2O3 sinkt die Leitfähigkeit ab, weshalb der Al2O3-Gehalt in der Schmelze zweckmässigerweise möglichst niedrig, d.h. beispielsweise kleiner als 4 Gew.%, eingestellt wird. Ungefähr 40 % der elektrischen Energie wird infolge des elektrischen Widerstandes im Bad in Wärme umgesetzt und ermöglicht die Aufrechterhaltung der Arbeitstemperatur des Elektrolyten. Der andere Teil der elektrischen Energie bewirkt die eigentliche Elektrolyse, also die Abscheidung des Aluminiums an der Kathode und des Sauerstoffs an der Anode. Da das flüssige Aluminium bei der Arbeitstemperatur mit einer Dichte von 2.3 g/cm3 spezifisch schwerer ist als der Kryolith mit einer Dichte von ca. 2.1 g/cm3, sammelt sich das Aluminium am Boden der Wanne zu einem Metallbad. Der Sauerstoff reagiert mit dem Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, so dass die Anode abbrennt und nach ein paar Wochen verbraucht ist. An der Oberseite des Bades bildet sich eine feste Kruste aus Kryolith und Tonerde, welche jeweils zum Nachdosieren der Tonerde durchstossen werden muss.A DC voltage of typically 2-5 V is applied between the anode and cathode. The specific electrical conductivity of cryolite at 1000 ° C is 2.8 ± 0.02 Ω -1 . cm -1 . When Al 2 O 3 is added , the conductivity drops, which is why the Al 2 O 3 content in the melt is expediently set as low as possible, for example less than 4% by weight. Approximately 40% of the electrical energy is converted into heat as a result of the electrical resistance in the bathroom and enables the working temperature of the electrolyte to be maintained. The other part of the electrical energy causes the actual electrolysis, i.e. the deposition of the aluminum on the cathode and the oxygen on the anode. Since the liquid aluminum at the working temperature with a density of 2.3 g / cm 3 is specifically heavier than the cryolite with a density of approx. 2.1 g / cm 3 , the aluminum collects at the bottom of the tub in a metal bath. The oxygen reacts with the carbon to form carbon monoxide and carbon dioxide, so that the anode burns off and is used up after a few weeks. At the top of the bath, a solid crust of cryolite and alumina forms, which must be pierced to add more alumina.
Aufgrund der Löslichkeit des Aluminiumoxids in geschmolzenem Kryolith kann die Schmelzflusselektrolyse des Aluminiumoxids (Tonerde) bei Zugabe von weiteren Schmelzmitteln bei Temperaturen von etwa 940 °C bis 980 °C durchgeführt werden. Als weitere Schmelzmittel enthält die Kryolitschmelze - neben dem Aluminiumoxid - den Schmelzpunkt erniedrigende Substanzen, wie beispielsweise AlF3, LiF, CaF2 und/oder MgP2. Dabei kann durch die Zugabe von AlF3 die Liquiduslinie des ternären Systems Kryolith/Al2O3/AlF3 mit einer quadratischen Beziehung erniedrigt werden, wobei eine Zugabe von beispielsweise 10 Gew.-% AlF3 eine Erniedrigung der eutektischen Schmelztemperatur um etwa 25 °C bewirkt. Wegen dieser Abhängigkeit der eutektischen Schmelztemperatur von der AlF3-Konzentration ist das Bestreben naheliegend, mit hohen AlF3-Konzentrationen zu arbeiten.Due to the solubility of the aluminum oxide in molten cryolite, the melt flow electrolysis of the aluminum oxide (alumina) can be carried out at temperatures of approximately 940 ° C. to 980 ° C. with the addition of further melting agents. As a further melting agent, the cryolite melt contains - in addition to the aluminum oxide - substances which lower the melting point, such as, for example, AlF 3 , LiF, CaF 2 and / or MgP 2 . The addition of AlF 3 can lower the liquidus line of the ternary system cryolite / Al 2 O 3 / AlF 3 with a quadratic relationship, with an addition of, for example, 10% by weight AlF 3, a decrease in the eutectic melting temperature by about 25 ° C causes. Because of the dependence of the eutectic melting temperature on the AlF 3 concentration, it is obvious to work with high AlF 3 concentrations.
Die Verwendung eines Elektrolyten mit hoher AlF3-Konzentration und demzufolge tiefer eutektischer Schmelztemperatur zeigt zudem weitere Vorteile:
- durch die tiefere Elektrolyttemperatur sind die Elektrolytkomponenten chemisch weniger agrressiv, so dass die Lebensdauer der Elektrolysezelle verlängert wird. Zudem wird der Anodenverbrauch erniedrigt.
- durch die tiefere Elektrolyttemperatur verringert sich die Löslichkeit von Aluminium im Elektrolyten, was eine höhere Stromausbeute ergibt;
- Due to the lower electrolyte temperature, the electrolyte components are less chemically aggressive, so that the service life of the electrolytic cell is extended. The anode consumption is also reduced.
- the lower electrolyte temperature reduces the solubility of aluminum in the electrolyte, which results in a higher current efficiency;
Durch die Zugabe von AlF3 sinkt jedoch die spezifische elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten, d.h. der elektrische Badwiderstand wird erhöht. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten und der Elektrodenabstand bestimmen die Zellenspannung. Da die Elektrolysezellen mit konstanter Stromstärke gefahren werden, erhöht sich durch die Zugabe von AlF3 somit die Elektrolyttemperatur, wobei durch die gegenüber der eutektischen Schmelztemperatur erhöhte Elektrolyttemperatur der Wirkungsgrad der Elektrolysezelle erniedrigt und damit die zur Herstellung von 1 kg Aluminium benötigte Energie erhöht wird.However, the addition of AlF 3 reduces the specific electrical conductivity of the electrolyte, ie the electrical bath resistance is increased. The specific electrical conductivity of the electrolyte and the electrode spacing determine the cell voltage. Since the electrolysis cells are driven at constant current, the addition of AlF 3 thus increases the electrolyte temperature, the electrolyte temperature increasing compared to the eutectic melting temperature, reducing the efficiency of the electrolysis cell and thus increasing the energy required to produce 1 kg of aluminum.
Um den Wirkungsgrad der Elektrolysezellen zu optimieren, wird ein hoher Überschuss von AlF3 bevorzugt. Dieser Überschuss wird als Mol- bzw. Gewichtsverhältnis von NaF zu AlF3 unter Einbeziehung des Kryolithen oder als prozentualer Anteil des überschüssigen, freien AlF3 ausgedrückt. Im Folgenden wird die zweite Variante gewählt. Üblicherweise wird heutzutage mit einem Überschussanteil von AlF3 von mehr als 10 Gew.-% gearbeitet.In order to optimize the efficiency of the electrolysis cells, a high excess of AlF 3 is preferred. This excess is expressed as a molar or weight ratio of NaF to AlF 3 including the cryolite or as a percentage of the excess free AlF 3 . The second variant is selected below. Nowadays, an excess proportion of AlF 3 of more than 10% by weight is usually used.
Bei Elektrolyten mit einem AlF3-Gehalt von 10 Gew.-% und darüber treten im Allgemeinen Schwankungen in der AlF3-Konzentration mit einer Wellenlänge von typischerweise mehreren Tagen, beispielsweise 10 bis 30 Tagen, auf. Dabei schwankt der AlF3-Gehalt langsam innerhalb weiter Grenzen, beispielsweise im Bereich von 6 bis 20 Gew.-%. Mit diesen Schwankungen des AlF3-Gehaltes sind entsprechend der oben beschriebenen Abhängigkeit auch Temperaturschwankungen, beispielsweise im Bereich von 930 bis 990 °C, verbunden. For electrolytes with an AlF 3 content of 10% by weight and above, fluctuations in the AlF 3 concentration generally occur with a wavelength of typically several days, for example 10 to 30 days. The AlF 3 content slowly fluctuates within wide limits, for example in the range from 6 to 20% by weight. These fluctuations in the AlF 3 content are also associated with temperature fluctuations, for example in the range from 930 to 990 ° C., in accordance with the dependency described above.
Demnach bewirkt ein hoher AlF3-Gehalt im Elektrolyten im Allgemeinen eine unstabile Elektrolyttemperatur, welche die Stromausbeute, d.h. den Wirkungsgrad, und die Lebensdauer der Elektrolysezelle herabsetzt.Accordingly, a high AlF 3 content in the electrolyte generally causes an unstable electrolyte temperature, which reduces the current efficiency, ie the efficiency, and the service life of the electrolytic cell.
Im Weiteren ergeben sich Elektrolyttemperaturschwankungen beispielsweise infolge einer Veränderung des Kathoden-Anoden-Abstandes wegen des unvermeidbaren Anodenverbrauches oder aufgrund von Schwankungen der Al2O3-Konzentration. Solche Schwankungen dauern typischerweise einige Minuten bis einige Stunden.Furthermore, there are fluctuations in electrolyte temperature, for example as a result of a change in the cathode-anode spacing because of the unavoidable anode consumption or because of fluctuations in the Al 2 O 3 concentration. Such fluctuations typically last from a few minutes to a few hours.
Durch Verdampfen und durch Reaktion mit in der Tonerde enthaltenem Na2O erfolgt während der Aluminiumelektrolyse stets ein Verlust von AlF3. Die Zugabe von AlF3 wurde früher aufgrund von Tabellen, welche die zuzugebenden Einheiten in Abhängigkeit der Badtemperatur und dem einzustellenden AlF3-Gehalt auflisteten, vorgenommen. Um den effektiven Zustand der Elektrolysezelle zu berücksichtigen und damit den Wirkungsgrad der Zellen zu verbessern, hat es sich gezeigt, dass eine optimale Regulierung und Stabilisierung der Elektrolysezellen die periodische, messtechnische Erfassung und Berücksichtigung der Zellenparameter bedingt.Evaporation and reaction with Na 2 O contained in the alumina always result in a loss of AlF 3 during aluminum electrolysis. AlF 3 was previously added on the basis of tables which listed the units to be added as a function of the bath temperature and the AlF 3 content to be set. In order to take into account the effective condition of the electrolysis cell and thus to improve the efficiency of the cells, it has been shown that optimal regulation and stabilization of the electrolysis cells necessitates the periodic measurement and consideration of the cell parameters.
EP-B1 0 455 590 beschreibt ein Verfahren zur Regulierung eines wenigstens bei 10 Gew.-% liegenden AlF3-Gehaltes im Bad einer Elektrolysezelle zur Aluminiumherstellung, bei dem aufgrund einer Analyse des Zustandes der Aluminiumelektrolysezelle mit einer Modellrechnung die optimale Zeitverschiebung zwischen der Zugabe von AlF3 und deren Wirkung im Elektrolyten ermittelt und die Zugabe von AlF3 unter Vorgabe eines bestimmten AlF3-Gehaltes in Berücksichtigung der Zeitverschiebung berechnet und dem Elektrolyten zugegeben wird.EP-B1 0 455 590 describes a method for regulating an AlF 3 content in the bath of an electrolysis cell for aluminum production which is at least 10% by weight, in which, based on an analysis of the state of the aluminum electrolysis cell, the optimal time shift between the addition of AlF 3 and its effect in the electrolyte are determined and the addition of AlF 3 is calculated taking into account a specific AlF 3 content in consideration of the time shift and is added to the electrolyte.
Gemäss der Lehre von EP-B1 0 195 142 kann die Messung des AlF3-Gehaltes in einem stationären Zustand der Elektrolysezelle durch eine Temperaturmessung ersetzt werden. Dabei gilt in einem Bereich von ± 10 °C um den Temperatur-Sollwert eine im Wesentlichen lineare Beziehung zwischen AlF3-Konzentration und Elektrolyttemperatur.According to the teaching of EP-B1 0 195 142, the measurement of the AlF 3 content in a stationary state of the electrolytic cell can be replaced by a temperature measurement. A substantially linear relationship between AlF 3 concentration and electrolyte temperature applies in a range of ± 10 ° C around the temperature setpoint.
Gemäss dem Stand der Technik wird zur Regulierung des AlF3-Überschusses im Bad einer Elektrolysezelle zur Aluminiumherstellung entweder die AlF3-Konzentration oder die Elektrolyttemperatur gemessen und als Verfahrensgrösse geregelt. Die Praxis hat nun gezeigt, dass die Regelung der AlF3-Konzentration alleine noch keinen optimalen Wirkungsgrad einer Elektrolysezelle garantiert. According to the prior art, either the AlF 3 concentration or the electrolyte temperature is measured and regulated as a process variable in order to regulate the excess AlF 3 in the bath of an electrolysis cell for aluminum production. Practice has now shown that regulating the AlF 3 concentration alone does not guarantee optimal efficiency of an electrolysis cell.
Vorliegender Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem bekannten Stand der Technik hinsichtlich des Wirkungsgrades verbessertes Verfahren zur automatischen Regulierung einer Aluminiumelektrolysezelle anzugeben.The present invention is based on the object of a known state of the art the technology with regard to efficiency improved method for automatic Specify regulation of an aluminum electrolysis cell.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Wirkungsgrad der Aluminiumelektrolyse optimiert wird, indem jeweils in bestimmten Intervallen aus einer mehrere Parameter umfassenden Serie von Messwerten der individuelle Zustand der Elektrolysezelle analysiert und aufgrund des aktuellen Zustandes und unter Berücksichtigung der früheren Zustände die für das weitere Elektrolyseverfahren optimale Elektrolyttemperatur und die optimale AlF3-Überschusskonzentration durch Berechnung und entsprechende Einstellung der für das weitere Elektrolyseverfahren benötigten Elektrolysesollspannung und AlF3-Zufuhrrate geregelt werden.According to the invention, this object is achieved in that the efficiency of the aluminum electrolysis is optimized by analyzing the individual state of the electrolytic cell from a series of measured values comprising several parameters at certain intervals and, based on the current state and taking into account the earlier states, that of the further electrolysis process optimum electrolyte temperature and the optimal AlF3 excess concentration can be regulated by calculating and appropriately setting the electrolysis target voltage and AlF 3 feed rate required for the further electrolysis process.
Das erfindungsgemässe Verfahren löst somit das Problem der Kontrolle der Elektrolyttemperatur und der AlF3-Überschusskonzentration in einer Aluminiumeletrolysezelle, wonach die AlF3-Konzentration im Elektrolyten einen direkten Einfluss auf die Elektrolyttemperatur hat, und beide Verfahrensparameter die Stromausbeute und damit den Energieverbrauch pro Kilogramm produzierten Aluminiums beinflussen.The process according to the invention thus solves the problem of controlling the electrolyte temperature and the AlF 3 excess concentration in an aluminum electrolysis cell, according to which the AlF 3 concentration in the electrolyte has a direct influence on the electrolyte temperature, and both process parameters affect the current yield and thus the energy consumption per kilogram of aluminum produced bein influence.
Hinsichtlich des erfindungsgemässen Verfahrens bezieht sich der Begriffe "optimal" auf die für eine vorgegebene Elektrolysezelle bestmögliche Elektrolyttemperatur bzw. AlF3-Überschusskonzentration, welche wirtschaftlich den höchstmöglichen Wirkungsgrad erbringen.With regard to the method according to the invention, the term “optimal” relates to the best possible electrolyte temperature or AlF 3 excess concentration for a given electrolytic cell, which economically yield the highest possible efficiency.
Der individuelle Zustand der Elektrolysezelle zu einem bestimmten Zeitpunkt wird durch Analyse einer aus mehreren Parametern umfassenden Serie von Messwerten bestimmt. Dazu zählen beispielsweise die Elektrolyt- oder Badtemperatur, die Badzusammensetzung, die angelgte Elektrolysesollpannung, der Zeitplan für den Anodenwechsel usw. Aufgrund dieser Messwerte für den aktuellen Zustand der Elektrolysezelle und unter Berücksichtigung der früheren Zustände wird gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren die für die Erreichung des gewünschten Verlaufes der Elektrolyttemperatur und der AlF3-Überschusskonzentration erforderliche Elektrolysesollspannung und die AlF3-Zufuhrrate berechnet und entsprechend geregelt.The individual condition of the electrolytic cell at a specific point in time is determined by analyzing a series of measured values comprising several parameters. These include, for example, the electrolyte or bath temperature, the bath composition, the set electrolysis voltage, the schedule for changing the anode, etc. Based on these measured values for the current state of the electrolytic cell and taking into account the previous states, the method according to the invention is used to achieve the desired course the electrolyte temperature and the AlF 3 excess concentration required electrolysis target voltage and the AlF 3 supply rate are calculated and regulated accordingly.
Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt die automatische Regulierung der Elektrolyttemperatur
und der AlF3-Überschusskonzentration im Bad einer Elektrolysezelle zur Herstellung
von Aluminium aus in einer Kryolithschmelze gelöstem Aluminiumoxid bei gleichzeitiger
Minimierung der Schwankungen des AlF3-Gehaltes und der Elektrolyttemperatur,
wobei die Regulierung der AlF3-Konzentration ohne Einbezug neutralisierender Zusätze,
wie beispielsweise Soda oder Natriumfluorid, durchgeführt wird.The method according to the invention permits the automatic regulation of the electrolyte temperature and the AlF3 excess concentration in the bath of an electrolysis cell for the production of aluminum from aluminum oxide dissolved in a cryolite melt, while at the same time minimizing the fluctuations in the AlF 3 content and the electrolyte temperature,
the AlF 3 concentration being regulated without the inclusion of neutralizing additives, such as, for example, soda or sodium fluoride.
Die Berechnung der Zufuhrrate von AlF3 geschieht bevorzugt dadurch, dass in vorbestimmten
Intervallen n die Elektrolyttemperatur Tn und bevorzugt zusätzlich der prozentuale
Anteil Cn an freiem AlF3 im Elektrolyten gemessen werden, und bei normal arbeitender
Zelle eine AlF3-Zufuhrrate An+1 für das Intervall n+1 gemäss den nachfolgenden Verfahrensschritten
berechnet und die entsprechende Menge an AlF3 dem Elektrolyten während
dem Intervall n+1 portionenweise oder kontinuierlich zugegeben wird:
falls die Bedingungen (i) und (ii) nicht erfüllt sind, FTrend = 0 gilt;
if conditions (i) and (ii) are not met, F trend = 0 applies;
Vorstehendes Verfahren zur Berechnung und Regulierung der AlF3-Zufuhr gilt nur für die normal arbeitende Zelle. Demnach muss in jeder Periode n geprüft werden, ob die Zelle normal arbeitet, d.h. ob sich die Elektrolysezelle während der Periode n in einem innerhalb vorgegebener Parameter-Grenzwerte liegenden, normalen Zustand befindet. Bei Feststellung eines nicht normalen Zustandes wird durch Eingriffe eines Operators der Zustand der Elektrolysezelle solange verändert, bis ein normaler Zustand der Elektrolysezelle erreicht ist. Erst nach Erreichen eines normalen Zustandes wird die Berechnung und Zugabe von AlF3 gemäss den vorbeschriebenen Verfahrensschritten a) bis h) weitergeführt.The above procedure for calculating and regulating the AlF 3 supply applies only to the normal working cell. Accordingly, it must be checked in every period n whether the cell is operating normally, ie whether the electrolysis cell is in a normal state within the specified parameter limit values during the period n. If an abnormal condition is found, the operator changes the condition of the electrolytic cell until a normal condition of the electrolytic cell is reached. Only after a normal state has been reached is the calculation and addition of AlF 3 continued in accordance with the process steps a) to h) described above.
Die Parameter kT , kC , kL und kTrend sind für eine gegebene Elektrolysezelle charakteristische Parameter, welche u.a. von der Grösse der Zelle, der Elektrolytmenge, von der Stromstärke und von der gewünschten Korrekturgeschwindigkeit allfälliger AlF3- und Elektrolyttemperaturschwankungen abhängen. Die entsprechenden Parameterwerte können durch statistische Analysen der Abhängigkeiten der Temperaturwerte Tn und der AlF3-Überschusskonzentration von der jeweils zugeführten AlF3-Menge und von den jeweiligen Elektrolysespannungsänderungen bestimmt werden.The parameters k T , k C , k L and k Trend are characteristic parameters for a given electrolysis cell, which depend among other things on the size of the cell, the amount of electrolyte, the current strength and the desired correction speed of any AlF 3 and electrolyte temperature fluctuations. The corresponding parameter values can be determined by statistical analyzes of the dependencies of the temperature values T n and the AlF 3 excess concentration on the amount of AlF 3 supplied and on the respective changes in the electrolysis voltage.
Der normal arbeitende Zustand einer für das erfindungsgemässe Verfahren eingesetzten
Elektrolysezelle ist dann gegeben, wenn während einem vorgegebenen Zeitintervall Δt die
folgende Bedingungen i) bis iv) allesamt erfüllt sind:
Das Zeitintervall Δt im Sinne von (i) bezeichnet zweckmässigerweise die Zeitspanne zwischen der letzten und der vorletzten Temperaturmessung, wobei Δt vorzugsweise etwa einen Tag dauert.The time interval Δt in the sense of (i) expediently denotes the time period between the last and the penultimate temperature measurement, with Δt preferably about one Day lasts.
Im Rahmen der Erfindung gilt der elektrische Badwiderstand im Sinne von (ii) typischerweise als stabil, wenn das elektrische Badwiderstandsrauschen einen Wert von 0.5 µΩ während 30 Minuten pro Tag nicht überschreitet. Dabei ist das elektrische Badwiderstandsrauschen definiert als Differenz des während einem Zeitintervall von einer Minute gemessenen maximalen elektrischen Badwiderstandes vom während demselben Zeitintervall gemessenen minimalen elektrischen Badwiderstand.In the context of the invention, the electrical bath resistance in the sense of (ii) typically applies as stable when the electrical bath resistance noise has a value of 0.5 µΩ during 30 minutes a day. This is the electrical bath resistance noise defined as the difference between that measured during a time interval of one minute maximum electrical bath resistance of the measured during the same time interval minimal electrical bath resistance.
Für nicht normal arbeitende Zellen, muss der Zustand der Elektrolysezelle durch Eingriffe eines Operators solange verändert werden, bis alle Bedingungen (i) bis (iv) erfüllt sind. Danach kann das erfindungsgemässe Verfahren wieder angewendet werden. Dabei kann die zeitverzögerte Wirkung nach einer AlF3-Zugabe gemäss dem in EP-B1 0 455 590 beschriebene Verfahren berücksichtigt werden. Befindet sich der Elektrolyt in einem nicht-normalen Zustand, in dem der Elektrolyt mit AlF3 übersättigt ist, kann ein neutralisierendes Mittel, wie Soda oder NaF, zugegeben werden. Im Weiteren kann zur Einstellung eines normalen Zustandes auch die Elektrolysespannung angepasst werden. For cells that do not work normally, the state of the electrolysis cell must be changed by an operator until all conditions (i) to (iv) are met. The method according to the invention can then be used again. The time-delayed effect after adding AlF3 can be taken into account in accordance with the method described in EP-B1 0 455 590. If the electrolyte is in a non-normal state in which the electrolyte is oversaturated with AlF 3 , a neutralizing agent such as soda or NaF can be added. Furthermore, the electrolysis voltage can also be adjusted to set a normal state.
Die Parameter für die tägliche Standardzugabe F0(t) zum Ausgleich des täglichen AlF3-Verlustes im Elektrolyten bedingen die ungefähre Kenntnis des mittleren AlF3-Bedarfes pro Zeiteinheit bei einer stationär arbeitenden Elektrolysezelle mit einer beim Sollwert Tsoll liegenden Elektrolyttemperatur und können durch Vorversuche oder durch die bekannten, tägi lichen Zugaben von AlF3 während des vorhergehenden Elektrolyseverfahrens bestimmt werden. Die Standardzugabe ist abhängig vom Zellenalter.The parameters for the daily standard addition F 0 (t) to compensate for the daily AlF 3 loss on the electrolyte the approximate knowledge of the mean AlF require 3 -Bedarfes per unit time at a stationary operating electrolytic cell at the setpoint T set lying electrolyte temperature and may be prepared by preliminary tests or determined by the known daily additions of AlF 3 during the previous electrolysis process. The standard addition depends on the cell age.
Falls die Elektrolysezelle mit konstanter Stromstärke betrieben wird, kann die Standardzugabe
F0(t) nach folgender Massgabe berechnet werden:
Dabei bezeichnet t das Zellenalter in Tagen und τ eine vorbetimmte Zeitkonstante, deren Wert zwischen 150 und 350 Tage liegt. ka und kb bezeichnen Konstante, deren Wert vom Nennstrom, der geometrischen Abmessungen der Elektrolysezelle und der Kathode sowie vom Natriumfluorid- und Soda (Na2CO3) -Gehalt des Aluminiumoxids abhängen. Beispielhaft beträgt die Konstante ka für eine Elelektrolysezelle mit einem Nennstrom von 130 KA zwischen 13 und 17 kg AlF3/Tag, wobei der entsprechende Wert für die Konstante kb typischerweise zwischen 20 und 25 kg AlF3/Tag liegt.T denotes the cell age in days and τ a predetermined time constant, the value of which is between 150 and 350 days. k a and k b denote constants, the value of which depend on the nominal current, the geometric dimensions of the electrolysis cell and the cathode, and on the sodium fluoride and sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) content of the aluminum oxide. As an example, the constant k a for an electrolysis cell with a nominal current of 130 KA is between 13 and 17 kg AlF 3 / day, the corresponding value for the constant k b typically being between 20 and 25 kg AlF 3 / day.
Der Nennstrom bezeichnet die höchste, dauerhaft mögliche Stromstärke der Elektrolysezelle.The nominal current denotes the highest, permanently possible current strength of the electrolytic cell.
Die Elektrolyt-Solltemperatur Tsoll bzw. der Sollwert des AlF3-Gehaltes Csoll wird aufgrund von Erfahrungswerten oder durch Ermittlung eines optimalen Wertes aufgrund von Vorversuchen vorgegeben. Durch die Vorgabe der Solltemperatur wird auch der Sollwert des AlF3-Gehaltes Csoll eindeutig vorbestimmt. Umgekehrt wird bei Vorgabe des Sollwertes Csoll auch die Solltemperatur Tsoll eindeutig vorgegeben. Demnach richtet sich die Vorgabe für den AlF3-Sollwert Csoll nach der als optimal erachteten Elektrolyt-Solltemperatur Tsoll. Diese kann beispielsweise mit etwa 12 Gew.-% AlF3 erhalten werden. Die Solltemperatur kann während dem Verfahren aufgrund von Änderungen der Elektrolyseparameter an sich neu vorgegeben werden. Üblicherweise wird jedoch eine konstante Solltemperatur Tsoll während der ganzen Lebensdauer einer Elektrolysezelle bevorzugt.The electrolyte nominal temperature T nom, or the setpoint of the AlF 3 content to C is predetermined by preliminary tests based on empirical values or by determining an optimum value due. By specifying the desired temperature and the desired value of the AlF 3 content C should clearly predetermined. Conversely, when the target value C target is specified, the target temperature T target is also clearly specified. Accordingly, the specification for the AlF 3 C -Sollwert directed to after regarded as optimal electrolyte nominal temperature T nom. This can be obtained, for example, with approximately 12% by weight of AlF 3 . The setpoint temperature can be given anew during the process due to changes in the electrolysis parameters. Usually, however, a constant target temperature T target is preferred over the entire life of an electrolytic cell.
Die Solltemperatur Tsoll beträgt bevorzugt wenigstens 950 °C und höchstens 975 °C. Ganz bevorzugt liegt Tsoll im Bereich 960 ± 3 °C. The setpoint temperature T set is preferably at least 950 ° C and at most 975 ° C. T target is very preferably in the range 960 ± 3 ° C.
Der Sollwert Csoll des prozentualen Anteils an freiem AlF3 im Elektrolyten beträgt bevorzugt wenigstens 10 Gew.-% und höchstens 13 Gew.-%. Ganz bevorzugt liegt Csoll bei 12 ± 0.2 Gew.-%.The target value C to the percentage of free AlF 3 in the electrolyte is preferably at least 10 wt .-% and at most 13 wt .-%. More preferably is C to at 12 ± 0.2 wt .-%.
Die aktuelle Elektrolyttemperatur Tn während der Periode n kann auf verschiedene Weise und an verschiedenen Orten der Elektrolysezelle bestimmt werden. Prinzipiell kann die Elektrolyttemperatur durch direkte Temperaturmessung im Elektrolyten bestimmt werden. Wegen der kurzzeitigen Schwankungen wird jedoch eine Temperaturmessung in der Wanne, insbesondere in den Seitenwänden der Elektrolysezelle, oder im flüssigen Aluminium am Wannenboden bevorzugt. Üblicherweise geschieht die Stromzufuhr zur Kathode mittels in die mit Kohlenstoff ausgekleidete Stahlwanne eingeführte Stahlträger, so dass die Temperaturmessung besonders bevorzugt mittels in Ausnehmungen des Stahlträgers eingeführte Temperaturmessvorrichtungen vorgenommen werden kann.The current electrolyte temperature T n during the period n can be determined in different ways and at different locations of the electrolytic cell. In principle, the electrolyte temperature can be determined by direct temperature measurement in the electrolyte. Because of the short-term fluctuations, however, a temperature measurement in the trough, in particular in the side walls of the electrolysis cell, or in the liquid aluminum on the trough bottom is preferred. The current is usually supplied to the cathode by means of steel carriers inserted into the carbon steel-lined steel trough, so that the temperature measurement can be carried out particularly preferably by means of temperature measuring devices inserted into recesses in the steel carrier.
Die Messung des aktuellen Tn-Wertes kann kontinuierlich oder in vorgegeben Zeitintervallen vorgenommen werden. Die Messung des aktuellen Cn-Wertes geschieht zweckmässigerweise in vorgegebenen Zeitintervallen. Die Messung in vorgegebenen Zeitintervallen wird für die Bestimmung beider Werte, d.h. für die Tn- und Cn-Werte, bevorzugt, wobei im Allgemeinen ein Intervall von 24 Stunden für die stabile Prozessführung ausreichend ist.The current T n value can be measured continuously or at predetermined time intervals. The current C n value is expediently measured at predetermined time intervals. The measurement in predetermined time intervals is preferred for the determination of both values, ie for the T n and C n values, an interval of 24 hours being generally sufficient for stable process control.
In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens erfolgt die Messung der Cn- und Tn-Werte simultan.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the C n and T n values are measured simultaneously.
Die zur Berechnung von Fn benötigte Konstante kT liegt im Bereich von 0.4 bis 1.3 kg AlF3/°C und insbesondere bei 0.73 ± 0.02 kg AlF3/°C. Die ebenfalls zur Berechnung von Fn benötigte Konstante kC liegt im Wertebereich von 2.5 bis 7.0 kg AlF3/°C und insbesondere bei 4.4 ± 0.1 kg AlF3/°C. Die im Falle des Fehlens eines innerhalb gewisser, vorgegebener Grenzen liegenden Cn-Wertes zur Berechnung von Fn benötigte Konstante kL liegt im Bereich von 0.9 bis 2.5 kg AlF3/°C und insbesondere bei 1.46 ± 0.04 kg AlF3/°C.The constant k T required to calculate F n is in the range from 0.4 to 1.3 kg AlF 3 / ° C and in particular 0.73 ± 0.02 kg AlF 3 / ° C. The constant k C also required for the calculation of F n is in the range of 2.5 to 7.0 kg AlF 3 / ° C and in particular 4.4 ± 0.1 kg AlF 3 / ° C. The constant k L required to calculate F n in the absence of a certain C n value within certain predetermined limits is in the range from 0.9 to 2.5 kg AlF 3 / ° C and in particular 1.46 ± 0.04 kg AlF 3 / ° C ,
Die für die Bedingung (i) zur Berechnung von FTrend genannte Abweichung ΔU liegt bevorzugt zwischen 0 und 0.2 V und insbesondere im Bereich 100 ± 5 mV. Die Standardspannung Us ist vorbestimmt und kann dem Wert der Elektrolyse-Sollspannung entsprechen.The deviation ΔU specified for condition (i) for calculating F trend is preferably between 0 and 0.2 V and in particular in the range 100 ± 5 mV. The standard voltage U s is predetermined and can correspond to the value of the electrolysis target voltage.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens, wird für die
Berechnung einer zweiten Korrektur FTrend gemäss Verfahrensschritt (e) die folgende weitere
und gegenüber den Bedingungen (i) und (ii) zusätzliche Bedingung angefügt:
Der vorgegebene Maximalwert Cmax für den AlF3-Gehalt im Elektrolyten liegt bevorzugt im Bereich von 14 bis 17 Gew.-% und liegt besonders bevorzugt bei 16 Gew.-%.The predetermined maximum value C max for the AlF 3 content in the electrolyte is preferably in the range from 14 to 17% by weight and is particularly preferably 16% by weight.
Die Zuführung des für das erfindungsgemässe Verfahren benötigten AlF3 erfolgt beispielsweise portionenweise in bestimmten Zeitintervallen. Eine Anpassung der AlF3-Zufuhr kann dabei durch Anpassung der intervallweise zugeführten AlF3-Menge und/oder durch Veränderung des Zeitintervalls geschehen. Die Zufuhr von AlF3 kann auch kontinuierlich mittels einer Dosiervorrichtung, vorzugsweise mittels einer programmgesteuerten Dosiervorrichtung, erfolgen.The AlF 3 required for the method according to the invention is supplied, for example, in portions at certain time intervals. The AlF 3 supply can be adjusted by adjusting the amount of AlF 3 supplied at intervals and / or by changing the time interval. AlF 3 can also be supplied continuously by means of a metering device, preferably by means of a program-controlled metering device.
Üblicherweise reicht zur Durchführung einer stabilen Elektrolyse die Messung der Tn- und Cn-Werte in Abständen von mehreren Stunden aus. Im Allgemeinen genügt eine tägliche Messung der Tn- und Cn-Werte und eine entsprechende Anpassung der AlF3-Zufuhrrate.The measurement of the T n and C n values at intervals of several hours is usually sufficient to carry out a stable electrolysis. In general, a daily measurement of the T n and C n values and a corresponding adjustment of the AlF 3 supply rate is sufficient.
Beispielhaft für eine Elektrolysezelle mit einem Nennstrom von 130 kA liegt der obere Grenzwert Ao für die AlF3-Zufuhrrate An+1 im Bereich von 20 bis 60 kg AlF3/Tag, bevorzugt zwischen 30 und 35 kg AlF3/Tag und insbesondere im Bereich 33 ± 1 kg AlF3/Tag. Ebenfalls beispielhaft für eine Elektrolysezelle mit einem Nennstrom von 130 kA liegt der untere Grenzwert AU für die AlF3-Zufuhrrate An+1 im Bereich von 0 bis 20 kg AlF3/Tag, bevorzugt 0 bis 7 kg AlF3/Tag und insbesondere im Bereich 3 ± 0.5 kg AlF3/Tag.As an example of an electrolysis cell with a nominal current of 130 kA, the upper limit value A o for the AlF 3 feed rate A n + 1 is in the range from 20 to 60 kg AlF 3 / day, preferably between 30 and 35 kg AlF 3 / day and in particular in the range 33 ± 1 kg AlF 3 / day. Another example of an electrolysis cell with a nominal current of 130 kA is the lower limit value A U for the AlF 3 feed rate A n + 1 in the range from 0 to 20 kg AlF 3 / day, preferably 0 to 7 kg AlF 3 / day and in particular in the range 3 ± 0.5 kg AlF 3 / day.
Die Berechnung und Einstellung der Elektrolysesollspannung geschieht bevorzugt dadurch, dass in vorbestimmten Intervallen k die Elektrolyttemperatur Tk gemessen wird, und bei normal arbeitender Zelle die Elektrolysesollspannung U für das nachfolgende Intervall k+1 gemäss der folgenden Massgabe eingestellt wird:
- falls Tk kleiner als ein vorgegebener unterer Temperaturgrenzwert TU ist, wird während der nachfolgenden Zeitspanne ΔtU,1 die Elektrolysesollspannung U um einen vorgegebenen Spannungserhöhungswert ΔUE erhöht;
- falls Tk grösser oder gleich dem vorgegebenen unteren Temperaturgrenzwert TU und kleiner als ein vorgegebener mittlerer Temperaturgrenzwert TM ist, wird während der nachfolgenden Zeitspanne ΔtU,2 die Elektrolysesollspannung U um einen vorgegebenen Spannungserhöhungswert ΔUE erhöht;
- falls Tk grösser als ein vorgegebener oberer Temperaturgrenzwert To ist, wird während der nachfolgenden Zeitspanne ΔtU,1 die Elektrolysesollspannung U um einen vorgegebenen Spannungsabsenkungswert ΔUA verringert.
- if T k is less than a predefined lower temperature limit value T U , the desired electrolysis voltage U is increased by a predefined voltage increase value ΔU E during the subsequent time period Δt U, 1 ;
- if T k is greater than or equal to the predetermined lower temperature limit value T U and less than a predetermined average temperature limit value T M , the target electrolysis voltage U is increased by a predetermined voltage increase value ΔU E during the subsequent time period Δt U, 2 ;
- if T k is greater than a predetermined upper temperature limit To, the target electrolysis voltage U is reduced by a predetermined voltage reduction value ΔU A during the subsequent time period Δt U, 1 .
Die Temperaturgrenzwerte Tu, TM und To sowie die Spannungserhöhungs- und Spannungsabsenkungswerte ΔUE bzw. ΔUA werden aufgrund der Eigenschaften der Elektrolysezelle, wie beispielsweise Grösse der Zelle, Elektrolytmenge, Nennstrom und von der gewünschten Korrekturgeschwindigkeit allfälliger AlF3- und Elektrolyttemperaturschwankungen, vorgegeben.The temperature limit values T u , T M and To as well as the voltage increase and voltage reduction values ΔU E and ΔU A are specified based on the properties of the electrolysis cell, such as the size of the cell, the amount of electrolyte, the nominal current and the desired correction speed of any AlF 3 and electrolyte temperature fluctuations ,
Der untere Temperaturgrenzwert TU liegt bevorzugt im Temperaturbereich von 945 bis 954 °C und insbesondere bei 950 ± 0.5 °C. Der mittlere Temperaturgrenzwert TM liegt bevorzugt im Temperaturbereich von 955 bis 964 °C und insbesondere bei 955 ± 0.5 °C. Der obere Temperaturgrenzwert To liegt bevorzugt im Temperaturbereich von 965 bis 985 °C und insbesondere bei 975 ± 0.5 °C.The lower temperature limit value T U is preferably in the temperature range from 945 to 954 ° C. and in particular 950 ± 0.5 ° C. The mean temperature limit T M is preferably in the temperature range from 955 to 964 ° C. and in particular 955 ± 0.5 ° C. The upper temperature limit To is preferably in the temperature range from 965 to 985 ° C and in particular at 975 ± 0.5 ° C.
Der Spannungserhöhungswert ΔUE liegt zweckmässigerweise im Bereich von 0 bis 170 mV und bevorzugt bei 120 ± 2 mV. Der Spannungsabsenkungswert ΔUA liegt zweckmässigerweise im Bereich von 0 bis 80 mV und bevorzugt bei 60 ± 2 mV liegt.The voltage increase value ΔU E is expediently in the range from 0 to 170 mV and preferably at 120 ± 2 mV. The voltage reduction value ΔU A is expediently in the range from 0 to 80 mV and preferably 60 ± 2 mV.
Die Zeitintervalle ΔtU,1 und ΔtU,2 werden aufgrund der Eigenschaften der Elektrolysezelle vorgegeben. Die Zeitspanne ΔtU,1 liegt bevorzugt zwischen 35 und 50 Stunden und beträgt ganz bevorzugt 40 Stunden. Die Zeitspanne ΔtU,2 liegt bevorzugt zwischen 15 und 25 Stunden und beträgt ganz bevorzugt 20 Stunden.The time intervals Δt U, 1 and Δt U, 2 are specified based on the properties of the electrolytic cell. The time period Δt U, 1 is preferably between 35 and 50 hours and is very preferably 40 hours. The time period Δt U, 2 is preferably between 15 and 25 hours and is very preferably 20 hours.
Die Zeitintervalle n und k, d.h. das Zeitintervall für die Bestimmung der AlF3-Zufuhrrate An+1 und das Zeitintervall k für die Bestimmung der künftigen Elektrolysesollspannung U, können gleich lang oder aber auch verschieden sein. Zudem können die Zeitintervalle k der Länge Δtk (k ist dabei eine natürliche Zahl; Δtk beschreibt Zeitdauer in Stunden) unterschiedlich lang sein. Beispielsweise kann die Intervalllänge Δtk dem Wert ΔtU,1 und/oder ΔtU,2 entsprechen. Die Zeitintervalle n der Länge Δtn (n ist dabei eine natürliche Zahl; Δtn beschreibt Zeitdauer in Tagen) sind zweckmässigerweise, jedoch nicht zwingend, gleich lang.The time intervals n and k, ie the time interval for the determination of the AlF 3 supply rate A n + 1 and the time interval k for the determination of the future electrolysis target voltage U, can be the same length or different. In addition, the time intervals k of length Δt k (k is a natural number; Δt k describes the duration in hours) can be of different lengths. For example, the interval length Δt k can correspond to the value Δt U, 1 and / or Δt U, 2 . The time intervals n of the length Δt n (n is a natural number; Δt n describes the duration in days) are expediently, but not necessarily, of the same length.
Claims (13)
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wirkungsgrad der Aluminiumelektrolyse optimiert wird, indem jeweils in bestimmten Intervallen aus einer mehrere Parameter umfassenden Serie von Messwerten der individuelle Zustand der Elektrolysezelle analysiert und aufgrund des aktuellen Zustandes und unter Berücksichtigung der früheren Zustände die für das weitere Elektrolyseverfahren optimale Elektrolyttemperatur und die optimale AlF3-Überschusskonzentration durch Berechnung und entsprechende Einstellung der für das weitere Elektrolyseverfahren benötigten Elektrolysesollspannung und AlF3-Zufuhrrate geregelt werden.Process for the automatic regulation of the bath of an electrolysis cell for producing aluminum from aluminum oxide dissolved in a cryolite melt,
characterized in that
The efficiency of aluminum electrolysis is optimized by analyzing the individual state of the electrolytic cell from a series of measured values comprising several parameters at certain intervals and, based on the current state and taking into account the previous states, the optimal electrolyte temperature and the optimal AlF 3 - for the further electrolysis process. Excess concentration can be regulated by calculation and corresponding setting of the electrolysis target voltage and AlF 3 feed rate required for the further electrolysis process.
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EP01811170A EP1344847A1 (en) | 2001-12-03 | 2001-12-03 | Regulating of aluminium electrolysis cells |
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