NO118293B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte til drift av en elektrolysecelle for fremstilling av aluminium.

Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte til drift av en elektrolysecelle for fremstilling av aluminium, hvor aluminiumoksyd opp-løst i et saltsmeltebad reduseres til aluminiummetall

ved at en elektrisk strøm føres gjennom badet.

Man har vanligvis anvendt en av to typer elek-trolyseceller, nærmere bestemt celler med henholdsvis forhåndsbrente anoder og Søderberg-anoder. I

det førstnevnte tilfelle utgjøres anoden av en rekke

hver for seg innstillbare karbonblokker som er

brent på forhånd før de installeres i cellen, mens

kontinuerlige anoder eller Søderberganoder brennes

på stedet under driften av elektrolysecellen, idet der

anvendes en del av den varme som frembringes ved

reduksjonsprosessen. I begge tilfelle er saltsmelte-badet dekket av en skorpe av stivnet elektrolytt

og aluminiumoksyd som reduserer varmetapene fra

cellen.

Det er vanlig å styre driften av en aluminium-oksydreduksjonscelle ved å bryte skorpen periodisk

(for å føre aluminiumoksyd inn i badet), og ved periodisk å regulere avstanden mellom anoden og katoden (som kan betegnes som «A/K-avstanden»), og begge disse styretrinn har den virkning at de forandrer cellemotstanden. En endring av A/K-avstanden endrer den elektriske motstandsbane gjennom badet mellom anoden og katoden, mens innfør-føring av aluminiumoksyd endrer konsentrasjonen av oppløst aluminiumoksyd i badet. Fordi den vir-kelige aluminiumoksydkonsentrasjon i badet på et bestemt tidspunkt ikke kan bestemmes uten videre, annet enn ved direkte prøvetagning og analytiske fremgangsmåter som er tidskrevende og upraktiske når de skal anvendes kontinuerlig eller til stadig-het, og dessuten fordi det er vanskelig å utføre en direkte fysisk måling av A/K-avstanden med tilstrekkelig nøyatkighet, har det vært vanlig å tillate store variasjoner i cellenes driftstilstand mellom en tilstand med lav aluminiumoksydkonsentrasjon som fører i retning av anodeefekt, og en overmettet til-

stand (ved eller over metningspunktet) som fører til slamdannelse eller temperaturustabilitet.

Det er allerede kjent å unngå anodeeffekt ved overvåkning av det punkt da cellemotstanden når en på forhånd fastlagt altfor høy verdi som følge av den hurtige motstandsøkning ved innledningen av en anodeeffekt, idet forekomsten av denne unormalt høye motstandsverdi anvendes som en angivelse på at det er nødvendig å mate inn aluminiumoksyd. Denne fremgangsmåte medfører at cellen arbeider under forhold som veksler mellom en begynnende anodeeffekt og en ikke nærmere bestemt tilstand med et høyere aluminiumoksydinnhold. Fremgangsmåten kan åpenbart ikke føre til nøyaktig styring eller stabilt arbeid under de mest effektive betingelser.

Ifølge oppfinnelsen er det oppdaget at når A/K-avstanden er konstant og operasjonsbetingel-sene forøvrig stabile, er karakteristikken for cellemotstanden som funksjon av aluminiumoksydkonsentrasjonen konveks nedad, noe som angir tilstede-værelsen av en eller flere minimumsverdier for den komponent av cellemotstanden som skyldes aluminiumoksyd-konsentrasjonen. Ved betraktning av skaren av likedannede cellemotstandskurver for forskjellige verdier av A/K-avstanden er det videre fastslått at punktet for den minste motstand ligger ved omtrent den samme konsentrasjon av aluminiumoksyd i badet for alle kurver. Disse forhold fører med andre ord til den slutning at den laveste cellemotstand som kan oppnås ved variasjon av aluminiumoksydinnholdet i badet, fås ved en optimal aluminiumoksydkonsentrasjon eller i et smalt konsen-trasjonsområde for alle reduksjonsovner uavhengig av A/K-avstanden. Det er også funnet at de påviste forandringer i cellemotstanden ved reduksjonen kan anvendes som et middel til å påvise motsvarende forandringer i aluminiumoksydkonsentrasjonen, slik at der fås en fremgangsmåte til å styre mat-ningsprogrammet for å oppnå ønskede driftsbetingelser for cellen.

Den absolutte verdi av cellemotstanden vil imidlertid ikke nødvendigvis utgjøre en effektiv styrefunksjon hvis badmotstanden endrer seg i ukjent grad som følge av sporadiske forandringer av A/K-avstanden. Ytterligere iakttagelser av celle-forholdene har vist at A/K-avstanden ikke forandrer seg vesentlig for vanlige celler over et betydelig tidsrom mellom etter hinannen følgende trappeope-rasjoner til fjerning av oppsamlet aluminium, først og fremst fordi hastigheten av reduksjonen av A/K-avstanden som følge av økende volum av smeltet aluminium i cellen i stor utstrekning oppveies av det gradvise forbruk av karbonanodene, noe som er til-bøyelig til å øke A/K-avstanden. I alle tilfelle kan en eventuell foreliggende ubalanse utlignes ved selek-tiv korrigering av den forekommende avstand mellom anoden og katoden. Det er således funnet at en forbedret drift av cellen kan oppnås når der ar-beides med en hovedsakelig konstant (eller på annen måte fastlagt) A/K-avstand som er basert på et bestemt kriterium som f. eks. størst mulig produk-sjon uttrykt i kg/kWh, samtidig som cellemotstanden (eller spenningen i tilfelle av konstant strøm) styres av et mateprogram hvor tilsetningen av aluminiumoksyd finner sted som svar på forandringer av cellemotstanden som påvises ved hyppige obser-vasjoner.

Den foreliggende oppfinnelse går således ut på en fremgangsmåte til drift av en elektrolysecelle for fremstilling av aluminium, hvor aluminiumoksyd oppløst i et saltsmeltebad reduseres til aluminiummetall ved at en elektrisk strøm føres gjennom badet, og hvor cellemotstanden ved konstant anode/ katode-avstand har en minimumsverdi ved en bestemt aluminium-oksyd-konsentrasjon i badet og øker på begge sider av denne konsentrasjon,karakterisert vedat retningen for forandring av cellemotstanden påvises periodisk, og at tilførselen av aluminiumoksyd til badet reguleres som svar på en overgang fra en nedadgående til en oppadgående trend i motstanden for å motvirke denne oppadgående trend og holde cellemotstanden i nærheten av minimumsverdien.

I det følgende vil det bli belyst hvorledes dette kan utføres i praksis. Reduksjonscellen er forsynt med en aluminiumoksydmatningsinnretning med to matningshastigheter, hvorav den ene er mindre og den andre større enn den hastighet som aluminiumoksydinnholdet i badet forbrukes med under fremstillingen av aluminium. Etter starten fortsetter driften av cellen med matningsinnretningen innstilt på den ene eller den annen av disse matningshastigheter, f. eks. den laveste hastighet, samtidig som A/K-avstanden er innstilt på en på forhånd bestemt verdi. Når der oppdages eller kan forutsies en økning av cellemotstanden, blir matningsinnretningen slått over på den høyere hastighet og holdt på denne hastighet inntil økningen av cellemotstanden avtar, stanser eller snur. Når der deretter oppdages eller forutsies en økning av cellemotstanden, noe som an-tyder at aluminiumoksydkonsentrasjonen nærmer seg en verdi på den motsatte side av minimums-punktet på cellemotstandskurven, blir matningsinnretningen påny slått over til den lavere hastighet. Ytterligere justering av matningsinnretningen fortsetter etter de samme retningslinjer. Avhengig av det variasjonsområde for oksydinnholdet som er valgt for styringen, kan cellemotstanden på denne måte holdes hovedsakelig konstant ved eller i nærheten av den aluminiumoksydkonsentrasjon som gir den laveste motstand.

Alternative modifikasjoner av denne generelle fremgangsmåte kan anvendes for å holde cellemotstanden innen andre foreskrevne grenser. Når det gjelder Søderberg-celler kan f. eks. vanskeligheten med å fordele aluminiumoksydet over hele badet gjøre det nødvendig å arbeide på den side av mini-mumet som svarer til et lavere aluminiumoksydinnhold, og ved en cellemotstand som er noe større enn den minimale motstand. De karakteristiske trekk ved oppfinnelsen, nemlig påvisningen av forandringer av cellemotstanden og tilførsel av aluminium-oksyd til badet som svar på disse forandringer på en slik måte at en oppadgående trend som etterfølger en nedadgående trend, motvirkes, er imidlertid til-stede også ved anvendelse av oppfinnelsen på Sø-derberg-celler.

Fordi denne nye fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen gjøre det mulig å holde aluminiumoksydkonsentrasjonen i badet innenfor et snevert område, muliggjør den også anvendelse av cellemotstanden til oppnåelse av en mer nøyaktig innstilling av avstanden mellom anoden og katoden når aluminiumoksydkonsentrasjonen ligger innenfor reguleringsområdet. Anode/katode-avstanden kan således i en tid da motstandsreguleringen av aluminiumoksydtil-førselen har holdt aluminiumkonsentrasjonen i badet innenfor reguleringsområdet, reguleres for å innstille cellemotstanden på en på forhånd fastlagt tallverdi svarende til den ønskede anode/katode-avstand for fortsatt drift av cellen.

Et eksempel på oppfinnelsen vil nå bli beskrevet under henvisning til tegningen. Fig. 1 viser skjematisk en aluminiumoksydre-duksjonscelle. Fig. 2 viser et diagram av en reduksjonscelle med tilhørende avfølings- og styreorganer som kan anvendes ved utførelse av oppfinnelsen. Fig. 3 viser typiske forløp av aluminiumoksydkonsentrasjonen i badet og motstanden i en alumini-umoksydreduksjonscelle som funksjon av tiden etter en bestemt mateoperasjon. Fig. 4 viser det eksperimentelt observerte for-løp dels av den samlede cellemotstand med forskjellige A/K-avstander og dels av de forskjellige kompo-nenter av cellespenningen over en aluminiumoksyd-reduksjonscelle som arbeider ved en konstant A/K-avstand og med konstant cellestrøm, som funksjon av aluminiumoksydinnholdet i badet.

En aluminiumoksyd-reduksjonscelle som egner seg for utførelse av oppfinnelsen, er skjematisk vist på fig. 1 og omfatter et skall 11 av stål foret med et isolerende skikt 12 og en karbonholdig ledende foring 13. Jernstenger 18 som er innleiret i foringen 13, er forbundet med en katode-samleskinne 19. Foringen 13 inneholder en sump av smeltet aluminium 14 og et bad 15 av aluminiumoksyd som er oppløst i smeltet elektrolytt. Andre former for for-inger og katodeutførelser kan anvendes til å motta det smeltede aluminium 14 og badet 15 og påtrykke det smeltede aluminium 14 et katodisk potensial, f. eks. en ikke-ledende foring og ledende katodeele-menter (f. eks. av titanium diborid eller lignende) som står i berøring med det smeltede aluminium.

Over elektrolytten og delvis neddykket i denne er der opphengt en karbonanode som for en vanlig celle med flere anodeblokker kan bestå av individu-elt innstillbake forhåndsbrente karbonblokker 16 som vist, eller for en vanlig celle av Søderbergtypen kan bestå hovedsakelig av en stor masse karbon som bare er innstillbar som en enhet. Den smeltede elektrolytt 15 er dekket av en skorpe 17 som består hovedsakelig av stivnede elektrolyttbestanddeler og ytterligere aluminiumoksyd. Etterhvert som aluminiumoksyd forbrukes i elektrolytten 15, kan mer aluminiumoksyd mates ned i elektrolytten ved at et parti av skorpen 17 brytes, eller fortrinnsvis ved anvendelse av en mekanisk matningsinnretning 24 for aluminiumoksyd (f. eks. den innretning for matning av tilmålte mengder som er beskrevet i patentskrift nr. 113233). Et forråd av aluminiumoksyd for matningsinnretningen 24 eller for påfylling på skorpen kan passende inneholdes i en binge 23. Anoden 16 bæres av en anodestang 21 som er avtag-bart fastspent på en broskinne 22 som i sin tur er elektrisk forbundet med en anode-samleskinne 20. Anodeskinnen 20 og katodeskinnen 19 er forbundet med hver sin pol av en egnet kilde for elektrolyse-strøm.

Som følge av den påtrykte elektromotoriske kraft eller spenning bringes elektrolysestrømmen til å strømme gjennom de foran nevnte elektriske for-bindelser og gjennom det smeltede elektrolyttskikt 15 mellom anoden 16 og den smeltede aluminiumsump 14, hvorved aluminiumoksyd som er oppløst i det smeltede elektrolyttskikt, elektrolyseres til sine bestanddeler, idet aluminiummetall samler seg i det smeltede aluminiumskikt 14, mens oksygen fri-gjøres stort sett i forbindelse med karbonet i anoden 16 og unnslipper fra cellen som karbonoksyd og karbondioksyd gjennom huller i skorpen 17. Det aluminium som samler seg, tappes periodisk fra den smeltede sump 14 av aluminium ved hjelp av en hevert, vanligvis med jevne mellomrom på 24 — 48 timer. Anodekarbon tilføres periodisk ved utskift-ning av blokker 16 i celler med flere anoder eller ved tilsetning av ny karbonmasse på toppen av dé selvbrennende Søderberganoder.

Den mengde karbonoksydgass som utvikles ved anoden, menes å gi et uttrykk for graden av in-effektivitet av celle. Slik gass utvikles i økede mengder under perioder med celleforstyrrelser som følge av feilaktig innstilling av karbonanodeblokkene 16, slamansamling som delvis dekker berøringsflaten mellom den smeltede aluminiumsump 14 og celleforingen 13, usedvanlig høye temperaturer av smeiten i cellen og andre forhold som kan opptre når cellen ikke drives under optimale betingelser.

Et eksempel på avfølings- og styreorganer som kan anvendes ved utførelse av den foreliggende oppfinnelse, er skjematisk vist på fig. 2. På samme måte som på fig. 1 er der i forbindelse med cellen 30 anordnet en katode-samleskinne 19, en anode-samleskinne 20, en anode 16 og en matningsinnretning 24. Anoden 16 er forsynt med forstillingsor-ganer 35 som kan utgjøres av en manuelt betjent kjede eller motor ved hvis hjelp operatøren forsky-ver anoden 16 opp eller ned, og i det foreliggende tilfelle også kan reagere på et signal fra en regnemaskin 40 via en velger (scanner) 39. Matningsinnretningen 24 påvirkes av et styreorgan 31 for matningshastigheten for å innstille matningen av aluminiumoksyd til cellen 30 på ett av minst tre nivåer, nærmere bestemt «av», «høy» og «lav», som innstilles ved betjening av en trestillingsbryter 32.

En forsterker 33 for vekselstrømskomponenten av cellespenningen står i elektrisk forbindelse med katodeskinnen 19 og anodeskinnen 20 og påviser, forsterker og integrerer en del (frekvensområdet fra ca. 1 — 20 Hz) av den vekselstrømsspenning som er overlagret likestrømsspenningen som fore-ligger mellom katodeskinnen 19 og anodeskinnen 20, og gir et signal som er proporsjonalt med ampli-tuden av den nevnte vekselstrømskomponent, og som kommer til syne på et instrument 34 og avleses av regnemaskinen 40 gjennom velgeren 39. En innretning som er egnet for dette formål er beskrevet i patentskrift nr. 112739. Vekselstrømskom-ponenten kan anvendes som et uttrykk for en forstyrrelse av cellen som følge av feilaktig innstilling av anodeblokkene i forhold til hverandre eller slam-ansamlinger, slik det vil bli omtalt senere.

En motstandsfunksjonsgenerator 36 skaffer et signal som er proporsjonalt med cellemotstanden, og som tilføres et registreringsapparat 37 eller et viserinstrument 38 og kan avleses av regnemaskinen 40 via velgeren 39. Motstandsfunksjonsgeneratoren 36 kan omfatte en generatorplate som er basert på Hall-effekten, og tilføres et likestrømssignal som er omvendt proporsjonalt med strømmen I i cellen, eller ovnsserien. Platen er anbragt mellom polene og i luftgapet for en elektromagnet som forsynes med en strøm proporsjonal med forskjellen, mellom a) spenningen Ep som hersker mellom katodeskinnen 19 og anodeskinnen 20 og b) en på forhånd fastlagt konstant spenning k, hvorved Halleffekt-utgangs-spenningen blir proporsjonal med produktet av (Ep-k) og l/I, slik det er beskrevet i detalj i den ålment tilgjengelige norske patentsøknad nr. 159.712. Alternativt kan cellemotstanden beregnes fra de data som tilføres regnemaskinen 40, slik at der ikke blir behov for noen motstandsfunksjonsgenerator 36. Da den foran nevnte overlagrede vek-selstrømskomponent av cellespenningen kan skape små fluktuasjoner i utgangssignalet fra generatoren 36, er registreringsapparatet 37 og instrumentet 38 fortrinnsvis forsynt med egnede dempningsorganer, mens det signal som avleses av regnemaskinen 40, fortrinnsvis integreres over ett eller flere sekunder før avlesningen.

I overensstemmelse med et bestemt program forbinder velgeren 39 regnemaskinen 40 med ut-gangssignalene fra hver av en rekke celler som skal styres, enten etter tur eller på ordre fra regnema-skinprogrammet eller av operatøren ettersom det måtte ønskes. Regnemaskinen 40 er forsynt med egnede innmatningsorganer 41 for mottagelse av ytterligere data.

På fig. 3 angir kurve A motstanden i en alu-miniumoksydreduksjonscelle som arbeider ved hovedsakelig konstant A/K-avstand, som funksjon av tiden, og kurve B er en utjevnet angivelse av aluminiumoksydinnholdet i badet bestemt ved kjemisk analyse av elektrolyttprøver tatt fra cellen til egnede tider. Kurve A (cellemotstanden) er summen av kurvene C, D og E som angir motstandskompo-nentene<R>ba(i,<R>ytre, respektive Roverspenning. Ved den drift som disse kurver representerer, ble cellen ma-tet med aluminiumoksyd ved gjennombrytning av en del av skorpen 17 på vanlig måte og elektrolysen ble deretter tillatt å fortsette uten ytterligere mekanisk matning inntil aluminiumoksydinnholdet var oppbrukt i en slik grad at der fant sted anodeeffekt. Den topp 47B som forekommer like før tiden T1(viser at matning etter den vanlige fremgangsmåte til å begynne med ga et usedvanlig høyt aluminiumoksydinnhold i den smeltede elektrolytt 15 og videre at den overskytende del ble forbrukt med stør-re hastighet enn hva som var tilfelle senere. Denne raske reduksjon av alumimumoksydinnholdet skyldes tilsynelatende utfelling av aluminiumoksyd som slam på den elektriske berøringsflate mellom celleforingen 13 og den smeltede aluminiumsump 14, noe som bevirker overoppvarmning og reduserer celle-virkningsgraden. Etter tidspunktet Tjavtok cellemotstanden langsommere til en minste verdi RC2ved det tidspunkt som svarte til et aluminiumoksydinnhold som er anmerket ved 54, hvoretter motstanden raskt tiltok etterhvert som alumimumoksydinnholdet avtok ytterligere, inntil der på tidspunktet T3(svarende til den aluminiumoksydkonsentrasjon som er angitt ved 56) ble iakttatt anodeeffekt.

På fig. 4 viser kurveskaren F-l, F-2, F-3 og F-4 variasjonen av den samlede cellemotstand RC som funksjon av aluminiumoksydkonsentrasjonen i badet for forskjellige konstante verdier av A/K-avstanden i området mellom det maksimale innhold av aluminiumoksyd (ved 51) som er oppløselig i badet under vanlige driftsbetingelser for cellen, og den konsentrasjon 56 hvor der inntreffer anodeeffekt. Når også cellestrømmen holdes hovedsakelig konstant, vil også variasjonen av cellespenningen ha et forløp som vist for cellemotstanden øverst på fig. 4, og kurvene G, H og J i den nedre del av fig. 4 viser komponentene av denne spenning. Skjønt der i den foreliggende fremstilling er lagt vekt på motstands-kontroll, idet man på denne måte gjør det unødven-dig å holde strømmen konstant, vil det forstås at der ved utførelse av den foreliggende oppfinnelse under betingelser som gir konstant strøm, kan anvendes en spenningsstyring.

Det vil ses av kurve F-l på fig. 4 at den tilhør-ende cellemotstand avtar fra et aluminiumoksydinnhold 51 gjennom punktene 55, 55" og 55' til en minimumsverdi ved 54. Hvis der ikke finner sted noen innmatning, vil cellemotstanden passere denne minimumsverdi og deretter øke via de høye verdier ved 53' og 53 inntil aluminiumoksydinnholdet når punktet 56, hvor motstanden raskt øker og cellen oppviser anodeeffekt. Det er videre blitt fastslått at en overraskende egenskap ved skaren av kurver F-l, F-2, F-3 og F-4 er at alle disse kurver passerer sine minimumsverdier (hvor kurvetangenten er horisontal) ved omtrent det samme punkt 54 for aluminiumoksydkonsentrasjonen, noe som tyder på at der for en bestemt reduksjonscelle finnes en stort sett optimal aluminiumoksydkonsentrasjon for et vidt område av A/K-avstanden. Denne opp-dagelse betyr at så snart de foran nevnte kurvefor-løp er bestemt, kan cellen drives kontinuerlig ved eller nær den optimale aluminiumoksydkonsentrasjon ved overvåkning og anvendelse av cellemot-standsegenskapene uten at det er nødvendig periodisk å fastslå konsentrasjonen i badet ved direkte analyse.

De bestemte verdier av aluminiumoksydkonsentrasjonen i badet som svarer til punktene 51, 54 og 56, er avhengige av forskjellige parametre med hensyn til utførelse og drift, og de verdier av cellemotstanden som svarer til forskjellige aluminium-oksydkonsentrasjoner, er også avhengig av disse forhold og spesielt av A/K-avstanden i cellen. Når imidlertid anoden og katoden i cellen er anbragt i den ønskede A/K-avstand for en bestemt celle, er det unødvendig å ta disse forhold i betraktning ved de rutinemessige styreoperasjoner. Aluminiumoksydkonsentrasjonen i badet innstilles således på en på en på forhånd bestemt optimal verdi under henvisning til kurve A, og den etterfølgende matning av cellen bygger på en overvåkning av variasjonene i cellemotstanden slik de kommer til syne på viser-instrumentet 38 eller fortrinnsvis registreringsapparatet 37.

Etterhvert som aluminiumoksyd forbrukes ved elektrolysevirkning, vil det av fig. F-l på fig. 4 ses at cellemotstanden ved aluminiumoksydinnholdet 54 er økende, og operatøren vil derfor mate cellen ved f. eks. å bryte igjennom et parti av skorpen 17 som etter operatørens skjønn vil heve aluminiumoksydinnholdet i cellen til en verdi 55 som ikke er større enn den verdi 51 hvor der finner sted slamdannelse. Ved hver mateoperasjon vil operatøren vinne erfar-ing med hensyn til den del av skorpen som må brytes, ved å iaktta variasjonen av motstanden med tiden og særlig ved å legge merke til om der opp-trer en motstandstopp som vist ved 47A på kurve A på fig. 3. Etterhvert som elektrolysevirkningen fort setter, vil konsentrasjonen igjen avta til verdien 53, hvor operatøren igjen vil legge merke til den økende cellemotstand og mate cellen slik at han faktisk hol-der aluminiumoksydkonsentrasjonen i badet mellom grensene 53 og 55. Styringsgrensene kan angis som forskjeller i den absolutte verdi av cellemotstanden eller som forandringer i størrelsen eller fortegnet av tangenten til motstandskurven i det ønskede styre-område.

Når cellen er forsynt med en matningsinnretning 24 og organer 31 til styring av matningshastigheten og der ved aluminiumoksydinnholdet 53 fast-slås at cellemotstanden er økende, vil operatøren eller regnemaskinsystemet slå trestillingsbryteren 32 over fra «lav», hvor der som følge av kalibrering på forhånd leveres aluminiumoksyd til cellen med en lavere hastighet enn forbrukshastigheten, til «høy», hvor der som følge av en forhåndskalibrer-ing leveres aluminiumoksyd til cellen med en hastighet som er større enn forbrukshastigheten. Etterhvert som aluminiumoksydkonsentrasjonen i badet øker som følge av den høyere matningshastighet, vil cellemotstanden først avta, deretter tilsynelatende forbli konstant og endelig begynne å øke ved aluminiumoksydinnholdet 55". Når det angis at cellemotstanden er økende eller har holdt seg hovedsakelig konstant i et valgt tidsrom, slås bryteren 32 over fra «høy» til «lav» og cellemotstanden blir redusert etterhvert som aluminiumoksydkonsentrasjonen igjen avtar mot 53. Ved periodisk betjening av bryteren 32 i overensstemmelse med variasjonene i cellemotstanden blir således aluminiumoksydinnholdet holdt innen de ønskede grenser.

Anvendelsen av en regnemaskin 40 i styresy-stemet gjør det vanligvis mulig å oppdage forandringer i motstandskurven som funksjon av tiden mere nøyaktig enn hva som er mulig for operatøren. Regnemaskinen 40 kan således hvis det ønskes anvendes til å avføle en styregrense 53' ved en høyere oksydkonsentrasjon enn 5, slik at badkonsentra-sjonen kan holdes innen de snevrere grenser 53' og 55" eller 53' og 55'. Hvis dessuten matningsinnretningen 24 kan styres fra regnemaskinen 40 via styreorganene 31 og bryteren 32, kan operatøren stort sett avlastes for sine plikter med hensyn til herredømmet over oksydinnholdet i cellen.

Skjønt det kontinuerlige forbruk av karbon fra anoden skaper en potensiell økning av A/K-avstanden og dermed av cellens motstand, er det funnet at dette finner sted tilstrekkelig langsomt (i aluminiumoksyd-reduksjonsceller av vanlig utførelse hvor katodeoverflaten er større enn den tilgrensende anodeoverflate) til at muligheten for regulering av aluminiumoksydinnholdet i cellen på den foran angitte måte ikke reduseres. De små forandringer i motstanden som finner sted av denne grunn, kan der tas betryggende hensyn til ved justering av anoden etter tapping av metall og ved ikke særlig hyppige periodiske justeringer av anoden til den ønskede A/K-avstand hvor det er nødvendig.

Kontroll med skorpedannelse på sidene.

Der er kjent visse aluminiumoksyd-reduksjons-celler hvor det er ønskelig å beskytte de hovedsakelig vertikale overflater av celleforingen 13 eller skallet 11 mot korrosjon og errosjon ved å vedlike-holde en «kant» eller et skikt av stivnet elektrolytt i cellen (se 55a på fig 1). Herredømmet over tykkel-sen av denne kant, som kan være avgjørende, blir for tiden overlatt til operatørens skjønn. Denne fremgangsmåte kan forbedres ved at der i styresy-stemet ifølge den foreliggende oppfinnelse anvendes et sett på tre konsentrasjonsgrenser hvor kanttyk-kelsen henholdsvis reduseres langsomt, holdes konstant og langsomt øker. En operatør behøver deretter bare å velge et av disse kontrollområder alt etter som man anser kanten for å være for tykk, omtrent riktig eller for tynn.

Påvisning av forstyrredetilstander.

Det signal fra forsterkeren 33 for vekselstrøms-komponenten som fremkommer på instrumentet 34, som kan omfatte et viserinstrument eller ett eller flere signallys, gir operatøren eller regnemaskinen 40 beskjed om en forstyrrelse i cellen, og arten av det forhold som ligger til grunn for forstyrrelsen, kan fastlegges ved andre overveielser. Under ønskede driftsbetingelser vil styrken av signalet være re-lativt liten for celler med flere anodeblokker (og hovedsakelig reproduserbart konstant for celler med en eneste anode med en stor flat overflate, som f. eks. Søderberganoder).

Hvis signalstyrken øker over sin normale verdi etter at et parti av skorpen 17 er brudt, vil opera-tøren eller regnemaskinen være klar over at forstyrrelsen skyldes nærvær av aluminiumoksydholdig slam i cellen. I såfall blir den neste manuelle matning sløyfet, eller bryteren 32 for styringsorganet 31 for matningshastigheten settes i «av»-stillingen. En anodekorrigering vil vanligvis hverken være nødvendig eller ønskelig på dette stadium. Driften av cellen fortsettes uten matning inntil signalet på indikatoren 34 er gått tilbake til sin normale verdi eller til der på annen måte angis at der er behov for gjenopptagelse av matningen.

En høy avlesning på indikatoren 34 i fravær av forstyrrelser som følge av tapping eller sterk mating angir at én eller flere av anodeblokkene 16 er lavt plasert i forhold til de øvrige blokker og fører en usedvanlig høy strøm. Denne tilstand finner ofte sted i vanlig drevne celler med flere anodeblokker og bevirker at celleytelsen reduseres og un-dertiden at metallforbindelsen til den angjeldende blokk smelter. Når operatøren leser av en høy verdi på indikatoren 34 uten at cellen nettopp er blitt tappet eller har mottatt store mengder aluminium-oksyd, vil operatøren justere stillingen av de enkelte blokker 16 i forhold til hverandre slik at hver blokk bærer sin andel av strømmen, idet han anven-der organer til å måle strømmen i hver blokk. Slike strømmåleorganer kan omfatte kalibrerte motstander i den elektriske krets mellom blokken 16 og anodeskinnen 20 eller fortrinnsvis en bærbar strøm-måler til å måle strømmen i stangen 31.

Til tross for at man regner at der er betydelige forskjeller med hensyn til den strømførende kapasi-tet av den serie blokker som utgjør en anode, vil operatøren vanligvis allikevel innstille hver enkelt blokk på omtrent den samme strømbelastning, først og fremst fordi der tidligere ikke har vært tilgjen-gelig noen egnet fremgangsmåte til nøyaktig å for-utsi hva strømbelastningen vil være for hver blokk, slik at operatøren har stolt på systemets naturlige tilbøyelighet til å korrigere seg selv under drift. Det er imidlertid funnet at selvkorrigeringen er så lang-som og så ofte blir forstyrret at operatørens forsøk på å korrigere de enkelte blokker at en optimal innstilling av anoder med flere blokker sjelden blir oppnådd.

Hvis cellemotstanden RC avtar under sin normale verdi for det optimale innhold 54 av aluminiumoksyd mens indikatoren 34 ikke angir noen unor-mal tilstand, er cellen i ferd med å bli overoppvar-met, og anoden 16 blir senket for å redusere cellemotstanden og inngangseffekten til cellen.

For en Søderbergcelle kan imidlertid en vedvarende forandring av indikatoren 34 fra sin normale stilling når cellen ikke er blitt forstyrret som følge av tapping eller bryting av skorpen, angi innledningen eller begynnelsen til en elektrisk kortslut-ning over det smeltede elektrolyttiske skikt 15 mellom anoden og det smeltede aluminiumskikt 14, noe som krever innledning av korrigerende forholdsreg-ler for å fjerne en utragende del av anoden.

På den annen side vil der anvendes en noe for-skjellig styreprosess i forbindelse ved tapping av cellen for fjerning av aluminium. Det er f. eks. funnet ønskelig å korrigere A/K-avstanden etter avslut-ning av tappeoperasjonen ved at anode/katodeav-standen innstilles på en til å begynne med høyere cellemotstand enn den som ellers ville ha vært optimal under mer stabile operasjonsbetingelser. Under disse omstendigheter er det vanligvis tilrådelig også å avbryte den manuelle mating eller innstille matningsinnretningen på lav matningshastighet. Driften av cellen blir deretter fortsatt for å tillate cellen å reagere på disse styretiltak, og ytterligere styreoperasjoner kan finne sted hvis der inntreffer én eller flere ytterligere forstyrrelser. I fravær av forstyrrelser kan A/K-avstanden deretter trinnvis kor-rigeres på ny nærmere den ønskede innstilling for vanlig drift etterhvert som cellen går tilbake til sta-bil tilstand.

Hvis der deretter oppdages en forstyrrelse, tol-kes dette som at der er behov for å undersøke om en karbonblokk er for lavt plasert (på samme måte som man behandler forstyrrelser som ikke er forbundet med tapping eller usedvanlig stor mating av cellen, slik det er omtalt tidligere). Hvis der imidlertid oppdages en forstyrrelse under drift med den høyere motstand, vil en vedvarende angivelse av en forstyrrelse ha sammenheng med utviklingen av en slamtilstand som gjør det nødvendig å stanse mating av aluminiumoksyd til badet og også kan kreve at anodene heves, særlig hvis A/K-avstanden i mellom-tiden er stilt noe tilbake fra den foran nevnte innstilling hvor motstanden er høyere. Inntil angivelsen av en forstyrrelse er opphørt blir matingen da full-stendig avbrutt, eller matningsinnretningen innstilles på en redusert hastighet som ikke er større enn den nevnte lave matningshastighet av matningsinnretningen.

Vanligvis blir derfor A/K-avstanden øket noe etter en tappeoperasjon, og en justering av denne avstand i retning tilbake til den normale cellemotstand (svarende til en optimal A/K-avstand for kontinuerlig drift av cellen) utføres bare i fravær av forstyrrelser som skyldes enten slamdannelse som følge av usedvanlig store mengder uoppløst aluminiumoksyd eller en lav karbonblokk.

Regulering av A/ K- avstanden.

Ved utførelse av den foreliggende oppfinnelse i overensstemmelse med hva som er beskrevet foran holdes aluminiumoksydkonsentrasjonen i badet innen et på forhånd bestemt område. Når det oppdages at aluminiumoksydkonsentrasjonen har en bestemt verdi innenfor styreområdet, vil operatøren overveie behovet for regulering av anoden for å oppnå en cellemotstand som svarer til en på forhånd fastlagt optimal verdi av A/K-avstanden. Deretter vil operatøren holde anodestillingen hovedsakelig uendret gjennom hele resten av aluminiumoksyd-styreperioden. Når aluminiumoksydkonsentrasjonen i badet igjen når den samme eller en annen kjent verdi, vil operatøren gjenta operasjonen med den nødvendige korrigering av anodestillingen.

Fremgangsmåten til å fastlegge den optimale A/K-avstand og fra denne beregne den tilsvarende verdi for cellemotstanden vil fremgå av den etter-følgende redegjørelse. Den effektive A/K-avstand i cellen kan fås fra en matematisk formel som er av-ledet fra resultatene av noen få enkelte forsøk ut-ført mens aluminiumoksydkonsentrasjonen holdes hovedsakelig konstant. Den således oppnådde A/K-avstand blir så avmerket som funksjon av tilhør-ende verdier for egenskaper som angir cellens yte-evne, f. eks. produksjonsmengden, som fås gjennom kjenskap til vekten av det aluminiumoksyd som til-settes cellen, og vekten av det aluminium som fjernes fra cellen i løpet av et egnet tidsrom, eller på andre måter. Den A/K-avstand som svarer til den største produksjonsmengde av cellen, blir deretter anslått på grunnlag av de inntegnede verdier. Denne optimale verdi for A/K-avstanden blir deretter anvendt til beregning av den tilsvarende cellemotstand for en på forhånd fastlagt inngangseffekt til anlegget.

Verdien av cellemotstanden RC for det bestemte

aluminiumoksydinnhold fås som summen av:

1. Den ytre motstand Rytre, som består av summen av de ohmske motstander i de elektriske kretser for a) anodesystemet mellom anodestrømskinnen 20 og karbonblokken 16, inklusive disse organer og b) katodesystemet mellom det smeltede aluminiumskikt 14 og katodestrømskinnen 19, inklusive de nevnte organer, idet disse motstander måles periodisk med egnede elektriske måleinstrumenter. 2. Den motstandsgivende del av overspenningen Roverspenning somfås som den første deriverte av anodeoverspenningen med hensyn på cellestrømmen fra målinger ved en rekke forskjellige cellestrøm-mer av spenningsforskjellen mellom på den ene side en referanseelektrode av karbon eller grafitt som er omgitt av en konstant sammensatt blanding av CO2og CO (N. E. Richards and B. J. Welch, «Extractive Metallurgy of Aluminium» Volume 2, John Wiley & Sons, New York 1963), og som står i berøring med den smeltede elektrolytt inne i et hull som strekker seg gjennom karbonblokken 16, og på den annen side et punkt inne i blokken 16 nær det nevnte hull og nær bunnen av blokken, men beskyt-tet mot inntrengning av smeltet elektrolytt, og 3. motstanden av den smeltede elektrolytt RBsom er bestemt av ligningen

hvor Z er A/K-avstanden, K er konduktiviteten av den smeltede elektrolytt (konduktiviteten kan måles

eller fås fra elektrolytt-analyser og offentliggjorte data) og Ae er den effektive ledende overflate av den smeltede elektrolytt (denne overflate kan anslås fra elektriske analogimodeller). Verdien av l/KAekan bestemmes som den første deriverte av cellemotstanden med hensyn på Z fra målinger av den samlede cellemotstand ved en rekke bestemte stil-linger av anoden. Det foretrekkes å utføre disse målinger under tidsrom hvor cellen arbeider nor-malt under stabile operasjonsbetingelser, d.v.s. når 1) den overlagrede vekselstrømskomponent av cellespenningen har hovedsakelig normal verdi som angitt tidligere, 2) der ikke nylig har funnet sted noen tapping av cellen eller noen sterk matning som f. eks. ved bryting av skorpen 3) temperaturen av celleelektrolytten ligger innenfor sitt normale drifts-område, som vanligvis anses å være ca. 980 — 1000°C for celler med forhåndsbrente anoder og ca. 970 — 990°C for Søderbergceller, og som i betydelig grad er avhengig av det sted i cellen hvor temperaturen måles, og 4) nylig innstallerte blokker i celler med flere anodeblokker har oppnådd f. eks. mer enn 80 % av sin normale strømbelastning.

En matematisk formel for fastleggingen av A/K-avstanden og beregningen av den tilhørende cellemotstand ved den valgte aluminiumoksydkonsentrasjon er således

Det er funnet at Rytrekan variere med cellens alder, nærvær eller fravær av slam og anodens tilstand, og Rytrebør derfor måleS°fte-Roverspe„ning avhenger i første rekke av den fysiske størrelse av karbon-blokkene 16, deres kjemiske sammensetning og fremgangsmåte til fremstilling av blokkene og be-høver derfor bare bestemmes med lange mellomrom. Ae avhenger i første rekke av størrelsen av karbonblokken 16 og graden av kantskorpedannelse langs sideveggene av cellen samt i en viss grad av A/K-avstanden og neddykningen av blokken 16 i den smeltede elektrolytt, og Ae blir derfor trinnsvis bestemt på ny hver gang der finner sted en vesentlig forandring av den normale verdi for en eller flere av disse størrelser.

Det er funnet at den del av RoverBpenning som varierer med anodenes kjemiske sammensetning og fremgangsmåten til deres fremstilling, uten videre kan bestemmes fra laboratoriemålinger av overspen-ning, f. eks. utført i overensstemmelse med de fremgangsmåter som beskrives av Richards og Welch i den ovenfor angitte bok. Fagfolk vil være klar over at slike data i kombinasjon med fremgangsmåtene til å optimalisere A/K-avstanden i overensstemmelse med oppfinnelsen skaffer en fremgangsmåte til å anslå den økonomiske betydning av foreslåtte forandringer i sammensetningen eller fremstillings-prosessen for karbonanodene, før slike forslag prø-ves ved hjelp av kostbare og tidskrevende forsøk i produksjonen på vanlig måte.

A/K-avstanden omregnes til en optimal cellemotstand ved anvendelse av ligning (2), og aluminiumoksyd-reduksjonscellen innstilles periodisk på denne optimale motstandsverdi under styrings-prosessen til å holde aluminiumoksydkonsentrasjonen innen valgte grenser.

Når der i fremstillingen er henvist til hendelser eller operasjoner som finner sted eller skal utføres

«ofte» eller «med korte mellomrom», menes der så ofte som omtrent hvert femte minutt, og betegnel-sen er ment å skulle dekke såvel hovedsakelig kontinuerlige operasjoner som operasjoner som finner sted periodisk med jevne eller ujevne mellomrom. Uttrykket «periodisk» er ikke begrenset til hendelser med jevne mellomrom, men anvendes i betyd-ningen «fra tid til annen».

Claims (5)

1. Fremgangsmåte til drift av en elektrolysecelle for fremstilling av aluminium, hvor aluminium-oksyd oppløst i et saltsmeltebad reduseres til aluminiummetall ved at en elektrisk strøm føres gjennom badet, og hvor cellemotstanden ved konstant anode/katode-avstand har en minimumsverdi ved en bestemt aluminiumoksydkonsentrasjon i badet og øker på begge sider av denne konsentrasjon, karakterisert ved at retningen for forandring av cellemotstanden påvises periodisk, og at tilførselen av aluminiumoksyd til badet reguleres som svar på en overgang fra en nedadgående til en oppadgående trend i motstanden for å motvirke denne oppadgående trend og holde cellemotstanden i nærheten av minimumsverdien.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at tilførselen av aluminium-oksyd reguleres ved at tidsrommet mellom etter hverandre følgende matningssatser av aluminium-oksyd reguleres i avhengighet av den påviste retning.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at tidsrommet mellom hver matningssats av aluminiumoksyd kan varieres etter valg for å gi bestemte matningshastigheter, her-under en høy hastighet og en lav hastighet som er henholdsvis større enn forbrukshastigheten av aluminiumoksyd som følge av elektrolysen, og mindre enn forbrukshastigheten, og at tilførselen reguleres ved skiftning mellom den nevnte høye og den nevnte lave hastighet.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at aluminiumoksyd tilføres badet avvekslende med den nevnte høye og den nevnte lave hastighet, idet der ved angivelse av en økende cellemotstand ved drift med den ene eller den annen av hastighetene skiftes til den annen hastighet.

5. Fremgangsmåte som angitt i et av de fore-gående krav, karakterisert ved at anode/ katode-avstanden, i en tid da motstandsreguleringen av aluminiumoksydtilførselen har holdt aluminiumoksydkonsentrasjonen i badet innenfor reguleringsområdet, reguleres for å innstille cellemotstanden på en på forhånd fastlagt tallverdi svarende til den ønskede anode/katode-avstand for fortsatt drift av cellen.