NO133941B - - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte for regulering av tilførselen av AlOtil en elektrolysecelle for utvinning av aluminium.

Description

For utvinning av aluminium ved elektrolyse av aluminiumoksyd

(A^O-j) blir denne opplost i en fluoridsmelte, som hovedsakelig består av kryolitt, Na^AlFg. Det katodiske utskilte aluminium samler seg under fluoridsmelten på cellens karbonbunn, hvorved overflaten av det flytende aluminium danner katoden. I smeiten er det ovenfra nedfort anoder av amorft karbonmaterial. På anodene oppstår det ved den elektrolyttiske spaltning av aluminiumoksyd oksygen som forbinder seg med anodematerialets karbon til CO og CC^. Elektrolysen finner sted i et temperaturområde mellom 940 og 975°C.

Prinsippet for en aluminiumelektrolysecelle med forinnbrent anode

vil fremgå av den vedfoyde fig. 1, som viser et vertikalsnitt i lengderetningen gjennom en del av en elektrolysecelle. Stålkaret 12, som innvendig er bekledd med en termisk isolasjon 13 av varmebestandig og varmeoppdemmende material samt med et karbonmaterial 11, inneholder elektrolyttens fluoridsmelte 10.

Det katodiske utskilte aluminium 14 legger seg på cellens karbonbunn 15. Overflaten 16 av flytende aluminium gjor herunder tjeneste som katode. I karbonbekledningen 11 er det på tvers av cellens lengderetning innfort jernbarrer 17, som forer elektrisk likestrom fra cellens karbonbekledning 11 utover i sideretning. I fluoridsmelten 10 er det ovenfra neddykket anoder 18 av amorft karbonmaterial, som tilforer likestrom til elektrolytten. Anodene er ved hjelp av stromlederstenger 19 og låseinnretninger 20 fast forbundet med anodebjeiken 21. Strommen flyter fra katodebarrene 17 i en fbrste celle til anodebjeiken 21 for den påfolgende celle gjennom konvensjonelle, ikke viste stromskinner. Fra anodebjeiken 21 flyter strommen gjennom stromlederstengene 19, anodene 18, elektrolytten 10, det flytende aluminium 14, samt karbonbekledningen 11 til katodebarrende 17. Elektrolytten 10 er dekket av en skorpe 22 av stivnet smelte samt et aluminiumoksydskikt 23 ovenpå skorpen. Mellom elektrolytten 10 og den stivnede skrope 22 oppstår under drift et hulrom 25. På sideveggenes karbonbekledning 11 danner det seg likeledes en skorpe a?' stivnet elektrolytt, nemlig sidekanten 24. Kanten 24 er med på å bestemme den horisontale utstrekning av det flytende aluminiumbad 14 og elektrolytten 10.

Avstanden d fra undersiden 26 av anodene til aluminiumsoverflaten 16, og. som også kalles interpolaravstanden, kan forandres ved hevning eller senkning av anodebjeiken 21 ved hjelp av reguleringsverket 27» som er montert på soyler 28. Ved hjelp av reguleringsverket 27 kan samtlige anoder heves eller senkes. Anodene kan imidlertid dessuten også innstilles hver for seg i hoyderetningen ved hjelp av låseinnretninger 20 anordnet på anodebjeiken 21. Som folge av angrep fra det frigjorte oksygen under elektrolyseprosessen forbrukes anodene fra sin underside med en tykkelse på 1,5 - 2 cm pr. dag, alt etter celletypen. Samtidig stiger overflatenivået for det foreliggende flytende aluminium i cellen likeledes med 1,5 - 2 cm pr. dag.

Etter at en anode er forbrukt utbyttes denne med en ny anode.

I praksis drives en celle således at anodene allerede etter noen dager oppviser forskjellige grader av forbrukt material, således at disse i lopet av et tidsrom på flere uker blir utskiftet hver for seg. Av dette folger at det i en og samme celle vil forefinnes anoder med forskjellig driftsalder, hvilket også vil fremgå av figuren. I lopet av elektrolysen utarmes elektrolytten for aluminiumoksyd. Ved en nedre konsentrasjon på 1 - 2% aluminiumoksyd i elektrolytten opptrer en såkalt anpdeeffekt, som gir seg til kjenne ved en plutselig spenningsstigning fra normalt 4 - 4.5 volt til 30 volt eller mer. Senest ved dette tidspunkt må skorpen brytes og A^O^-konsentrasjonen hoynes ved tilforsel av ytterligere aluminiumoksyd.

Cellen betjenes under normal drift utelukkende periodisk, også

når det ikke opptrer noen anodéeffekt. Forovrig må ved hver oppstått anodéeffekt, som angitt ovenfor, badets skorpe brytes og A^Q^-konsentrasjonen heves ved tilforsel av ytterligere A^C^, hvilket tilsvarer en cellebetjening. Anodeeffekten er således under drift alltid forbundet med en cellebetjening, som i motsetning til en normal cellebetjening betegnes som en "anodeeffekt-betjening".

Det elektrolyttisk frembragte aluminium 14, som oppsamles på cellens karbonbunn, tas vanligvis ut fra cellen en gang daglig ved hjelp av konvensjonelle uttaksinnretninger, f.eks. sugeinn-retninger.

Den elektriske klemmespenning fastlegges for hver celle under hensyntagen til cellens alder, tilstanden for karbonbekledningen 11, kantdannelsen 24, sammensetni-ngen av smelteelektrolytten 10 såvel som cellens stromstyrke og stromtetthet.

På grunnlag av klemmespenningen kan cellens indre motstand utledes ved hjelp av folgende ligning:

hvorved Rq er den indre motstand i fL , UQ klemmespenningen i volt, 1.65 dén elektromotoriske kraft i -volt og I cellestromstyrken i amper.

Den korrekte verdi for klemmespenningen tilsvarer en optimal interpolaravstand d. I praksis er den virkelig foreliggende interpolaravstand tidvis storre eller mindre enn den optimale avstand. Disse avvik bevirkes hovedsakelig av okning av overflatenivået for det flytende aluminium 14 på karbonbunnen 15, av avbrenning, av anodene 18 på deres underside 26, samt av dimensjonsforandringer av badet som folge av tykkelesesforandringer for sidekanten 24. Den således definerte interpolaravstand er middelverdien for interpolavstandene for de forskjellige anoder i cellen.

Likestrbmmen bevirker i alle stromforende deler av cellen et

ohmsk spenningsfall og utover dette, ved spaltning av aluminium-oksydet i elektrolytten 10, en elektrokjemisk motspenning som elektromotorisk kraft EMK. Summen av alle ohmske spenningsfall og den elektromotoriske kraft gir cellens klemmespenning.

Cellens klemmespenning kan derfor uttrykkes ved hjelp av folgende formel:

hvorved UQ betegner klemmespenningen i volt, E betegner den elektromotoriske kraft i volt, og IR angir summen av alle ohmske spenningsfall i volt.

Den foreliggende EMK kan vanligvis sammensettes av en strom-uavhengig del Eq og en stromavhengig del E^. Eq kan utledes av spennings-strom-kurven ved ekstrapolering til en cellestrom lik null.

EQ er ved konstant temperatur av fluoridsmelten 10 for det meste avhengig av A^O^-konsentrasjonen i f luoridsmelten 10.

AljO^-konsentrasjonen i fluoridsmelten kan på den ene side direkte bestemmes ved uttak av en elektrolyttprbve og kjemisk analyse av denne, samt på den annen side indirekte bestemmes f ..eks. ved utledning av den stromuavhengige del Eq av cellens

EMK.

Nevnte direkte bestemmelser medforer et stort tidsforbruk og kommer derfor neppe på tale for den direkte praktisk anvendelse ved drift av elektrolyseceller.

Direktebestemmelsen ved utledning av den stromuavhengige del EQ kan imidlertid fore til store feil. For ekstrapolering anvendes nemlig stromstyrke og spenning i det normale arbeidspunkt samt i et ytterligere punkt ved redusert stromstyrke. Ved omfattende undersøkninger har imidlertid oppfinnerne av foreliggende oppfinnelse funnet at spennings-strom-kurven i området omkring det normale arbeidspunkt ofte ikke forloper lineært. Dette er da grunnen til at man ofte ved ekstrapolering ikke finner frem til den riktige verdi for EQ..

Denne ulempe ved den indirekte bestemmelse unngås ved anvendelse av oppfinnelsens fremgangsmåte.

Fremgangsmåte i henhold til oppfinnelsen for regulering av tilforslen av A^O^ -til en elektrolysecelle for elektrolyttisk utvinning av aluminium har som særtrekk at folgende tiltak utfores i den angitte rekkefolge: a) måling av strømstyrken i cellens normale arbeidspunkt; b) utforelse av en forste nedsettelse av stromstyrken i ett eller to trinn for oppnåelse av strom/spennnings-kurvens linearitet; c) utledning av cellens strom- og spennings-verdi innen 1 minutt etter den forste nedsettelse av stromstyrken; d) utforelse av en annen stromstyrkenedsettelse til ^en samlet stromstyrke-minskning på hoyst 25% og minst 10% mer enn den . forste stromstyrkenedsettelse innen ca. 1 til senest 10 minutter etter den forste nedsettelse av stromstyrken; e) utledning av verdiene av spenning og stromstyrke for cellen ved et tidspunkt mellom et halvt minutt og 2 minutter etter den annen stromstyrkenedsettelse; f) tilbakestilling av stromstyrken på normalt arbeidspunkt; g) ekstrapolering av cellespenningen ved stromstyrken lik null på grunnlag av spennings- og strbmverdiene etter den forste

stromstyrkenedsettelse og de tilsvarende verdier etter den annen nedsettelse;

h) bestemmelse av A^O^-konsentrasjonen på grunnlag av det kjente sammenheng mellom den stromuavhengige del Eq av den

elektromotoriske kraft og A^C^-konsentrasjonen; og

i) tilforsel av den manglende Al^C^-mengde, henhv. nedsettelse av Al203-tilforslen når konsentrasjonen ligger under, henhv. over en onsket referanseverdi.

Undersøkelser utfort av oppfinneren har fort til den erkjennelse

at spennings-strom-kurven i de fleste tilfeller begynner å forlope lineært etter en stromstyrkenedsettelse på omkring 5%. Prinsipielt kan denne verdi på 5% kontrolleres ved et enkelt forsok for hver celle. Det anbefales imidlertid ved den nevnte forste stromstyrkenedsettelse å ikke overskride 8%, da det ved den annen stromstyrkenedsettelse ikke må overskrides en samlet stromstyrkeminskning på 25%, regnet fra det normale arbeidspunkt, slik det vil bli nærmere forklart nedenfor. Overskrides nemlig verdien på 8% ved den forste stromstyrkenedsettelse, vil det foreligge for liten differanse til verdiene ved den annen stromstyrkenedsettelse og dermed oppstå for store feil ved ekstrapoleringen.

Den tidsmessige begrensning mellom 1 minutt og hoyst 10 minutter mellom den forste og den annen stromstyrkenedsettelse er nodvendig for at man på den ene side skal kunne forvisse seg om at det etter den forste stromstyrkenedsettelse er oppnådd stabilitet i cellen, (ingen nevneverdige spenningsfluktuasjoner ved konstant cellestrom), og på den annen side kan hindre at for eksempel elektrolytt-temperaturen avtar for raskt og elektrolytten dermed forandrer sin spesifikke elektriske ledningsevne.

Hvis ikke det oppnås cellestabilitet etter den forste nedsettelse

av cellestromstyrken, må stromstyrken ytterligere nedsettes noen få prosent, men hoyst til en samlet verdi på 8%, eller også må måleprosessen avbrytes for å gjentas ved et senere tidspunkt og naturligvis ved videregående nedsettelse av stromstyrken. Den forste stromstyrkenedsettelse kan således finne sted i to trinn, f.eks. i et forste trinn på 5% og i et annet trinn på 2%, hvilket tilsvarer en samlet forste stromstyrkenedsettelse på 7%. Ved den annen stromstyrkenedsettelse er det på den ene side nodvendig med en absolutt forskjell på minst 10% i forhold til den forste stromstyrkenedsettelse, for at, slik det nærmere er angitt ovenfor,

å oppnå tilstrekkelig stor forskjell mellom de spenningsverdier som utnyttes for ekstrapoleringen. På den annen side bor den oppnådde samlede stromstyrkenedsettelse etter den annen nedsettelse ikke overskride 25%, regnet fra det normale arbeidspunkt, da for lave cellestromstyrker vil påvirke de magnetiske tilstander i det flytende aluminium i en sådan grad at cellespenningen forfalskes, f.eks. ved

forandring av interpolaravstanden. Avgrensningen til et halvt minutt er nodvendig da det vil ta en bestemt tid for spenningen folger forandringen i stromstyrken. Da denne tid aldri er lenger enn et halvt minutt, vil spenningsforandringen med sikkerhet være fullfort etter dette tidsrom. Den annen begrensning (på 2 minutter) er nodvendig fordi temperatursenkningen ved den lavere stromtetthet etter den annen stromstyrkenedsettelse,

finner sted temmelig hurtig. En lavere temperatur tilsvarer en lavere elektrisk ledningsevne.

Målingene av cellens stromstyrke foretas sentralt for alle

celler ved hjelp av en regnemaskin, f.eks. under benyttelse av en likestromsomformer. En sådan likestromsomformer befinner seg oftest i likeretteranlegget.

Spenningen for hver celle måles mellom strommens inngangs- og utgangs-klemme, hvorved utgangsklemmen for enhver celle vanligvis er identisk med inngangsklemmen for den påfolgende celle. For måling av cellespenningen kan f.eks. potensialforskjellen mellom tilsvarende punkter på anodebjeiken 21 (fig. 1) for hver celle av to påfolgende celler anvendes. Disse potensialforskjeller overfores ved hjelp av passende elektriske ledninger til regnemaskinen.

Fig. 2 anskueliggjør de nevnte reguleringstiltak i henhold til oppfinnelsen ved hjelp av et diagram. I dette diagram er cellestrbmmen I i amper vist som funksjon av tiden t i sekunder. Mellom 50 og 51 er det angitt cellestrommens styrke i det normale arbeidspunkt. Deretter folger en forste måling. Cellens stromstyrke beloper seg g.eks. til 100.000 A. Ved 51 foretas den forste stromstyrkenedsettelse til en lavere verdi 52, f.eks. til 95.000 A, hvilket tilsvarer en stromstyrkenedsettelse på 5% eller 5000 A. Mellom 52 og 53 undersokes spennings- og strom-styrkeverdiene for alle celler som skal måles, idet de oppnådde måleverdier undersokes med hensyn til cellestabiliteten.

Hvis det mellom 52 og 53 er fastslått en stabil celletilstand, folger ved 53 den annen stromstyrkenedsettelse," for eksempel med 15% (tilsvarende 15.000 A) til 80.000 A, nemlig punktet 56. Mellom 56 og 58 utledes atter spennings- og stromstyrke-verdier for alle celler. På grunnlag av på den ene side de verdier som er utledet mellom punktene 52 og 53 og på den annen side de verdier som er utledet mellom punktene 56 og 58, utledes ved ekstrapolering den stromuavhengige del EQ av den elektromotoriske kraft (EMK). Ved 58 er målingene avsluttet, og den normale stromstyrke, f.eks. 100.000 A, kan atter innstilles,hvilket er utfort ved punktet 59.

Hvis det mellom 52 og 53 ikke oppnås cellestabilitet, kan et ytterligere trinn av den forste stromstyrkenedsettelse utfores til 54, f.eks. til 92.000 A (hvilket tilsvarer en ytterligere stromstyrkenedsettelse på 3%, hvoretter det mellom 54 og 55 atter undersokes om cellestabilitet er oppnådd. Hvis den onskede stabilitet kan påvises, folger ved 55 den annen stromstyrkenedsettelse på 12% til 57 (80.000 A) hvorpå tidligst et halvt minutt, men ikke senere enn 2 minutter etter den annen stromstyrkenedsettelse, spennings- og stromstyrke-verdier utledes for hver av de foreliggende celler. Hvis cellestabilitet ikke oppnås mellom 54 og 55, innstilles atter den normale cellestrom ved 60, f.eks. på 100.000 A. Hvis det mellom 52 og 53 ikke oppnås cellestabilitet, kan man selvfolgelig allerede fra 53 gå tilbake til normal stromstyrke ved 61, uten at det gjores forsok på ved hjelp av et ytterligere, forste stromnedsettelsestrinn å komme frem til cellestabilitet.

Claims (1)

1. Fremgangsmåte for regulering av tilforslen av Al2°3 t:L1 en elektrolysecelle for elektrolyttisk utvinning av aluminium, karakterisert ved folgende tiltak som utfores i den angitte rekkefolge:

   a) måling av stromstyrken i cellens normale arbeidspunkt^ b) utforelse av en forste nedsettelse av stromstyrken i ett eller to trinn for oppnåelse av strbm/spennings-kurvens linearitet/c) utledning av cellens strøm- og spenningsverdi innen 1 minutt etter den forste nedsettelse^d) utforelse av en annen stromstyrkenedsettelse til en samlet strdmstyrkeminskning på hoyst 25%, og minst 10% mer enn den forste stromstyrkenedsettelse, innen ca. 1 minutt til senest 10 minutter etter den forste nedsettelse av stromstyrken) e) utledning av verdiene av spenning og stromstyrke for cellen ved et tidspunkt mellom et halvt minutt og 2 minutter etter den annen stromstyrkenedsettelsej f) tilbakestilling av stromstyrken til normalt arbeidspunkt/g) ekstrapolering av cellespenning ved stromstyrke lik null på grunnlag av spennings- og strom-verdiene etter den forste stromstyrkenedsettelse og de tilsvarende verdier etter den annen nedsettelse jf h) bestemmelse av A^O^-konsentrasjonen på grunnlag av den kjente sammenheng mellom den stromuavhengige del EQ av den elektromotoriske kraft og Al203-konsentrasjonen, og i) tilforsel av den manglende Al203-mengde, henhv. nedsettelse av Al203-tilforslen når Al203-konsentrasjonen ligger under henhv. over en onsket referanseverdi.