NO143633B - Fremgangsmaate for regulering av tykkelsen av et randsjikt av stoerknet smelte i en elektrolysecelle for utvinning av aluminium - Google Patents

Description

For utvinning av aluminium ved hjelp av elektrolyse av aluminiumoksyd (A^O.^) oppløses denne i en fluoridsmelte,

som for størstedelen består av kryolitt Na^AlFg. Denne smelte inneholdes i en celle, hvis innervegger utgjøres av amorft karbon. I denne smelte neddykkes ovenfra anoder av amorft karbon. Det katodisk utskilte aluminium samler seg i flytende tilstand under fluoridsmelten på bunnen av cellen. Ved elektrolytisk spalting av aluminiumoksyd utvikles ved anodene oksygen, som forbinder seg med karbon i anodene til CO og C02. Elektrolysen finner sted i et temperaturområde omkring

940 til 975°C.

Oppbygningen av en aluminium-elektrolysecelle med forinn-

brente anoder vil fremgå av den vedføyde figur, som viser et skjematisk vertikalsnitt i lengderetningen gjennom en del av en elektrolysecelle, a Stålkaret 12, som er foret med en termisk isolasjon 13 av varmebestandig, varmedemmende materiale 13, f.eks. chamott, samt med karbon 11, inneholder fluoridsmelten 10 (elektrolytten). Det katodisk utskilte'aluminium' 14 ligger på cellens karbonbunn 15. Overflaten 16 av det' flytende aluminium utgjør således^katoden. I karbonforingen 11 er det (i dette tilfelle på tvers av cellens lengderetning) lagt inn katodestaver 17 av jern, som fører den elektriske likestrøm ut fra cellen. I fluoridsmelten 10 er det ovenfra neddykket anoder 18 av amorft karbon, som fører likestrøm til elektrolytten." Anodene er fast forbundet med anodebjelken 21 over strømleder-stenger 19 og festeorganer 20. Anodebjelken kan bestå av en eller flere strømskinner.

Strømmen flyter fra katodestavene 17 i en første celle til anodebjelken 21 i den påfølgende celle gjennom konvensjonelle, ikke inntegnede strømskinner. Fra anodebjelken 21 flyter strømmen videre gjennom strømleder-stengene 19, anodene 18, elektrolytten 10, det flytende aluminium 14 og karbonforingen 11 til katodestavene 17. Elektrolytten 10 er dekket av en skorpe 22 av størknet smelte og et skikt av aluminium-

oksyd 23 ovenpå skorpen. Mellom elektrolytten 10

og den størknede skorpe 22 oppstår det under drift et hulrom 25. På sideveggene av karbonforingen 11 danner det seg like-ledes en skorpe av størknet elektrolytt i form av et randskikt 24. Tykkelsen av skiktet 24 er medbestemmende for den horisontale utstrekning av det foreliggende bad av flytende aluminium 14 og elektrolytt 10. Ved stigende temperatur avtar vanligvis tykkelsen av skiktet 24, mens skikttykkelsen ved fallende temperatur vanligvis tiltar.

Den midlere avstand d mellom anodenes underside 26 og overflaten 16 av flytende aluminium kalles også interpolaravstanden og kan forandres ved hevning eller senkning av anodebjelken 21 ved hjelp av heveverket 27, som er montert på søyler 28. Dette påvirker alle anoder. Anodene kan imidlertid også heves og senkes hver for seg, ved åpning av det tilordnene festeorgan 20, hvoretter strømleder-stangen 19 forskyves i forhold til anodebjelken 21 og festeorganet 20

til slutt atter trekkes til. Som en følge av angrep fra frigjort oksygen under elektrolysen forbrukes anodene på undersiden kontinuerlig med ca. 1,5 til 2 cm pr. dag (anodeav-brehning) alt etter celletypen, og samtidig stiger høyden av flytende aluminium 14- i omtrent samme grad som en følge av utskilt aluminium ved katoden.

Når en anode er forbrukt, må den utskiftes med en ny. Cellen drives imidlertid i praksis slik at cellens anoder noen dager etter igangsettingen ikke lenger oppviser samme avbrenrtings-grad og derfor alt etter nedbrytningsgraden må utskiftes fordelt over flere uker. Av denne grunn vil det i en og samme celle finnes anoder med forskjellig driftsalder, hvilket også vil fremgå av figuren.

Den horisontalflate som opptar undersidene av anodene i cellen, kalles anodebordet. Arbeidsprinsippet for en aluminium-elektrolysecelle med selvbrennende anode (Søderberg-anode) er det samme som for en aluminium-elektrolysecelle med forinnbrente anoder.

I stedet for forinnbrente anoder anvendes imidlertid i dette tilfelle anoder hvor fersk elektrodemasse i et stålhylster kontinuerlig innbrennes under elektrolyseprosessen ved hjelp av cellevarmen. Likestrømmen tilføres i dette tilfelle fra siden gjennom horisontale stålbolter eller ovenfra gjennom vertikale stålstaver. Disse anoder kompletteres etter behov ved ytterligere tilførsel av fersk elektrodemasse til stål-hylsteret.

Ved å slå hull på den øvre elektrolyttskorpe 22 (overflateskorpen) bringes aluminiumoksyd 23 ovenpå skorpen ned i elektrolytten 10. Denne arbeidsoperasjon kalles cellebetjening. I løpet av elektrolyseprosessen utarmes elektrolytten for aluminiumoksyd. Ved en nedre konsentrasjon på f.eks. 1

til 2,5% aluminiumoksyd i elektrolytten oppstår det anodeeffekt, som gir seg til kjenne ved en plutselig spennings-stigning fra den normale verdi på 4 til 4,5V til f.eks. 20V. Senest ved dette tidspunkt må da skorpen brytes og Al-jO^-. konsentrasjonen forhøyes ved tilførsel av ytterligere aluminiumoksyd.'

Ved normal drift betjenes cellen vanligvis periodisk,! også

når det ikke foreligger noen anodeeffekt. En cellebetjening av denne art vil i det følgende bli betegnet som "normal cellebetjening". Denne finner sted f.eks. hver annen til sjette time. I tillegg til dette må overflateskorpen brytes ved hver oppstått anodeeffekt, slik som angitt ovenfor, for forhøyning av A^O^-konsentrasjonen ved tilførsel av ytterligere A^O^ , hvilket også tilsvarer en cellebetjening. Under drift av cellen er således enhver anodeeffekt forbundet med en cellebetjening, og denne betjening betegnes i motsetning til en normal cellebetjening som "anodeeffektbetjening".

Det elektrolytisk fremstilte aluminium 14, som har samlet seg opp på cellens karbonbunn 15, tas vanligvis ut av cellén en gang daglig, f.eks. ved hjelp av konvensjonelle sugeinnretninger. Herved tilbakeføres så normalt høydenivå av det flytende aluminium 14 til en optimal verdi for vedkommende celletype. Denne verdi tilsvarer den forut fastlagte ønskede verdi av metallnivået. Metalluttaket kalles også uttapping.

En karakteristisk størrelse under cellens drift er den elektriske normalspenning. Denne fastlegges for hver celle under hensyn til cellens alder, karbonforingens tilstand, sammensetningen av smelteelektrolytten 10 såvel som cellens strømstyrke og tetthet. For fastlegging av normalspenningen tas det dessuten hensyn til den horisontale utstrekning av katodeoverflaten 16, som påvirkes av tykkelsen av randskiktet 24.

Ut fra normalspenningen kan cellens normalmotstand beregnes

ved hjelp av følgende ligning:

Rq er den ohmske normalmotstand i ohm, UQ er normalspenningen i volt, 1,65 er cellens mot-EMK i volt og J er øyeblikks-verdien av cellens strømstyrke i ampere.

Den riktige verdi av normalspenningen tilsvarer en optimal interpolaravstand. Hvis cellen drives slik at den horisontale utstrekning av katodeoverflaten 16 forblir uforandret, så vil vanligvis nivåstigningen av det flytende aluminium på karbonbunnen være lik avbrenningen på anodenes underside.

De vanligvis valgte dimensjoner av anodene og katodene tar sikte på å oppnå dette forhold. I dette tilfelle vil f.eks. ikke bjelkestillingene henholdsvis umiddelbart etter en uttapping og umiddelbart før den påfølgende uttapping være inn-byrdes forskjellige. I vanlig praksis vil imidlertid den virkelige foreliggende interpolaravstand tidsvis, f.eks. mellom to uttappinger, være større eller mindre enn den optimale interpolaravstand. Avvikene skriver seg imidlertid hoved-sakelig fra uregelmessig stigning av høydenivået av det flytende aluminium på cellens karbonbunn som følge av varierende horisontal utstrekning av katodeoverflaten 16 på grunn av forandring av tykkelsen av randskiktet 2 4 og/eller på grunn av uregelmessig avbrenning på undersiden av anodene. Sammenlignes således anodebjeikens stilling f.eks. umiddelbart etter en uttapping med tilsvarende verdi umiddelbart før den påfølgende uttapping, kan det ofte påvises forskjeller.

'Da anodeavbrenningen i kortere tidsrom, f.eks. mellom to uttappinger, kan betraktes som regelmessig og mindre for-styrrelser i denne avbrenning ikke er nødvendig å ta i betrakt-ning i forbindelse med foreliggende oppfinnelse, kan således forandringer i anodebjeikens stilling anses å være en nød-vendig følge av forandringer av randskiktets tykkelse, således at en tilbakeføring av skiktets tykkelse til den ønskede verdi på dette grunnlag kan oppnås ved hjelp av i og for seg kjente tiltak.

Oppfinnelsen gjelder således en fremgangsmåte for regulering av tykkelsen av et randskikt av størknet smelte i en elektrolysecelle for utvinning av aluminium ved..elektro-• lyse av aluminiumoksyd oppløst i fluoridsmelte, hvorunder forandringer A Bi anodebjelkens stilling fastlegges og i og for seg kjente tiltak treffes på grunnlag av størrelse og retning av en fastlagt forandring A B, med det formål å bringe randskiktets tykkelse tilbake til en forut bestemt ønsket verdi.

Denne fremgangsmåte har herunder som særtrekk i henhold til oppfinnelsen følgende prosesstrinn: a) cellens foreliggende ohmske motstand beregnes med jevne tidsmellomrom, hvori det ikke finner sted noen anodeeffekt eller noen arbeidsoperasjon som påvirker den ohmske motstand, de beregnede motstandsverdier utjevnes over en bestemt tidsperiode og forskjellen A R mellom denne utjevnede cellemotstand og en fastlagt referansemotstand•for hver celle beregnes, b) hvis forskjellen A R overskrider en forut bestemt grenseverdi for hver celle, heves eller senkes anodebjelken for tilpassing av den utledede ohmske motstand til referanse-motstanden, c) anodebjeikens stilling utledes deretter ved hjelp av en stillingføler og den utledede verdi lagres,

d) etter høyst en dag gjentas trinnene a), b) og c),

e) ut fra de utledede verdier for anodebjelkens stilling

i henhold til c) og d) beregnes stillingsforandringen A B,

idet det tas hensyn til eventuelle forandringer av anodebjelkens stilling som følge av uttappinger eller metalloverskudd.

En arbeidsoperasjon som nevnt under a), kan være en normal betjening av cellen, ,en anodeeffekt-betjening, en anodeut-skifting eller en uttapping av cellen.. En sådan arbeids-, prosess kan fremdeles påvirke den ohmske cellemotstand opptil 60 min. etter prosessens avslutning. I praksis er det imidlertid tilstrekkelig å vente en halv time etter avslutning av en ovenfor nevnt arbeidsprosess med å bestemme den ohmske celle-motstand .

De angitte regelmessige tidsmellomrom som angis under a),

kan ligge mellom 2 sekunder og 5 min. I praksis har regelmessige tidsmellomrom på 10 sekunder til 1 min. vist seg å

være mest hensiktsmessige.

Den bestemte tidsperiode som er nevnt under a), kan ligge mellom 1 min. og 1 time, og i praksis har det vist seg særlig fordelaktig å velge ca. 10 min.

I det følgende vil en foretrukket utførelse av oppfinnelsens fremgangsmåte bli beskrevet. Fra en regneenhet avføles med regelmessige mellomrom, hvori ingen anodeeffekt og ingen arbeidsoperasjon som påvirker den ohmske celle-motstand finner sted i cellen, cellespenningen U og likestrømmen J hver 10. til 60. sekund for utledning av den foreliggende øyeblikks-verdi av cellemotstanden ved hjelp av ligningen:

R^st er her den ohmske motstand i ohm, U den momentane cellespenningen i volt, 1,65 mot-EMK i volt og J cellestrøm-styrken i ampere.

Den verdi av ^ som bergenes av regneenheten, utjevnes

over en bestemt tidsperiode, f.eks. 10 til 15 min., og sammenlignes med regelmessige tidsintervaller, f.eks. hvert 10 til 15 min., med cellens normalmotstand Rq. Hvis regneenheten fastslår at det foreligger en forskjell R mellom den utjevnede verdi og Rq som overskrider en forut innført og lagret grenseverdi på f.eks. 0,5 yfi, så utsendes en ordre fra regneenheten om hevning eller senkning av anodebjelken inntil cellens normalmotstand atter er innstilt.

På denne måte oppnås innstilling av optimal interpolaravstand for cellen.

Til slutt avføles for første gang anodebjelkens stilling ved hjelp av en stillingsføler anbragt på bjelken, f.eks. ved hjelp av et potensiometer, og leses inn for lagring i regneenheten.

Etter høyst en dag gjentas den samme prosess for innstilling

av cellens normale motstand.

Deretter avføles for annen gang anodebjelkens stilling for lagring i regneenheten.

På grunnlag av de fastlagt anodebjelke-stillinger første og annen gang dannes differansen <^ B.

Hvis metall uttappes mellom den første og annen bestemmelse

av anodebjelkens stilling, må høyden av 'det uttappede metall trekkes fra den utledede differeanse A B.

Hvis det mellom de to stillings-avfølinger gis et metalltil-skudd til cellen, må høyden av det tilsatte metall legges til den utledede differanse AB.

Hvis differansen A B = 0, kan det sluttes av dette at tykkelsen av randskiktet ikke har forandret seg mellom de to bestemmelser av anodebjelkens stilling. Følgelig treffes det i dette tilfelle ingen tiltak for forandring av kantskiktets tykkelse.

Er forskjellen A B positiv f.eks. A B = +10 mm, fastslås en økning av randskiktets tykkelse.

Er differansen negativt, f.eks. A B = -10 mm, fastslås en minskning av randskiktets tykkelse.

Hvis,det i henhold til oppfinnelsen finnes en verdi A B forskjellig fra 0, må det treffes ett eller flere tiltak for å bringe tykkelsen av randskiktet tilbake til den ønskede verdi.

De viktigste tiltak i denne forbindelse, og som alle er kjent av fagfolk, er de følgende: 1. Forandring av cellens tilførte elektriske effekt ved forandring av interpolaravstanden og dermed normalmot-standen ved konstant strømstyrke. Hvis den tilførte elektriske effekt forhøyes, nedsettes tykkelsen av randskiktet, og omvendt. 2. Forandring av cellens tilførte elektriske effekt ved forandring av strømmen gjennom cellen uten forandring av interpolaravstanden. En forhøyning av strømstyrken frem-bringer en nedsettelse av randskiktets tykkelse, og omvendt. 3. Forandring av de avgitte varmetap fra cellen ved forandring av metallnivået. En senkning av metallnivået bevirker en minskning av randskiktets tykkelse, og omvendt. 4. Forandring av de bortledede varmetap fra cellen ved forandring av den termiske isolasjon, hvilket skjer på enkleste måte ved forandring av aluminiumoksyd-skiktets tykkelse ovenpå elektrolyttens overflateskorpe og/eller på anodene. En økning av skiktets tykkelse nedsetter cellens varmetap og bevirker derved en nedsettelse av randskiktets tykkelse, og omvendt. 5. Forandring av de bortledede varmetap fra cellen ved forandring av cellebetjeningenes hyppighet. En nedsatt hyppighet fører til en minskning av varmetapene og bevirker derved en nedsatt tykkelse av randskiktet, og omvendt. 6. Forandring av elektrolyttens sammensetning. Komponentene AlF^, LiF, CaF2, MgF,,, NaCl osv. spiller her en viss rolle.

Flere av de ovenfor angitte tiltak kan også anvendes i kombinasjon.

Fordelen ved oppfinnelsens fremgangsmåte ligger i at de forstyrrende forandringer av randskiktets tykkelse kan nedsettes. Derved oppnås en regelmessig celledrift, hvilket leder til forhøyet strømutbytte og nedsatt spesifikt energiforbruk.

Claims (1)

1. Fremgangsmåte for regulering av tykkelsen av et randskikt av størknet smelte i en elektrolysecelle for utvinning av aluminium ved elektrolyse av aluminiumoksyd oppløst i fluoridsmelte, hvorunder forandringer A B i anodebjelkens stilling fastlegges og i og for seg kjente tiltak treffes på grunnlag av størrelse og retning av en fastlagt forandring A B, med det formål å bringe randskiktets tykkelse tilbake til en forut bestemt ønsket verdi,karakterisert ved følgende prosesstrinn: a) cellens foreliggende ohmske motstand beregnes med jevne tidsmellomrom, hvori det ikke finner sted noen anodeeffekt eller noen arbeidsoperasjon som påvirker den ohmske motstand, de beregnede motstandsverdier utjevnes over en bestemt tidsperiode og forskjellen A R mellom denne utjevnede cellemotstand og en fastlagt referansemotstand for hver celle beregnes^- b) hvis forskjellen A R overskrider en forut bestemt grenseverdi for hver celle, heves eller senkes anodebjelken (21) for tilpassing av den utledede ohmske motstand til referanse-motstanden, c) anodebjelkens stilling utledes deretter ved hjelp av en stillingføler og den utledede verdi lagres, d) etter høyst en dag gjentas trinnene a), b) og c) , e) ut fra de utledede verdier for anodebjelkens stilling i henhold til c) og d) beregnes stillingsforandringen A B, idet det tas hensyn til eventuelle forandringer av anodebjelkens stilling som følge av uttappinger eller metalloverskudd.