NO162975B - Fremgangsmaate for setting av elektroder i elektrolyseceller. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for setting av elektroder i elektrolyseceller, spesielt setting av karbonholdige anoder i celler for fremstilling av aluminium ved smelteelektrolyse ifølge Hall-Heroultprosessen, som angitt i ingressen til foreliggende søknadskrav 1.

Aluminium fremstilles i det vesentlige ved elektrolyse av aluminiumoksyd oppløst i et kryolittholdig bad. Elektrolyse-ovnene som tillater dette, består av en karbonkatode anbragt i en stålbeholder som innvendig er isolert med ildfaste, iso-lerende produkter. Over karbonkatoden er det anordnet en kar-bonanode eller et antall karbonanoder som er nedsenket i det kryolittholdige bad og som gradvis oksyderes av oksygen som stammer fra dekomponeringen av aluminiumoksyd.

Strøm føres gjennom cellene fra topp til bunn. Kryolitten holdes i flytende tilstand ved hjelp av Joule-effekten ved en temperatur nær størkningstemperaturen. De vanlige tempera-turer for drift av disse celler er mellom 930 og 980°C. Det aluminium som fremstilles, er derfor flytende og avsettes ved gravitet på den tette katode. Aluminium som fremstilles, eller en del av det fremstilte aluminium, blir regelmessig suget av ved hjelp av en støpeøse og dekantert til smelte-ovner .

Karbonanodene henger i såkalte anodehengere som igjen er festet med klemmer til en anodebjelke for elektrisk og mekanisk tilkobling. Etter hvert som karbonanodene forbrukes og metall tappes fra cellen (metallet utgjør den egentlige katode) blir anodebjelken senket for å bibeholde en mest mulig konstant avstand mellom katoden og karbonanodene. 1 en elektrolysecelle av vanlig størrelse finnes ca. 20 karbonanoder, og siden disse anodene forbrukes gradvis, må en anode skiftes etter ca. 20 - 24 døgns funksjonstid. Hver celle får dermed omtrent ett anodeskift hver dag.

Etter den konvensjonelle settemetode, settes anodene slik at nivået for undersiden av disse blir beliggende i samme avstand fra katoden som den gamle anoden som tas ut. Selve ut-skiftingen kan skje på flere måter. Det mest vanlige er å avsette et krittmerke på anodestangen for den gamle (brukte) anoden som refererer seg til et referansepunkt på anodebjelken, vanligvis undersiden av anodebjelken. Den brukte anoden tas ut og settes på gulvet ved siden av den nye anoden. Ett nytt merke settes av på anodestangen for den nye anoden, i samme høydenivå som krittmerket på den brukte anoden, og den nye anoden settes deretter inn i cellen med krittmerket refe-rerende til referansepunktet på anodebjelken.

Den her beskrevne manuelle måte å skifte anodene på er imidlertid utsatt for flere kilder til feil og unøyaktigheter som skyldes krittmerkenes tykkelse, parallaksefeil når målene (krittmerkene) skal overføres fra den brukte til den nye anoden, ujevnheter i underlaget hvor anodene står, o.s.v.

Feilene og unøyaktighetene fører til at anodene ikke blir plassert i det ønskede nivå cellene, noe som igjen fører til uønskede driftsforstyrrelser (ujevnt strømopptak, anodeslipp etc.) og derav følgende driftstap.

En mekanisk innretning som også bygger på den konvensjonelle settemetode er vist i GB patentsøknad nr. 2.018.291. Innretningen omfatter en kran eller løfteanordning som er innrettet til å løfte ut brukte anoder og sette inn nye anoder i cellene. Settepunktet bestemmes utfra mekaniske målinger, d.v.s. at "netto transporthøyde" (løftehøyden 4- nedbøyning av kranen) for den brukte anode som tas ut skal tilsvare "netto transporthøyde" for den nye anode som settes inn.

Selv om man med denne mekaniske innretning har luket bort en del av de subjektive målefeil, er innretningen belemret med objektive målefeil som har innvirkning på settepunktet for anodene. Innretningen er forøvrig kostbar å fremstille og derav dyr å anvende.

Som nevnt i det foranstående vil feilsetting av anodene føre til driftstap som følge av driftsforstyrrelser under elektro-lyseprosessen. En ytterligere ulempe med den konvensjonelle settemetode som har sammenheng med feilsetting av anodene, og som er felles for de to forannevnte måter å skifte anode på, er øket anodeforbruk, jfr. senere avsnitt.

Med foranliggende oppfinnelse tas sikte på å fremskaffe en fremgangsmåte for setting av anodene i elektrolyseceller hvor overnevnte ulemper unngås, d.v.s. hvor: - det oppnås jevnere strømopptak, med derav redusert fare for anodeslipp og nødvendige etterjusteringer, - kontrollnivået heves fordi en fjerner en systematisk kilde til variasjon i strømopptaket,

det oppnås øket sjanse for å avdekke problem som er knyttet til anode-skifte rutinen, slik som ar.odekull-rester, pigg, slam etc. som blir liggende under anoden,

anodeforbruket reduseres fordi anodestandtiden i prinsippet styres etter den minste kritiske butts (anode-rest),

det er mulig å øke dimensjonene/størrelsen på elektro-lysecellene uten å måtte ta i bruk individuell anode-regulering.

Oppfinnelsen er karakterisert ved de trekk som fremgår av det etterfølgende krav 1.

Fordelaktige utførelser av oppfinnelsen er omtalt i de uselv-stendige kravene 2 - 3 •

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere ved hjelp av eksempel og under henvisning til de vedheftede tegninger hvor: Fig. 1 viser et forenklet oppriss av en elektrolysecelle hvor den konvensjonelle settemetode for anodene er benyttet. Fig. 2 viser et forenklet oppriss av en elektrolysecelle hvor settemetoden i henhold til foreliggende oppfinnelse er benyttet, og Fig. 3 viser skjematisk horisontalposisjonene til n anoder i

en elektrolysecelle.

Som angitt innledningsvis og som skissert i fig. 1 og 2, består en Hall-Heroult elektrolysecelle 1 for fremstilling av aluminium i prinsippet av en katode 2 og en eller flere over katoden anordnet karbonanoder 3. Katoden som rommer det kryolittholdige bad, er laget av karbonblokker 4 som er anbrakt i en innvendig isolert stålbeholder. Karbonblokkene er forbundet med et elektrisk strømuttak ved hjelp av stålstaver som strekker seg gjennom hele katoden (ikke vist).

Karbonanodene er støpt eller på annen måte festet til anodehengere 8 som i sin tur er forbundet med en anodebjelke 7 ved hjelp av festeinnretninger (ikke vist). Anodebjelken tilføres strøm via fleksibler 10 og er hev- og senkbar i et reguleringsområde 12 ved hjelp av jekker 11.

Strøm føres som det vil fremgå av ovenstående fra topp til bunn i cellene. På undersiden av karbonanodene spaltes alu-miniumoksydet som er oppløst i badet 13 under dannelse av oksygen og aluminium metall. Aluminiumet avsettes ved gravitet på katoden, mens oksygenet umiddelbart reagerer med karbonet i anoden til gassformig karbondioksyd. For å holde konstant avstand til katoden blir derfor anodene senket. Dette skjer ved å senke den strømførende anodebjelken ved hjelp av nevnte jekker 11. Når anodebjelken med karbonanodene er kommet til sin laveste stilling, må anodebjelken heises opp - såkalt "kryssheising" - mens anodehengerne er midler-tidig mekanisk fastgjort til en hjelpebjelke som kalles krysserigg.

Som tidligere nevnt finnes vanligvis ca. 20 karbonanoder i en elektrolysecelle, og siden anodene forbrukes gradvis, må en anode skiftes etter ca. 20 - 24 dagers funksjonstid. Hver celle får dermed omtrent ett anodeskift hver dag.

I fig. 1 er anodene satte i henhold til den konvensjonelle settemetode. Siden denne settemetode er nærmere gjort rede for innledningsvis, skal det her bare kort nevnes hvilke ulemper den medfører.

Hovedprinsippet med den konvensjonelle settemetode består i at de nye anodene ved anodeskiftet skal settes inn i samme nivå h over katoden som den brukte anode hadde. Det viser seg imidlertid i praksis at det ved anodeskiftingen oppstår flere feil (feilmålinger etc.) som forer til et relativt stort avvik i settehøyde for de nye anodene. Disse sette-awik fører til øket anodeforbruk samtidig som det fører til driftsforstyrrelser som følge av at de nye kull enten trekker for mye eller for lite strøm.

Sammenhengen er som følger: Settes anodene for lavt (liten interpolaravstand mellom anoden og katoden), trekker de for mye strøm og anodeforbruket øker. Derimot, settes anodene for høyt (stor interpolaravstand), reduseres strømforbruket og anodeforbruket minsker.

I fig. 2 er det vist en tilsvarende elektrolysecelle for fremstilling av aluminium som skissert i fig. 1, men hvor anodene er satt i henhold til foreliggende oppfinnelse. Metoden går ut på følgende: Ved fremstillingen av nye anoder, d.v.s. ved montering av anodekullene til anodehengerne, på-føres én, eller fordelaktig to, referansestrek 16, 17 på anodestengene 9. Referansestrekene kan være i form av en fjernbar maling e.l. og avsettes i en bestemt avstand fra bunnen av anodekullene som er lik for alle anodene. Det lages videre en skala 18 hvor avstanden mellom hver delstrek 19 tilsvarer forventet anodeforbruk pr. tidsenhet. Dette anodeforbruk er avhengig av flere faktorer så som kullkvalitet og strømtetthet.

Skalaene 18 avsettes deretter på anodebjelken, en for hver anode i cellene, i en avstand fra metalloverflaten 15 (grenseflaten mellom bad og metall) som er lik for hver av anodene. Skalaene kan være avtegnet på f.eks. papir som klebes på anodebjelkene, eller være påtegnet (malt) direkte på anodebjelkene.

Delstrekene 19 på skalaene er forsynt med tallverdier 1, 2, 3 o.s.v. i stigende orden nedenfra og opp (ikke vist). Lengden på skalaene er avhengig av lengden på reguleringsområdet 12 for anodebjelken og hvor stor del av anodene som maksimalt kan forbrukes. Herav følger at skalaene må være lenger enn summen av lengden på reguleringsområdet for bjelken og lengden av det maksimale anodeforbruk for anodene.

Ved testing/utprøving av settemetoden i henhold til foreliggende oppfinnelse, ble det funnet at skalaen måtte være ca. 80 cm lang. Videre ble det beregnet et anodeforbruk på 1,6 cm/ døgn. Skalaen ble således funnet å måtte inneholde ca. 50 delstrek. Istedenfor å benytte én referansestrek på anodestengene og en skala på 80 cm, ble det imidlertid funnet mer hensiktsmessig å benytte to referansestrek 16, 17 med ca. 40 cm avstand på anodestengene 9 for å kunne halvere lengden på skalaene (25 delstrek, 40 cm). Det nedre referansestrek på anodestengene kommer derved i det vesentlige til anvendelse når nye anoder settes inn, mens den øvre delestrek i det vesentlige kommer til anvendelse når det foretas kryssing av anodebjelken.

Som nevnt i det ovenstående plasseres skalaene 18 i en avstand fra metall-/bad-grenseflaten som er lik for hver av anodene.

Om man således trekker strek langs anodebjelken som berører den øvre 21, eller nedre 22 ende av skalaene, vil disse ha en form som i det vesentlige samsvarer med den underliggende metall-/bad-grenseflate.

Ved anodeskifte, settes de nye anodene etter forventet sette-høyde, d.v.s. at referansepunktet 16 eller 17 på anodestengene 9 settes i samsvar med det aktuelle delstrek (settepunkt) 19 på den tilhørende skala 18 på anodebjelken. Beregningen av settepunkt skjer normalt ved at regnemaskinen legger til ett delstrek (1,6 cm) for hver dag. Ved avvik, f.eks. ved økende s.trømopptak for hver dag, vil maskinen kunne avgjøre at strømopptaket må reduseres og gi melding om setting av ett settepunkt (delstrek) høyere enn normalt. Resultatene blir presentert ved en daglig setteliste som kull-skifteoperatørene nytter.

Med den her beskrevne settemetode oppnås en vesentlig mer nøyaktig setting av anodene, med derav følgende redusert anodeforbruk, ved at flere kilder til feil er luket bort. Videre oppnås en vesentlig bedre strømfordeling i cellene med ytterligere reduksjon i anodeforbruk ved at avstanden mellom hver enkelt anode i cellene og den underliggende metall-/badgrenseflate er anordnet lik.

Når det gjelder metalloverflaten, kan denne beregnes ved hjelp av statiske metoder basert på målinger eller teoretisk ved hjelp av magnetohydrodymaniske modeller. I det etterføl-gende skal nærmere beskrives en fordelaktig fremgangsmåte for beregning av metalloverflaten ved målinger.

De forannevnte skalaer 18 avsettes på anodebjelken i en elektrolysecelle i samme horisontalplan, og anodene settes etter samme delstrek, d.v.s. slik at undersiden av anodene er beliggende i samme horisontalplan.

Det utarbeides et statistisk materiale i form av målt strøm-opptak, for anoder med 24 timers standtid, I. Dette gjøres for hver anodeposisjon i horisontalplanet. Fig. 3 viser skjematisk horisontalposisjonene til n anoder i en elektrolysecelle.

Uj kan f.eks. representere aritmetisk middel av m enkeltmålinger av strømopptak I, og man får at eller mer generelt:

der E(I) er forventningsverdien for strømopptaket I og p(I) er sannsynlighetstetthetsfordelingen for I.

Med et rimelig statistisk grunnlag, d.v.s. mer enn 100 målinger for hver av de n anodene, kan man si at man kjenner strømopptaksfordelingen for cellen.

For å kunne beregne bad-/metallgrenseflatehøyden under hver anode, må man finne sammenhengen mellom avstanden fra anodeundersiden til bad-/metallgrenseflaten, d, og det angjeldende strø.aopptak 1.

Dette blir gjort ved at man studerer hvor stort utslag man får i strømopptak når anodene blir satt i unormal høyde, Z. Det normale er at anoden som blir satt i tidspunktet k blir satt 1,6 cm (en delstrek) høyere enn anoden satt i tidspunktet k-1 (forutsatt at tidsdifferansen er 24 timer). Forventningsverdien til differansen mellom strømopptaket for anodene satt i tidspunktet k og k-1 er null:

Dette under forutsetning av at anodeforbruket er som stipu-lert (1,6 cm/døgn).

Ved å sette anoden "unormalt", d.v.s. ikke 1,6 cm høyere enn forrige anode, men f.eks. 0 cm eller 2 x 1,6 cm høyere (såkalte stopp- eller hoppkorrektive tiltak) vil forventningsverdien bli ulik null: ^1 er her responsen av en perturbasjon ^Z som er + eller -f-1,6 cm i forhold til det "normale". Det forekommer således et forhåndstall mellom strømopptak og posisjonering av anoden i forhold til bad-/metallgrenseflaten:

Ved å samle et statistisk grunnlag ved mange korrektive tiltak (hopp/stopp), kan man finne en estimator for forventningsverdien for }l/}Z, f.eks. aritmetisk middel, som er forventningsriktig når/hvis ^I/<)z er normalfordelt.

Med estimatoren ^I/^Z kan man nå gå tilbake til den tidligere nevnte strømopptaksfordelingem, og utbøyningen eller krumningen av bad-/metallgrenseflaten relatert til den midlere metallhøyde vil kunne beregnes i samsvar med ligningen:

der DZj er utbøyningen under anodeposisjon j, juj er forventet strømopptak i anodeposisjon j og u er midlere strømopptak for alle anodeposisjonene, n.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte for setting av elektroder i elektrolyseceller, spesielt setting av karbonholdige anoder (3) i celler (1) for fremstilling av aluminium ifølge Hall-Heroultprosessen, hvor cellenes katode (2) inneholder et bad (13) av aluminiumoksyd oppløst i smeltet kryolitt og hvor det aluminium-metall som dannes samles opp på katodebunnen, karakterisert ved at hver av anodene under fremstillingen forsynes med referansepunkt (16 eller 17), f.eks. malingstrek på anodestangen, som definerer en bestemt avstand fra anodebunnen, at anodene settes etter en skala (18) hvor hver delstrek (19) angir forventet anodeforbruk pr. tidsenhet, hvorved referansepunktet (16, 17) på den enkelte anode skal overensstemme med det delstrek på tilhørende skala som svarer til forventet sette-høyde, og at grenseflaten (15) mellom badet og metallet bestemmes ved hjelp av statistiske metoder basert på målinger eller ved teoretiske beregninger basert på magnetohydrodynamiske modeller, at skalaen for hver anode er fiksert, f.eks. på cellens anodebjelker (7), i en på forhånd bestemt og lik avstand (d) fra grenseflaten (15) mellom badet og metallet på katodebunnen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor anodebjelken beveger seg i et reguleringsområde (12) i vertikal retning fra et øvre punkt til et nedre punkt hvor det foretas kryssing av bjelken, karakterisert ved at anodestangen er forsynt med to referansepunkter, et øvre (17) og et nedre referansepunkt (16), hvorved det nedre referansepunkt i det vesentlige kommer til anvendelse når det foretas kryssing av anodebjelken.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 og 2 for beregning av bad-/metallgrenseflaten ved hjelp av statistiske metoder basert på målinger, karakterisert ved at a) skalaene (18) avsettes på anodebjelken i en elektrolysecelle i samme horisontalplan, og at anodene settes etter samme delstrek, d.v.s. slik at undersiden av anodene er beliggende i samme horisontalplan b) det utarbeides et statistisk materiale i form av målt strømopptak pr. anodeposisjon i horisontalplanet, f.eks. aritmetisk middel av m enkeltmålinger, etter formelen der E(I) er forventningsverdien for strømopptaket I og p(I) er sannsynligtetthetsfordelingen for I, c) sammenhengen mellom avstanden fra anodeundersiden til bad-/metallgrenseflaten, d, og det angjeldende strøm-opptak I deretter finnes ved å sette anodene, "unormalt", d.v.s. at forventningsverdien blir ulik null, der bl er responsen av en perturbasjon bz som er en delstrek høyere eller lavere enn normalt, slik at det fremkommer et forholdstall mellom strømopptak og posisjonering av anodene i forhold til bad-/metallgrenseflaten, bl/ c>Z, og at d) utbøyningen eller krumningen av bad-/metallgrenseflaten relatert til den midlere metallhøyde beregnes i samsvar med ligningen: ✓x der DZj er utbøyningen under anodeposisjon j, ji^ er forventet strømopptak i anode<p>osisjon j, p er midlere strømopptak for alle anodeposisjonene, n, og (dl/dZ) er estimatoren for forventningsverdien for dl/c-Z.