NO172192B - Fremgangsmaate for noeyaktig regulering av et lavt aluminiumoksydinnhold i en elektrolytisk celle - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for nøyaktig å regulere et lavt innhold av aluminiumoksyd i en elektro-lyttisk smeltecelle for fremstilling av aluminium ved Hall-Heroult-prosessen, idet formålet med denne regulering også er å opprettholde Faraday-effektiviteten på et høyt nivå, et minste på 94$.

I de senere år er driften av celler for fremstilling av aluminium i stadig økende grad automatisert, både for å forbedre energieffektiviteten og driftsregulariteten, og for å begrense manuell inngripen og å forbedre effektiviteten med henblikk på gjenvinning av avgasser inneholdende fluor.

En av de vesentlige faktorer med henblikk på å oppnå regulær drift for en celle for fremstilling av aluminium ved elektrolyse av aluminiumoksyd oppløst i smeltet kryolitt, er den hastighet med hvilken aluminiumoksyd mates til badet. En mangel på aluminiumoksyd resulterer i opptreden av en "anodisk effekt" eller "pakking", noe som betyr en brå økning i spenningen på cellens poler, som kan stige fra 4 til 30 eller 40 volt, og som har virkning på det totale utstyr.

Et overskudd av aluminiumoksyd gir en risiko for forurensning av bunnen av cellen ved avsetning av aluminiumoksyd som kan omdannes til hårde plater som elektrisk isolerer en del av katoden. Dette induserer i den flytende aluminiumavsetning med sterke lokale horisontale strømmer som ved gjensidig påvirkning med magnestiske felt omrører det flytende aluminium og forårsaker ustabilitet i bad-metallgrenseflaten, såvel som andre problemer som fagmannen kjenner.

Dette problem er spesielt ugunstig når man ønsker å redusere driftstemperaturen i cellen, noe som er meget gunstig for dennes levetid og for verdien for Faraday-effektiviteten, ved å benytte meget "sure" (høyt AIF3 innhold) bad og/eller bad som inneholder forskjellige additiver, slik som klorider, litiumsalter eller magnesiumsalter. Disse bad har imidlertid en aluminiumoksydoppløsningsevne og -hastighet som er betydelig redusert, og deres bruk impliserer meget nøyaktig kontroll av aluminiumoksydinnholdet til konsentrasjoner som er relativt lave og innen to ekstremt snevre grenser.

Selv om det er mulig direkte å måle aluminiumoksydinnholdet i badene ved analyse av elektrolyttprøver, har i mange år den foretrukne metode vært å gjennomføre en indirekte bestemmelse av aluminiumoksydinnholdet ved å observere en elektrisk parameter som reflekterer konsentrasjonen av aluminiumoksyd i elektrolytten.

Denne parameter er generelt variasjonen i indre motstand eller, mere nøyaktig, den indre pseudomotstand som er lik:

RA = (U-Eo) /J

der Eo betyr cellens motelektromotoriske kraft, hvis verdi generelt er anslått til å være 1,65 volt, U betyr spenningen på cellens poler og J betyr strømmen som går gjennom cellen.

Ved prøving kan en variasjonskurve R-^ plottes som en funksjon av aluminiumoksydinnholdet, og ved måling av R^ i på forhånd bestemt frekvens ved bruk av velkjente metoder, kan konsentrasjonen, uttrykt som [AI2O3], anslås på ethvert gitt øyeblikk.

I mange år har det vært gjort forsøk på å innføre aluminiumoksyd i badene med nøyaktig regularitet for å holde konsentrasjonen relativ stabil rundt en på forhånd satt verdi.

Fremgangsmåter for automatisk aluminiumoksydtilmatning og som arbeider mer eller mindre strikt som en funksjon av konsentrasjonen i badet, er beskrevet spesielt i de følgende patenter: FR-PS 1 457 746 der variasjonen av den indre motstand i cellen benyttes som parameter som reflekterer konsentrasjonen av aluminiumoksyd hvis tilførsel til badet bevirkes av en fordeler kombinert med en anordning for gjennomhulling av den faste elektrolyseskorpe; FR-PS 1 506 463 som er basert på måling av den tid som går med mellom stans av aluminiumoksydtilmatning og opptreden av anodisk effekt; US-PS 3 400 062 som benytter en "pilotanode" for å oppnå en tidlig detektering av tendensen mot pakking og for å regulere aluminiumoksydmatehastigheten, hvorved aluminiumoksydet fordeles fra en binge som er utstyrt med en anordning for gjennomhull ing av elektrolyttskorpen.

I den senere tid er kontrollerte prosesser basert på kontroll av aluminiumoksydinnholdet beskrevet spesielt i JP-søknad 52-28417/77 og i US-PS 4 126 525.

I det første av disse patenter settes aluminiumoksydkonsen-trasjonen til innen intervallet 2-856. Variasjonen A V for spenningen ved hver celles poler måles som en funksjon av tiden t, og sammenlignes med en på forhånd satt verdi, idet aluminiumoksydmatehastigheten justeres for å bringe A V/t til den ønskede verdi. Mangelen ved denne metode er at sensitivi-teten varierer med aluminiumoksydinnholdet, som er nøyaktig minimalt innen det benyttede intervall, fra 3-5$ AI2O3

(tabellene s. 8).

I det andre av disse patenter blir aluminiumoksydinnholdet satt innen området 2- 8% og fortrinnsvis mellom 4-656. Cellen mates i løpet av et på forhånd fastsatt tidsrom t^ med en mengde aluminiumoksyd som er større enn dens teoretiske forbruk inntil det oppnås en på forhånd bestemt aluminium-oksydkonsentrasjon (for eksempel opptil 7%), og så blir tilmatningen kontrollert til en hastighet lik det teoretiske forbruk over et på forhånd bestemt tidsrom, t2, hvorefter tilmatningen stanses inntil de første tegn på anodisk effekt, "pakking", opptrer, og tilmatningscyklusen startes om igjen i en hastighet høyere enn det teoretiske forbruk. Med denne metode varierer konsentrasjonen av aluminiumoksyd under cyklusen mellom 4,9 og 856 (eksempel 1) og 4,0 og 7% (eksempel 2).

Til slutt er det i FR-PS 2 487 386 og som tilsvarer EP-PS 44 794 og US-PS 2 487 386 beskrevet en fremgangsmåte for nøyaktig regulering av aluminiumoksydinnholdet til mellom 1 og 3,5 vekt-5é, en fremgangsmåte i henhold til hvilken aluminiumoksydtilmatningshastigheten reguleres som en funksjon av variasjoner i den indre motstand i cellen over på forhånd bestemte tidsintervaller, idet man alternerer aluminiumoksydmatecykler med lik varighet i høyere eller lavere hastighet enn den hastighet som tilsvarer cellens forbruk.

Denne prosess, kjent som "kurveberegning", er basert på suksessive målinger av den indre motstand Rj, i like tidsintervaller, på bedømmelse av kurven dRi/dt for variasjonen av Rj^ som en funksjon av tiden, og sammenligningen av Ri på den ene side og dRi/dt på den andre side med gitte verdier, og på justering av aluminiumoksydmatehastigheten på en slik måte at man bringer dRi/dt og R-^ til de satte verdier.

Å finne den optimale driftsmetode, det vil si å bestemme de driftsparametere for elektrolyseceller som gir de beste produksjonsomkostninger eller den høyeste profitt for en gitt investering, har alltid vært et mål.

Spesielt å finne innflytelsen av de forskjellige driftsparametere på energieffektiviteten, også kalt Faraday-effektiviteten, har vært gjenstand for tallrike publikasjoner der den viktigste er av K. Grotheim et al., "Aluminium Electrolysis", 2. utgave, den nyeste, som ble publisert 1982 av Aluminium Verlag, Diisseldorf, Vest-Tyskland.

I dette arbeid på side 339, fig. 9,11, sees det at for-fatterne er enig i at en stigning i badtemperaturen har ugunstig virkning på utbyttet uttrykt ved benyttet elektrisk energi. Videre indikerer fasediagrammet for kryolitt-aluminiumsystemet, vist på side 29, fig. 2,3, i det samme arbeid, at temperaturen i væsken i badet er om så høyere jo lavere aluminiumoksydinnholdet er i badet.

Det vil derfor være logisk at Faraday-effektiviteten er så høy som aluminiumoksydinnholdet i badet er høyt. Dette er også hva mange forfattere har antatt for industrielle celler, slik det vises i fig. 9,20 på side 356 i den angitte publikasjon.

I dag gjør økonomiske og tekniske betingelser for fremstilling av aluminium ved Hall-Heroult-prosessen det nødvendig for produsenten konstant å søke en optimalisering av de forskjellige faktorer som bestemmer fremstillingsomkostningene for metall, og blant disse faktorer er Faraday-ef fektiviteten en av de viktigste, og også en av de mest delikate, fordi små forstyrrelser sterkt kan redusere Faraday-verdien. Det er derfor ønskelig å bestemme alle faktorer som influerer på Faraday-effektiviteten for å opprettholde denne på et høyt og stabilt nivå.

Med dagens aluminiumpris på LME ($ 1.200 pr. tonn ved slutten av april 1985) tilsvarer 0,1 Faraday ved en produksjon på 500.000 tonn pr. år en gevinst på nær $380.000 pr. år.

Gjenstanden for foreliggende oppfinnelse er en forbedring av fremgangsmåten for nøyaktig å opprettholde et lavt aluminium-oksydnivå i en elektrolysecelle for vesentlig å forbedre Faraday-effektiviteten.

Ved observering av implementeringen av fremgangsmåten for kontroll ved kurveberegning, gjenstand for det ovenfor angitte patent, i søkerens moderne elektrolysesmelteceller som arbeider ved 175.000 eller 280.000 A, med en "sur" badsammensetning, det vil si et bad som inneholder mer enn 8 vekt-5é aluminiumfluorid AIF3, i overskudd i forhold til den nøytrale kryolitt med formelen Na3AlFfc, har søkeren mot den generelle ekspertmening merket seg at på tross av økningen i temperaturen i elektrolysebadet, øket energieffektiviteten hurtig efterhvert som aluminiumoksydinnholdet i hådet hie redusert.

Søkeren har funnet at dette fenomen har en til nu ikke erkjent signifikans fordi ved å redusere 2,5 vekt-# aluminiumoksydinnholdet i badet til 1,5 vekt-#, tillater denne lSé poengsreduksjon i aluminiumoksydinnholdet en heving av energieffektiviteten fra 94 til 95,7$, det vil si en økning på 1,7$ av elektrolyseutbyttet. Dette på tross av at økningen i driftstemperaturen i elektrolysebadet som samtidig steg fra 946-951°C, skulle man logisk ha observert et fall på 1% i dette utbyttet.

Imidlertid er denne økning i utbyttet ledsaget av en økning i elektrolysespenningen som er om så hurtigere jo lavere aluminiumoksydinnholdet er.

Energiforbruket pr. tonn aluminium fremstilt kan uttrykkes som en funksjon av Faraday-effektiviteten F og av spenningen på cellens poler, U, ifølge ligningen:

kWh/tonn = 2980 U(volt)/F.

Videre er ved den fastsatte intensitet for elektrolysen J, produksjonen for en celle proporsjonal med effektiviteten F, det vil si at innflydelsen av "fikserte" omkostninger (finan-sielle kostninger, arbeid, vedlikehold etcetera) om så lavere jo bedre Faraday-effektiviteten er.

Tatt i betraktning den oppdagelse søkeren har gjort når det gjelder den meget sterke innflytelse aluminiumoksydinnholdet i badet har på Faraday-effektiviteten, kan det forstås at det er i alles interesse å regulere aluminiumoksydinnholdet i badet til en lav verdi som, imidlertid, er tilstrekkelig til å unngå at energiomkosninger på grunn av en økning i spenningen på cellens poler overveier de gevinster man håper på ved å forbedre Faraday-effektiviteten.

Generelt og for normale øknomlske betingelser er dette optimale aluminiumoksydinnhold lokalisert meget nær det minimale innhold under hvilket "anode-effekten", også kalt "pakkingen" eller "polariseringen" inntrer, og resulterer i en meget plutselig stigning i spenningen over cellens spoler og en stigning i temperaturen i elektrolysebadet, og som et resultat vil store mengder produkter inneholdende fluor frigis som et resultat av dekomponering av elektrolysebadet.

For å unngå et slikt fenom som er meget ugunstig både hva virkninger på energiydelsen og på omgivelsene angår, og for å komme så nær som mulig aluminiumoksydinnholdet som gir den mest effektive økonomiske ydelse, kan det forstås at det er ekstremt viktig å ha en fremgangsmåte som gjør det mulig å kontrollere og å regulere med høy nøyaktighet aluminiumoksydinnholdet i elektrolysebadet til det lave innholds-området, for eksempel mellom 1 og 356 og fortrinnsvis mellom 1 og 2,556.

En hovedgjenstand for foreliggende oppfinnelse er å til-veiebringe en slik fremgangsmåte for regulering av aluminiumoksydinnholdet i badet innenfor lavinnholdsområdet ved å bruke en kunstig parameter P som kan beregnes enkelt på basis av konvensjonelle målinger gjennomført på en elektrolysecelle, det vil si polspenningen, strømgjennomgangen gjennom cellen og aluminiumoksydmatehastigheten, for eksempel i kg/t.

Foreliggende oppfinnelse angår således en fremgangsmåte for nøyaktig regulering av et lavt aluminiumoksyd-innhold på mellom 1 og 4,5 $6 i en celle for fremstilling av aluminium ved elektrolyse ved bruk av Eall-Heroult-prosessen, som gjør det mulig å oppnå en Faraday-effektivitet som minst er lik 94 56 ved bruk av en alternering av perioder av mating av elektrolysecellen med aluminiumoksyd i en nominell hastighet CN, ved en redusert hastighet C- og ved en hastighet C+ som er høyere enn den nominelle hastighet, idet prosessen først omfatter å bestemme en reguleringsparameter P= - 1 (dRi/dt),

D

uttrykt i mikro-ohm/sekund og pr. vekt-#/time, Ri er den indre motstand i cellen og t er tiden, og D er den deriverte funksjon av aluminiumoksydinnholdet i elektrolysebadet uttrykt i vekt-# pr. time i henhold til ligningen:

der CN er den nominelle aluminiumoksydmatehastighet og C- er under-matehastigheten, beregnet i kg aluminiumoksyd pr. tidsenhet, Q(Al203) er mengden aluminiumoksyd som forbrukes av cellen i den samme tidsenhet og 0(bl) er mengden flytende elektrolysebad inneholdt i cellen, og denne fremgangsmåte karakteriseres ved følgende trinn i cyklus: a) mating til cellen ved nominell hastighet CN (slik at mengden aluminiumoksyd som innføres i badet er i det

vesentlige lik den mengde som konsumeres ved elektrolysen);

b) periodisk igangsatt overmating av aluminiumoksyd i en hastighet C+ som er høyere enn den nominelle hastighet CN

for å anrike badet på aluminiumoksyd i et på forhånd bestemt tidsrom t+, i løpet av hvilket dR^/dt er negativ;

og

c) redusering av matehastigheten til en under-matehastighet, C-, som er mindre enn CN, hvorved kurven dR^/dt går

gjennom null og blir positiv idet reguleringsparamateren

P, hvis verdi har stigende tendens, ofte måles; og

d) sammenligning av de suksessive verdier for P med en referanseverdi Po, bestemt på basis av strømstyrken J i

KA av elektrolysestrømmen og to koeffisienter, Kl som er relatert produksjonsomkostningene og K2 som er relatert de fysikokjemiske karakteristika for cellen, i overen-stemmelse med forholdet Po= K1K2/J for, når P=Po å øke matehastigheten til den nominelle matehastighet CN og påbegynne en ny cyklus som under punkt (a).

Parameteren P beregnes på basis av den indre psudomotstand i cellen, , definert ved:

der U er spenningen over cellepolene i volt.

Eo er en fast verdi i volt, for den dynamiske motelektromotoriske kraft i cellen, generelt mellom 1,5 og 2,0 volt og hyppigst i størrelsesorden 1,65 til 1,75 volt.

J er elektrolyseintensiteten, uttrykt i k/amp. (=10<3> amp).

R i uttrykkes på denne måte i mikro-ohm.

(Fluktueringen dR^/dt uttrykkes generelt i p-ohm pr. sek.).

Hvis mere spesielt D er fluktueringen av aluminiumoksydinnholdet i et elektrolysebad, for eksempel uttrykt i vekt-# pr. time, uttrykkes P ved formelen:

(P uttrykkes i mikro-ohm pr. sek. og i vekt-56 pr. time).

Celleregulering i overensstemmelse med oppfinnelsen karakteriseres ved så lenge som mulig å opprettholde et aluminiumoksydinnhold i badet som ikke nødvendigvis er nøyaktig kjent, men som er slik at P er så nær som mulig en verdi Po man har fastlagt på forhånd. a) For dette formål mates cellen i regulær hastighet, kalt den nominelle hastighet CN, som er slik at mengden aluminiumoksyd som innføres i badet er mer eller mindre lik mengden aluminiumoksyd som forbrukes ved elektrolysen. TJnder disse perioder med nominell hastighet er det mulig uten vanskelig-het å justere den interpolare avstand på basis av pseudo-resistanseverdiene som så måles for et badaluminiumoksyd-innhold som er i det vesentlige konstant.

På basis av denne stabile situasjon blir det således på fastsatt tidspunkt startet den økede tilførsel, for eksempel en aluminiumoksydtilførsel i en hastighet C+ som er større enn den nominelle hastighet CN. Under disse betingelser blir badet gradvis anriket på aluminiumoksyd i en hastighet som er om så større jo større den økede tilførselshastighet.

Varigheten t+ for denne økede tilførsel settes slik at man får en anrikning i aluminiumoksydinnholdet i elektrolysebadet. Det skal påpekes at det ikke er nødvendig å måle eller å beregne den nødvendige verdi av denne anrikning. Det er under denne periode med øket tilførsel mulig å følge kurven for pseudomotstand i cellen (= dRj/dt). Det er imidlertid en risiko at all aluminiumoksyd som innføres til badet ikke øyeblikkelig oppløses, denne risiko er om så større jo hurtigere tilførselshastigheten øker.

Verdiene for P som måles påvirkes således av en feilrisiko som ikke er 0, og, generelt, benyttes de kun for å detektere alvorlige feil ved tilførselen.

c) Efter denne økede tilførselshastighet over et gitt tidsrom t+, reduseres matehastigheten til under den nominelle

hastighet, det vil si at cellen mates i en hastighet C~ som er mindre enn den nominelle hastighet tilsvarende forbruket av aluminiumoksyd ved elektrolyse. Ved start av undertilmat-ningen kan det generelt observeres at kurven (dR^/dt), vanligvis negativ under overmating, trenger en viss tid for å nå null og antar så høyere og høyere positive verdier.

Denne initialperiode som generelt kun varer noen minutter, tilsvarer slutten av oppløsningen av overskytende aluminium-tilmatning under perioden av overtilmatning og som ikke umiddelbart assimileres av badet.

Denne initialperiode under hvilken aluminiumoksydinnholdet i badet ikke varierer i konformitet med matehastigheten for aluminiumoksydet kan lett nøytraliseres, det vil si ved hyppige målinger er det observert at varigheten av denne initialperiode var ca. 2-3 ganger varigheten som skyldtes starten av perioden med undertilmatning og det øyeblikk da den beregnede dR-^/dt kurve passerte gjennom verdien 0.

En annen metode er å skyte inn et tidsrom på noen minutter ved nominell hastighet efter overtilmatning før man går over til undertilmatning. Efter denne initialperiode synker aluminiumoksydinnholdet i badet om så hurtigere jo lang-sommere matehastigheten er, og parallelt stiger den målte kurve dR^/dt.

Fluktureringen i aluminiuminnholdet, D, beregnet i vekt-Æ pr. time, er så proporsjonal:

der C- er under tilmatningshastigheten beregnet i kg AI2O3 tilmåtet pr. sekund og Cjj er en nominell matehastighet (beregnet i de samme enheter). Et hvilket som helst annet koherentsystem av enheter kan naturligvis benyttes, for eksempel den inverse verdi av tiden som skiller tilførselen av to suksessive satser aluminiumoksyd. . CKAI2O3) er vekten av aluminiumoksyd som forbrukes pr. tidsenhet ved elektrolysen. . Q (flytende bad) er vekten av det flytende bad som er i stand til å oppløse aluminiumoksydet og inneholdt i potten (hvis for eksempel den flytende badvekt er målt i kg., ca. 30 J, idet J er elektrolysestrømmen målt i kA). Det skal påpekes at tidskonstanten for smelting eller størkning av badet på nivå med hellingen er meget høy (generelt noen timer), idet denne størrelse kun varierer meget langsomt med tiden.

For en 280 kA-celle inneholdende 8000 kg flytende bad og forbrukende 170 kg aluminiumoksyd pr. time, og med en hastighet C- = 0,7 CN, oppnås D = 0,64$ pr. time.

Det er derfor mulig å måle den syntetiske parameter P= -l/D .

(dRj^/dt) på pålitelig og hyppig måte.

d) Efterhvert som perioden med undertilmatning fortsetter øker verdien for P, opprinnelig lavere enn settverdien Po, og

når tilslutt denne settverdien. Dette skjer efter en tid t~ med undertilmatning som ikke kan bestemmes på forhånd med sikkerhet og som generelt er forskjellig fra tiden t+ for overtilmatningen.

e) Man går så tilbake til nominell tilmatning CN, det vil si en matehastighet lik forbrukshastigheten for aluminiumoksyd

ved elektrolyse, i et tidsrom tjj ved slutten av hvilket målingen og kontrollcyklusen starter igjen som beskrevet under avsnitt (a) ovenfor.

Da aluminiumoksydetinnholdet man tar sikte på ligger nær det kristiske innhold som resulterer i polarisering av cellen, er det vesentlig at efter at drift ved nominell hastighet, før fasen med lokalisering av driftspunktet (karakterisert ved Po) startet, under en periode med undertilmatning, skytes inn en periode med overtilmatning som gjør det mulig å bevege seg bort fra denne kritiske innholdsgrense.

Selvfølgelig kan kontrollprosessen ifølge oppfinnelsen kun benyttes under en del av driftstiden for cellen og fortrinnsvis når cellen er stabil.

Således forstyrrer enkelte trinn vanlig drift og dette spesielt i det tilfelle der trinnene involverer utbytting av anoder og støping av fremstilt metall.

Det vil være klart for fagmannen at spesifikke regulerings-algoritmer kan adopteres under og efter gjennomføring av disse forstyrrende trinn inntil cellen har gjenopprettet tilstrekkelig driftsstabilitet.

Det vil også være klart for fagmannen at mellom overmate-trinnet (3) og det kontrollerte undermatetrinnet (4) kan det skytes inn en supplementær fase med normal matehastighet eller en lett over- eller undertilmatning, uten at dette i signifikant grad påvirker prosessen ifølge oppfinnelsen, det vil si dette forhindrer ikke lokalisering av driftspunktet slik at P = -l/D(dRi/dt) ligger nær Po.

Med henblikk på bedømmelsen av verdien av Po tilsvarende celledriften nærmest mulig det økonomiske optimum, er det funnet at Po kan beskrives med en meget forenklet ligning:

der: Po er uttrykt i mikro-ohm pr. sekund og ved vekt-# pr. time,

Ki er en "økonomisk" koeffisient som syntetiserer økonomiske tilstander på et tidspunkt (spesielt energiomkostninger sammenlignet med andre faktorer og fremstillingsomkostningene, bortsett fra aluminiumoksyd),

K2 er en "teknisk" koeffisient som syntetiserer de fysiokjemiske og teknologiske karakteristika for cellen (K2 er praktisk uavhengig av K^),

J er strømdriften i cellen, uttrykt i kilo-ampere (=10<3 >amp.). Fortrinnsvis holdes denne paramater Po innen grense-verdiene

Ki og K2 kan beregnes som følger:

Den økonomiske koeffisient K^ syntetiserer strømokonomi-betingelsene. Den er i det vesentlige lik forholdet mellom summen av fikserte transformasjonsomkostninger (unntatt aluminiumoksyd), spesielt inkludert omkostningene for energi og karbonerte forbruksprodukter, arbeid og så videre, inkludert kapitalomkostninger, og energiomkostningene.

Som et illustrerende men ikke begrensende eksempel kan en god tilnærmelse av denne koeffisient K^ oppnås ved å bryte ned produksjonsomkostningene for 1 tonn aluminium som følger: A = omkostningene for aluminiumoksyd og forskjellige

råstoffer (unntatt karbon)

C = omkostninger for karbonerte råstoffer,

E = energiomkostninger (elektrolyse og oppsamling),

P = andre produksjonsomkostninger (hovedsakelig arbeids-og vedlikeholdsomkostninger)

AFF = avskrivnings- og kapitalomkostninger.

Man kan så uttrykke K^ omtrent lik:

(et estimat av Kl til ± 20% er i det vesentlige tilstrekkelig for å sikre tilnærming til det økonomiske optimum).

Som et eksempel oppnår man for aluminiumproduksjonsomkost-ningene brutt ned til:

A = 4000 ffr./tonn (ffr. = franske franc)

C = 1000 ffr./tonn

forts.

E - 2000 ffr./tonn

P = 2000 ffr./tonn

AFF = 1200 ffr./tonn

Den "tekniske" koeffisient K2 syntetiserer de fysiokjemiske og teknologiske karakteristika for cellen og kan beregnes som følger:

Eksperimentelt finner man som en første tilnærming (generelt tilstrekkelig til å bestemme en tilstrekkelig optimalisert drift av cellen):

der: TJ er spenningen over cellepolene i volt, generelt mellom 3,8 og 5,5 volt for celler som drives riktig av kvalifiserte ingeniører,

F er Faraday-effektiviteten for cellen, generelt mellom 0,88 og 0,96 for den samme riktig drevne celle,

dF/d(Al203) er den algebraiske drift for Faraday-effektiviteten i forhold til aluminiumoksyd innholdet i badet, beregnet i 56 Faraday pr. % aluminiumoksyd, innen spektret for aluminiumoksydinnhold mellom 1 og 456 og fortrinnsvis innen innholdsspektret for AI2O3 og mellom 1,5 og 356.

Denne faktor dF/d(Al203) avhenger av mange faktorer slik som sammensetningen i badet (surhet lik overskudd av -al-f3), dets overoppvarming (for eksempel differansen mellom den effektive badtemperatur og den første størkningstemperatur), den magnetiske likevekt (og spesielt omrøring og deformasjon av bad/metallgrenseflaten).

Generelt må denne faktor dF/dCAlgOs) bestemmes eksperimentelt for hver type celle og for de forskjellige typer bad som benyttes (noe sure bad med mindre enn 856 overskudd av AIF3 eller meget sure bad med over 856 overskudd av AIF3 eller med subadditiver slik som LiF og MgF2). Når den er bestemt avhenger den ikke lenger i første tilnærming av økonomiske betingelser.

Som et ikke-begrensende eksempel er det for en celle med nominell strøm 280 kA og som arbeider med et bad med 1356 overskudd av AIF3 og mindre enn 1% LiF, med en badtemperatur på ca. 950°C og et aluminiumoksydinnhold på mellom 1,7 og 2,556, funnet: (dF/dAl2C>3) - - 1,5 (56 Faraday pr. 56 aluminiumoksyd) (det vil si at Faraday-ef fektiviteten øker med 1 , 556 når aluminiumoksydinnholdet reduseres med 156).

For den samme celle under de samme driftsbetingelser er det målt:

F = 0,95 (for eksempel 9556)

V = 4,10 volt

ut fra dette reduseres den tekniske koeffisient for denne type celle som arbeider med et surt bad som følger:

EKSEMPEL

Oppfinnelsen er anvendt for en elektrolysecellelinje som arbeider ved en strøm på 280 kA og en spenning på 4,10 volt pr. celle og gir en Faraday-ef f ektivitet på 9556 for et midlere aluminiumoksydinnhold i elektrolysebadet lik 2,356, kontrollert i henhold til fremgangsmåten ifølge FR PS 2 487 386 nevnt ovenfor (en prosess som kalles "kurvekalkuler-ingsprosessen").

Den daglige produksjon for linjen pr. celle var 2.145 kg/dag med et energiforbruk på 12.860 kWh/tonn.

Parameteren Po ble bestemt med:

Kj lik 3,10

K2 lik +1,8:100

(J nominell er lik 280 kA)

Efter valg av en undermatehastighet C~ lik 70Sé av den nominelle verdi CN, tilsvarende en fluktuering i aluminiumoksydinnholdet D = -0,64$ pr. time, oppnås ifølge lokali-seringsmetoden som ble beskrevet ovenfor, i driftspunktet på hvilket dRi/dt = -Po x D = + 130.IO"<6> mikro-ohm/sekund på det øyeblikk den nominelle hastighet Cjj ble startet.

Man oppnådde følgende resultater:

Gevinsten uttrykt ved fremstillingsomkostningene (avskriv-ninger og kapitalomkostninger inkludert) var 20 ffr. pr. tonn fremstilt aluminium.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte for nøyaktig regulering av et lavt aluminiumoksyd- innhold på mellom 1 og 4,5 % i en celle for fremstilling av aluminium ved elektrolyse ved bruk av Hall-Heroult-prosessen, som gjør det mulig å oppnå en Faraday-effektivitet som minst er lik 94 % ved bruk av en alternering av perioder av mating av elektrolysecellen med aluminiumoksyd i en nominell hastighet CN, ved en redusert hastighet C- og ved en hastighet C+ som er høyere enn den nominelle hastighet, idet prosessen først omfatter å bestemme en reguleringsparameter P=-l (dRi/dt), uttrykt i mikro-ohm/sekund og pr. D vekt-#/time, Ri er den indre motstand i cellen og t er tiden, og D er den deriverte funksjon av aluminiumoksydinnholdet i elektrolysebadet uttrykt i vekt-# pr. time i henhold til ligningen: der CN er den nominelle aluminiumoksydmatehastighet og C- er under-matehastigheten, beregnet i kg aluminiumoksyd pr. tidsenhet, Q(Al203) er mengden aluminiumoksyd som forbrukes av cellen i den samme tidsenhet og Q(bl) er mengden flytende elektrolysebad inneholdt i cellen, karakterisert ved følgende trinn i cyklus: a) mating til cellen ved nominell hastighet CN (slik at mengden aluminiumoksyd som innføres i badet er i det vesentlige lik den mengde som konsumeres ved elektrolysen); b) periodisk igangsatt overmating av aluminiumoksyd i en hastighet C+ som er høyere enn den nominelle hastighet CN for å anrike badet på aluminiumoksyd i et på forhånd bestemt tidsrom t+, i løpet av hvilket dR^/dt er negativ; og c) redusering av matehastigheten til en under-matehastighet, C-, som er mindre enn CN, hvorved kurven dR-^/dt går gjennom null og blir positiv idet reguleringsparamateren P, hvis verdi har stigende tendens, ofte måles; og d) sammenligning av de suksessive verdier for P med en referanseverdi Po, bestemt på basis av strømstyrken J i KA av elektrolysestrømmen og to koeffisienter, Kl som er relatert produksjonsomkostningene og K2 som er relatert de fysikokjemiske karakteristika for cellen, i overen-stemmelse med forholdet Po = K1K2/J for, når P=Po å øke matehastigheten til den nominelle matehastighet CN og påbegynne en ny cyklus som under punkt (a).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at matehastigheten efter overmatingstrinnet b) bringes tilbake til normalhastighet CN i noen minutter før overgang til en undermatingshastighet.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakteri sert ved at referanseverdien Po for reguleringsparameteren P, uttrykt i mikro-ohm/sekund og pr. vekt-#/time, innstilles til 2/100 J og 10/100 J idet elektrolyse-strømstyrken J er uttrykt i kA.