NO174008B - Fremgangsmaate for aa regulere tjaereinnholdet i anoder som er beregnet for fremstillingen av aluminium ved hjelp av elektrolyse - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for å regulere tjæreinnholdet for prebakte anoder beregnet for produksjonen av aluminium ved elektrolyse (ved hjelp av Hall-Heroult prosessen), til en optimal verdi Bm som tilsvarer den maksimale tørrtetthet for anodene, idet disse anoder produseres ved varmeblanding av et knust karbonaggregat og en koksbar tjære som innføres i regulerbare proporsjoner, så formes ved sammenpakning og påfølgende baking ved høy temperatur.

Såkalte "prebakte" anoder oppnås ved den varme blanding av et aggregat (oftest koks) og et bindemiddel (oftest tjære), forming av den resulterende karbonholdige pasta ved hjelp av vibro-konsollidering, pressing eller vibro-pressing og baking ved en høy temperatur (1100/1200°C).

Kvaliteten av anodene har en vital innflytelse på den tilfredsstillende oppførsel og energivirkningsgrad ved elektrolyse og en av de vedvarende bekymringer på operatører er den med å optimalisere produksjonen av anodene som bl.a. omsettes til å søke en maksimum tetthet i det bakte produkt. Hovedsiktemålet er å øke varigheten av anodens syklus i forhold til elektrolysetanken og minskningen av antallet av blokker som skal produseres for et ekvivalentkarbonforbruk.

Tettheten av det bakte produkt er i alt vesentlig en funksjon av tre parametre: tørrtettheten av råproduktet, bakingsvirk-ningsgraden for bindemidlet og de volumetriske variasjoner som oppstår under bakningsforløpet.

Disse tre parametre er ikke uavhengige og varierer som en funksjon av bindemiddel innholdet i råproduktet.

Erfaringene viser at for en gitt pardannelse av råmaterialer (koks, tjære), fremstillingsbetingelser (granulering, blanding, etc.) og forming av pastaen, går bakt-tetthet kurven som en funksjon av bindemiddel innholdet gjennom et maksimum for innholdet som gjør det mulig å oppnå maksimum tørr tetthet i råproduktet.

Studium av strukturen for karbonholdige anoder er i stor grad blitt influert av geoteknikk.

Innenfor teknikken med flerfasemedia er det velkjent at sammenpakning av en jordmasse med et variabelt vanninnhold frembringer en tørr-tetthet kurve som har et maksimum, idet tørrtettheten eventuelt defineres som tettheten av tørr-stoffet i det sammenpakte medium.

Når sammenpakningspåkjenningen øker (statisk eller dynamisk påkjenning), stiger tetthetsmaksimumet samtidig som det tilsvarende vanninnholdet minsker.

Dette resultat fortolkes ved forestillingen av mettet vanninnhold, idet ved innhold over dette, for en gitt påkjenning, avtar tetthetsnivået p.g.a. at kornene i den faste matrisen beveges fra hverandre av væsken.

Totalt sett vil kurvene som oppnås ved å variere sammenpakningspåkjenningen, alle falle innenfor en omhylningskurve som betegnes som metningskurven, som, for et gitt vanninnhold definerer maksimumstettheten som sannsynlig kan oppnås (SUBBARA0, doktoravhandling, Grenoble 1972, "Continuos compaction and mechanics of media").

Sammenpakningen av karbonholdige produkter kan behandles ved analogi med jordmasser i den utstrekning som de på lik måte oppviser:

Imidlertid beror der en hovedforskjell i den porøse struktur av det faste aggregat.

Tilgjengelighet til denne porøsitet varierer virkelig som en funksjon av sammenpakningspåkjenning. En konsekvens av dette fenomen er at enheten i metningskurven forsvinner. Sammen-fatningsvis, for et gitt tjæreinnhold, kan en økning i sammenpakningspåkjenningen forbedre metningstettheten for produktet, men dette fenomen er imidlertid underordnet virkningen av nivået av bindemiddel.

Oftest ble det ved den kjente teknikk søkt å oppnå maksimum-tetthet i den rå sammenpakte anoden. Ettersom denne juster-ingsmetode fører til en regulær økning i tjærenivået ble denne utvikling mildnet enten ved den visuelle fremtreden av anodene som forlot sammenpakningsenheten (fett utseende) eller et a priori gitt område av tjæreinnhold (forbi dette område viste enhver at der ville være "klistring" blandt anodene i bakningsovnen.

Visse reguleringsmetoder ble imidlertid foreslått. Dette er tilfellet i ALCOA patentet (FR 2.436.763 = US 4.133.090) som opererer ved å bryte opp råanoden i de øyeblikk som følger etter tilsynekomst fra sammenpakningsformen. Tjæreinnholdet reguleres så for å redusere eller å optimalisere oppbryt-ningen i henhold til anodens tetthet. Dette betyr at slik optimalisering, etter en endring i produksjonsparametre (råmaterialer, granulering, etc.) ikke kan anvendes direkte før der er fullstendig kjennskap til de bakte anoders karakteristika, dvs. etter en reaksjonstid på flere dager, som ikke er forenlig med produksjonen av råanoder. I praksis er man derfor tvunget til å søke etter et gjennomsnittlig sammenbrudd som garanterer at man ikke vil være særlig fjernt fra et optimalt resultat.

Formålet med oppfinnelsen er en fremgangsmåte for å regulere fremstillingen av råanoden (ved å spille på tjæreinnholdet) som gjør det mulig å maksimalisere tettheten av den bakte anoden uten å måtte vente på resultatene av bakningsprosessen.

For et gitt og konstant nivå av ol jekokskvalitet, vil den tilsynelatende bakte tetthet for anoden så avhenge i alt vesentlig av råanodens tørrtetthet. Dette omsetter direkte den effektive sammenpakning av tørrstoffet i anoden.

Denne tørrtetthet er knyttet til den rå tilsynelatende tetthet for anoden og tjæreinnholdet ved ligningen:

hvor: DS = råanodens tørrtetthet, rå DA er den tilsynelatende tetthet for råanoden (slik den måles direkte), # tjære = tjæreinnholdet uttrykt som en vektprosent av pastaen.

For en gitt pardannelse av råmaterialer og for gitte produk-sjonsbetingelser (granulering, blanding ...) og formning av pastaen, går den oppnådde tørrtettheten for råanodene gjennom et optimum for et visst tjæreinnhold.

Ifølge oppfinnelsen kjennetegnes fremgangsmåten ved den gjentatte rekkefølge av de følgende trinn: 1) a priori å fastsette et initielt tjæreinnhold Bo (som en vekt-prosent av karbonholdig pasta), idet den middels tørrtetthet 7(Bo) av et antall n anoder som oppnås fra den karbonholdige pasta' har Bo# tjære, ved å måle deres høyde H når de kommer ut fra sammenpakning og deres vekt P (idet lengden og bredden ansees som konstant innenfor grensene for prosessen), og variere prosentandelen av tjære med et positivt eller negativt inkrement som bringer nivået til (Bo+x)#, idet den middels tørrtetthet ■y(Bo+X) av et antall n anoder som oppnås fra den karbonholdige

pasta som har (Bo+x)# tjære beregnes, og

2) å sammenligne t(Bo+x) med -y(Bo), idet hvis 7(Bo+x) > 7(Bo), inkrementeres Bo+x med en verdi x av det samme fortegn som det foregående inkrement, eller hvis

■v(Bo+x) < ~y(Bo), inkrementeres Bo+x med en verdi x som har et fortegn som er motsatt det for det foregående inkrement, og denne prosedyre gjentas,

idet hvis en av sammenligningene mellom ^(Bo+nx) og 7(Bo+(n+l)x) medfører likhet, kan tjæreinnholdet Bo + (n+l)x enten forbli uendret, eller bli tilføyet en verdi x' som er positiv eller negativ.

Iføle ytterligere utførelsesformer av fremgangsmåten blir en maksimumsgrense ± X fastlagt på variasjonene av Bo. Den reelle variasjonskurve for tørrtettheten etableres som en funksjon av tjæreinnholdet, og den optimale verdien Bm som tilsvarer maksimum av tørrtetthet for anodene fratrekkes denne.

Videre er det fordelaktig ved fremgangsmåten at initialverdien Bo av tjæreinnholdet, etter en viss stabiliseringstid, tilbakestilles til en ny verdi som er lik eller i alt vesentlig lik den optimale verdi Bm.

Dessuten kan den absolutte verdien av inkrementet x fastlegges på mellom 0,1 og 0,2$ og den maksimale variasjon i tjæreinnholdet ved Bo ± 0, 6%.

I tillegg er det fordelaktig å mate parameterne Bo, y, H, P, X og x inn i en beregner som indikerer til en operatør fortegnet for inkrementet x som skal anvendes for hver trinn i prosessen.

Som en ytterligere fordel ved fremgangsmåten blir parameterne Bo, "y , H, P, X, x matet inn i en beregner som er koplet til en automatisk enhet som kan programmeres eller opereres ved hjelp av en mikroprosessor, som tilfører inkrementet x til hvert trinn i prosessen.

I et vilkårlig riss, under anvendelse av vilkårlige måle-stokker, viser fig. 1 til 3 hvorledes karakteristika for anodene utvikler seg i henhold til tjæreinnholdet. Fig. 1 viser variasjonen i tørrtetthet for råanoden som en funksjon av bindemiddel innholdet med, som en para-meter, den påkjenning som utøves ved formningstids-punktet. Fig. 2 viser variasjonen i hovedparameterne for anodene i henhold til tjæreinnholdet for et gitt nivå av sammenpakningspåkj enning. Fig. 3 er en skjematisk fremstilling av prinsippet for fremgangsmåten med å regulere tjæreinnholdet i henhold til oppfinnelsen.

Fig. 4 viser den praktiske anvendelse av oppfinnelsen.

Det optimale tjæreinnholdet som gjør det mulig å oppnå den maksimale tilsynelatende bakte tetthet fremkommer i fig. 2. Det vil sees å tilsvare det som gjør det mulig å oppnå maksimum tørrtetthet i råanoden. Denne fremgangsmåte, som er formålet med oppfinnelsen, gjør det derfor mulig å optimalisere den tilsynelatende bakte tettheten for anodene ved kun å ta i betraktning målinger som utføres på råanoder som kommer ut fra sammenpakningstrinnet og derfor er umiddelbart tilgjengelig for å dirigere styresystemet. Dessuten er denne optimale tørrtettheten relativ og varierer helt klart med produksjonsparametrene (råmaterialer, granulering, ...). Derfor, med unntagelse av overgangsperioder, vil optimalisering av tørrtettheten i samtlige tilfeller føre til optimalisering av den bakte tetthet.

Denne prosess, som er formålet med oppfinnelsen, omfatter den følgende rekkefølge av operasjoner:

Den karbonholdige pastas blander tilføres:

Dels knust koks med forutbestemt granulering som holdes konstant, idet hastigheten av kokstilførsel likeledes

holdes konstant;

dels tjære hvis B0# innhold i forhold til koksen kan reguleres enten manuelt via operatøren eller ved en automatisk enhet som kan programmeres eller opereres ved hjelp av mikroprosessor.

Når den karbonholdige pasta forlater blanderen, innføres den i sammenpakkeren og de sammenpakte anoder slippes ut på et rullebord.

Hvis en diskontinuerlig blander anvendes, har en sats med karbonholdig pasta konstant sammensetning. Enhver endring i tjæremengden vil derfor ha sine tilbakevirkninger på hele satsen av N anoder som produseres fra satsen. Hvis blanderen er av den kontinuerlige type, er der en forskyvning mellom øyeblikket når tjæreinnholdet modifiseres ved toppen av blanderen og det hvor den første sammenpakte anoden fremkommer og er blitt produsert fra pastaen som er av modifisert sammensetning. Denne forskyvning kalles "d" (i praksis kan den representere 3 til 6 anoder). Beregneren programmeres så til å ta dette i betraktning.

Den tilsynelatende tetthet for råanoden etableres på basis av anodens vekt og volum.

Vekten måles innenfor en feilmargin av mindre enn 0, 1%. Erfaring viser at lengde og bredde av dimensjoner, etter sammenpakning, kan ansees som konstant med lignende presisjon for tjæreinnhold som ikke avviker med mer enn 1% (absolutt) fra middelverdien. Det er derfor tilstrekkelig å måle høyden H av den sammenpakkende anoden for å kjenne dens volum. Man mater inn i beregneren: den målte vekt, lengden og bredden (konstant, men åpen for korrigering, hvis nødvendig), og den målte høyden sammen med nivået av tjæreinnhold.

Resultatet er derfor: rå DÅ = vekt av anoden P/[H-ho) x L x 1] + Vo, hvor Vo er volumet av anodens "hode", dvs. toppdelen som har kanelleringene, anodepluggene og eventuelle forskjellige tilspisninger, idet ho er høyden av anodens hode. Tørrtettheten for tørranoden: DS = rå DA x (100-% tjære)/100. Disse data mates inn i en beregner.

Beregneren tar likeledes i betraktning et initielt tjæreinnhold Bo# som er fast i henhold til produksjonserfaring. Anodene som produseres under disse forhold har en tørrtetthet som betegnes som ^(Bo).

Dernest:

1. Initialtjæreinnholdet Bo heves med en verdi x (eksempelvis: 0,1 eller 0,2$ absolutt). Anodene som produseres med dette nye tjæreinnhold Bo+x har en tørrtetthet -y(Bo+x) som måles som et gjennomsnitt over n anoder (eksempelvis 5 til 20, og fortrinnsvis 10) for å tillate små variasjoner.

Inkrementet x kan være positivt eller negativt.

2. ■y(Bo+x) sammenlignes med t(Bo) (middelverdier). Hvis 7(Bo+x) > "Y(Bo), økes Bo+x med en verdi x av det samme fortegn som den foregående verdi.

Hvis 7 (Bo+x) < nr (Bo), økes Bo+x med en verdi x, men av et fortegn som er motsatt det for den foreliggende verdi, osv., idet hvert trinn i prosessen består i å sammenligne tetthetsnivået som oppnås på angjeldende trinn med det nivå som oppnås i det foregående trinn.

Denne algoritme kan dokumenteres ved å observere at hvis økningen i Bo (positivt inkrement x) resulterer i en økning i anodenes tørrinnhold, viser dette at man er under det optimale Bm, mens hvis økningen i Bo fører til en reduksjon i tørrtettheten, vil man etter all sannsynlighet ha overskredet det optimale Bm.

På samme måte, hvis en reduksjon i Bo (et negativt inkrement x) fører til en reduksjon i tørrtettheten, viser dette at man ganske sannsynlig er under det optimale innhold Bm, mens hvis denne reduksjon av Bo fører til en økning i tørrtettheten, må man være over det optimale Bm. 3. Hvis en hvilken som helst av sammenligningene mellom ■y(Bo+nx) og (Bo+(n+l)x) medfører likhet, er det så mulig å gi en instruksjon til operatøren eller til den automatiske enheten om: enten å opprettholde tjæreinnholdet uendret på nivået Bo + (n+l)x; eller å endre til [Bo + (n+l)x] + x', med x' positiv eller negativ, idet denne operasjon eventuelt utføres med et inkrement x' lik x eller mindre enn x (eksempelvis x' = x/2) for derved ikke å avvike i for stor grad fra det optimale Bm hvis det ansees at man nå er i nærheten av denne verdi. 4. En maksimumsgrense settes for variasjonene i Bo. Denne grense, Bo ± X (fig. 3) kan være fast ved n inkrementer av x. Hvert av disse trinn kan eksempelvis være av 0,1 eller 0,2$ tjære (i forhold til absolutt % >) og X kan være fast, eksempelvis på ± 0,5 eller ± 0,6$ (absolutt). 5. Det er likeledes, for å unngå alt for vide variasjoner rundt den optimale verdi Bm, mulig etter en viss stabiliseringstid å omskalere initialverdien Bo av tjæreinnhold og gi den en ny verdi lik eller i alt vesentlig lik den optimale verdi Bm, slik det kan utledes fra den sanne

variasjonskurven over tørrtetthet i henhold til tjæreinnholdet, som fremkommer på fig. 4 og som beregneren automatisk kan etablere.

Slik det er blitt tidligere angitt, kan samtlige av disse operasjoner utføres: enten manuelt, i dette tilfellet avleser operatøren dataene som tilveiebringes av beregneren og så setter igang med å foreta inkrementer i x i den retning som er angitt og innenfor de grenser som er fiksert for de totale

variasjoner av X = Z x;

eller automatisk, idet dataene fra beregningen mates inn i en programmerbar eller mikroprosessorstyrt automatisk enhet som tilveiebringer en fremviser og/eller fasilitet for å redigere utviklingen av de forskjellige parametre.

I fig. 4 er opptegnet en eksperimentell kurve som viser det fulle området fra 13,4 til 14,5$ i forhold til tjæreinnhold.

Man vil se at for hver verdi av tjæreinnhold, blir de målte verdier for tørrtetthet omgruppert på en spredningslinje som har en amplitude av ca. + 0,002 punkter av absolutt verdi for tørrtetthet.

I en produksjonslinje for anoder som er beregnet for en serie av elektrolysetanker, er Bo fast på 13,4$ tjære, x på 0,156 og X på ± 0,6$. Det er blitt funnet at regulatoren optimali-serte tjæreinnholdet ved ca. 13,656, tilsvarende en maksimal tetthet (tørrtetthet) av 1,416, med andre ord en råtetthet av 1,638, et eksepsjonelt nivå som gir bakte anoder med meget høyt kvalitetsnivå.

Anvendelsen av oppfinnelsen er ikke begrenset til produksjonen av anoder, idet det tenkes innenfor konseptet av teknisk ekvivalens at hvilken som helst karbonholdig blokk som oppnås ved forming av karbonholdig pasta ved vibro-konsollidering, stamping eller pressing eller vibro-pressing kan oppnås med en maksimal tørrtetthet ved å regulere tjæreinnholdet i henhold til oppfinnelsen.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte for å regulere tjæreinnholdet for prebakte anoder beregnet for produksjonen av aluminium ved elektrolyse, til en optimal verdi Bm som tilsvarer den maksimale tørrtetthet for anodene, idet disse anoder produseres ved varmeblanding av et knust karbonaggregat og en koksbar tjære som innføres i regulerbare proporsjoner, så formes ved sammenpakning og påfølgende baking ved en høy temperatur, karakterisert ved den gjentatte rekkefølge av de følgende trinn:

1) a priori å fastsette et initielt tjæreinnhold Bo (som en vekt-prosent av karbonholdig pasta), idet den middels tørrtetthet y(Bo) av et antall n anoder som oppnås fra den karbonholdige pasta har Bo# tjære, ved å måle deres høyde H når de kommer ut fra sammenpakning og deres vekt P (idet lengden og bredden ansees som konstant innenfor grensene for prosessen), og variere prosentandelen av tjære med et positivt eller negativt inkrement som bringer nivået til (Bo+x)s6, idet den middels tørrtetthet -v(Bo+X) av et antall n anoder som oppnås fra den karbonholdige pasta som har (Bo+x)# tjære beregnes, og

2) å sammenligne y (Bo+x) med "y(Bo), idet hvis "y(Bo+x) > 7(Bo), inkrementeres Bo+x med en verdi x av det samme fortegn som det foregående inkrement, eller hvis -v(Bo+x) < *y(Bo), inkrementeres Bo+x med en verdi x som har et fortegn som er motsatt det for det foregående inkrement, og denne prosedyre gjentas, idet hvis en av sammenligningene mellom "y(Bo+nx) og -y(Bo+(n+l )x) medfører likhet, kan tjæreinnholdet Bo + (n+l)x enten forbli uendret, eller bli tilføyet en verdi x' som er positiv eller negativ.

2 . Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakter i-sert ved at en maksimumsgrense ± X fastlegges på variasjonene av Bo.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at den reelle variasjonskurve for tørrtettheten etableres som en funksjon av tjæreinnholdet, og at den optimale verdien Bm som tilsvarer maksimum av tørrtetthet for anodene fratrekkes denne.

4 . Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at initialverdien Bo av tjæreinnholdet, etter en viss stabiliseringstid, tilbakestilles til en ny verdi som er lik eller i alt vesentlig lik den optimale verdi Bm.

5. Fremgangsmåte som angitt i ett hvilket som helst av kravene 1 til 4, karakterisert ved at den absolutte verdien av inkrementet x er fastlagt på mellom 0,1 og 0,2$ og den maksimale variasjon i tjæreinnholdet ved Bo ± 0,6%.

6. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 1 til 5, karakterisert ved at parameterne Bo, 7, H, P, X og x mates inn i en beregner som indikerer til en operatør fortegnet for inkrementet x som skal anvendes for hver trinn i prosessen.

7. Fremgangsmåte som angitt i ett hvilket som helst av kravene 1 til 5, karakterisert ved at parameterne Bo, "y , H, P, X, x mates inn i en beregner som er koplet til en automatisk enhet som kan programmeres eller opereres ved hjelp av en mikroprosessor, som tilfører inkrementet x til hvert trinn til prosessen.