PL134831B1 - Method of controlling aluminium oxide content in an aluminium making electrolyser - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób regulacji za¬ wartosci tlenku glinu w elektrolizerze do wytwa¬ rzania aluminium, zwlaszcza w procesie wytwarza¬ nia aluminium metoda Hall-Heroulta./Znane sa automatyczne sposoby wytwarzania aluminium, zapewniajace dobry bilans energetycz¬ ny, regularna prace i wydajne wychwytywanie fluorowanych scieków przemyslowych.Jednym z zasadniczych czynników zapewniaja¬ cych regularnosc pracy elektrolizera do wytwarza¬ nia aluminium przez elektrolize tlenku glinu roz¬ puszczonego w stopionym kriolicie jest rytm wpro¬ wadzania tlenku glinu do kapieli. Niedobór tlenku glinu powoduje powstawanie tzw. efektu anodowe¬ go, który objawia sie przez gwaltowny wzrost na¬ piecia na zaciskach elektrolizera, do wartosci od 4 do 30 czy 40 woltów, co ma wplyw na calosc pra¬ cy. Natomiast nadmiar tlenu glinu stwarza niebez¬ pieczenstwo zanieczyszczenia dna elektrolizera przez powstawanie osadów tlenku glinu, które moga przeksztalcic sie w twarda plyte izolujaca elek¬ trycznie czesc katody. Powoduje to powstawanie w metalu bardzo silnych pradów poziomych, które przez wzajemne oddzialywanie z polami magne¬ tycznymi powoduja niestabilnosc na granicy faz kapiel^metal. Jest to szczególnie klopotliwe, gdy dazy sie do obnizenia temperatury pracy elektro¬ lizera przy stosowaniu bardzo kwasnych kapieli, tj. o zwiekszonej zawartosci A1F3 albo kapieli za¬ wierajfccych rózne dodatki, takie jak chlorki, sole 10 15 20 25 30 2 litu lub magnezu. Te kapiele maja zmniejszona zdolnosc i szybkosc rozpuszczania tlenku "glinu i wymagaja stosowania dokladnej regulacji zawar¬ tosci tlenku glinu.Zawartosc tlenku glinu w kapieli mozna mierzyc bezposrednio przez analize próbek elektrolitu, -jed¬ nak od wielu lat stosuje sie posrednia ocene za¬ wartosci tlenku glinu, sledzac parametr elektrycz¬ ny odzwierciedlajacy stezenie tlenku glinu -w elek¬ trolicie, na przyklad rezystancje wewnetrzna we- fU~e dlug wzoru R : gdzie U jest napieciem na zaciskach elektrolizera, I — natezeniem pradu elek¬ trolizera oraz e odpowiada sile przeciwelektoomo- torycznej elektrolizera okolo 1,65 woltów. Na:pod¬ stawie tego mozna wykreslic krzywa zmian rezy¬ stancji wewnetrznej R w funkcji zawartosci tlenku glinu, w wyniku tego takze stezenie oznaczone sym¬ bolem [A1203].Znane sa automatyczne sposoby wprowadzania tlenku glinu, uzaleznione od stezenia tlenku i*linu w kapieli. Opis patentowy francuski nr 1457746 przedstawia sposób, w którym zmiane rezystancji wewnetrznej elektrolizera stosuje sie jako parametr odzwierciedlajacy stezenie tlenku glinu, który wprowadza sie do kapieli przez zasilacz polaczony ze srodkiem przebicia skorupy skrzepnietego elek¬ trolitu. Opis patentowy francuski nr 1 506 463 przed¬ stawia sposób, w którym mierzy sie czas, jaki uply¬ wa od przerwania wprowadzania tlenku glinu do 134 831134 831 7 8 wana i wylicza sie nowa wartosc CNi P2—Pi z równania: CNi = —- (p wyra- Pa Pi CL CR zone jest w |iQ/min, a CL na przyklad w kg/min) Obliczenie to normalnie wykonuje kom¬ puter, który steruje elektrolizerem i po¬ nowna regulacja rytmu CN jest automa¬ tyczna, przy czym operacje te sa wyko¬ nywane przez znana aparature i nie wcho¬ dza w zakres wynalazku, b) Jesli wartosc rezystancji wewnetrznej Ri jest mniejsza niz Ro—r lub jesli p2 jest wieksze od wartosci zadanej pa°, podaje sie rozkaz rozsuniecia, to znaczy zwiek¬ szenia odleglosci anoda—katoda o wartosc uprzednio okreslona. c) Przechodzi sie na zasilanie w rytmie wol¬ nym, ewentualnie zmodyfikowanym w funkcji nowej wartosci normalnego rytmu CNx i w ten sposób rozpoczyna sie nowy cykl w etapie C.W sposobie wedlug wynalazku, czas T (zasilania w rytmie szybkim i szybki rytm CR tak zostaly dopasowane, zeby stezenie tlenku glinu w elektro¬ licie wzroslo o 0,5—1% (w wartosci absolutnej) a ko¬ rzystniej o 0,5—0,6%. Nastapilo wiec przesuniecie na malym odcinku krzywej Ri = f [A1203], który z tego powodu i bez widocznego bledu mozna uwa¬ zac w tym zakresie za liniowy.Sposób ten zapewnia bardzo duza dokladnosc re¬ gulacji stezenia tlenku glinu i w konsekwencji bar¬ dzo duza regularnosc pracy elektrolizera.Prostsza realizacja sposobu moze miec dwa wy¬ konania. W pierwszym wariancie wykonuje sie eta¬ py A—D, a nastepnie: Ei — Gdy rezystancja wewnetrzna Ri przekroczy górna wartosc graniczna Ro+r, podaje sie do elektrolizera rozkaz tzw. zsuniecia o wartosc uprzednio okreslona i przechodzi sie na zasi¬ lanie w szybkim rytmie CR przez okreslony czas T.F — W wyniku wprowadzania w rytmie szybkim stezenie tlenku glinu w elektrolizerze stop¬ niowo wzrasta, gdyz dostarcza sie go wiecej niz zuzycia sie w elektrolizie, punkt z wy¬ kresu opada w kierunku strzalki CR (fig. 1) a rezystancja wewnetrzna Ri maleje.Mierzy sie kolejne wartosci rezystancji we¬ wnetrznej w równych odstepach czasu t9—ti6, na przyklad co trzy do szesciu minut.Gi — Po uplywie czasu T przechodzi sie na zasi¬ lanie^w rytmie wolnym. Jesli na koncu okre¬ su T: Ri < Ro—r, podaje sie rozkaz rozsunie¬ cia proporcjonalnego do róznicy (Ro—r)—Ri, tak zeby rozpoczac cykl z rezystancja we¬ wnetrzna Ri równa Ro—r.W tym wykonaniu nie wylicza sie nachylen pi i Ps i z tego powodu nie wykorzystuje sie informa¬ cji o poprawionym normalnym rytmie CN^ Drugie wykonanie polega na wykonaniu etapów A—E ta¬ kich, jak zostaly opisane powyzej i na kontynuo¬ waniu procesu w nastepujacy sposób: E2 — Gdy rezystancja wewnetrzna Ri przekroczy górna wartosc graniczna Ro+r, podaje sie do elektrolizera rozkaz tzw. zsuniecia o wartosc uprzednio okreslona. Jesli to zsuniecie spro¬ wadzi kolejna wartosc rezystancji wewnetrz¬ nej Ri ponizej Ro+r, kontynuuje sie wprowa¬ dzanie w rytmie powolnym az rezystancja wewnetrzna Ri ponownie przekroczy Ro+r.Wówczas podaje sie nowy rozkaz zsuniecia.Jesli pierwszy rozkaz zsuniecia nie pozwolil kolejnej wartosci rezystancji wewnetrznej Ri zejsc ponizej Ro+r, podaje sie drugi i ewen¬ tualnie inne rozkazy zsuniecia, ale z góry zo¬ stala ustalona i wprowadzona do komputera maksymalna liczba N kolejnych rozkazów, powyzej której przechodzi sie na zasilanie w rytmie szybkim. Ta liczba N moze wynosic 1, 2, 3, 4 lub 5. (Jesli N jest równe 0, powta¬ rza sie do poprzedniego przypadku etap Ei).Przechodzi sie wiec do szybkiego rytmu CR na wczesniej okreslony czas T.F — W wyniku zasilania w rytmie szybkim steze¬ nie tlenku glinu w elektrolizerze stopniowo wzrasta, gdyz dostarcza sie go wiecej niz zuzywa sie w elektrolizie, punkt z wykresu opada w kierunku strzalki CR (fig. 1) a re¬ zystancja wewnetrzna Ri maleje.Gi — Po uplywie czasu T przechodzi sie na zasi¬ lanie w powolnym rytmie CL. Jesli na koncu okresu T: Ri < Ro—r, podaje sie rozkaz roz¬ suniecia proporcjonalnego do róznicy (Ro i r)—Ri tak, zeby rozpoczac cykl z rezystan¬ cji wewnetrznej Ri równa Ro—r.Urzadzenie wedlug wynalazku zawiera przede wszystkim elementy do dostarczania kolejnych por¬ cji tlenku glinu o stalych ciezarach do kazdego otworu wprowadzajacego, wykonanego w skorupie skrzepnietego elektrolitu, w polaczeniu z elemen¬ tami do magazynowania tlenku glinu, korzystnie usytuowanymi w poblizu elektrolizera i ponownie okresowo zasilanymi z magazynu centralnego.Figury 4 i 5 przedstawiaja urzadzenie do regula¬ cji rytmu wprowadzania i zawartosci tlenku glinu w elektrolizerze soli stopionych. Tlenek glinu jest magazynowany w zbiorniku 1 umieszczonym w nad¬ budowie elektrolizera. Jego pojemnosc moze odpo¬ wiadac zapotrzebowaniu jednodniowemu lub kilku¬ dniowemu i jest on zasilany z magazynu central¬ nego za pomoca dowolnego znanego sposobu np. transportu pneumatycznego, fluidyzacyjnego itp.Podajnik 2 i narzedzie do przebijania 3 sa umiesz¬ czone wewnatrz zbiornika 1 i zamocowane do. ply¬ ty 4, która stanowi jego dno. Podajnik 2 zawiera dozownik 5 i podajnik 6, który wprowadza tlenek glinu do otworu 7 wykonanego i utrzymywanego w skrzepnietej skorupie 8 na powierzchni elektro¬ litu 9.Dozownik 5 sklada sie z rurowego korpusu 10, w którym przesuwa sie trzpien 11 wprawiany w ruch przez podnosnik 12. Trzpien 11 jest wyposazo¬ ny w dwa zawory stozkowe 13, 13' które wspól¬ pracuja z dwoma otworami stozkowymi 14, 14' (fig. 5), w które moga szczelnie wchodzic na przemian.Rurowy korpus 10 i górny korpus 15 sa polaczone wspólosiowo przez liczne zebra 16, przy czym miedzy nimi pozostaja szerokie przestrzenie, którymi w 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 609 134 831 10 górnym polozeniu zaworu 13 tlenek glinu splywa samorzutnie sila ciezkosci, napelniajac rurowy kor¬ pus 10, którego pojemnosc odpowiada jednostko¬ wej porcji tlenku glinu.Pod dzialaniem podnosnika 12 trzpien 11 spro¬ wadza zawór stozkowy 13 w polozenie dolne w otworze 14, podczas gdy zawór stozkowy 13' opusz¬ cza otwór 14' i umozliwia wyplyw porcji tlenu gli¬ nu podajnikiem 6 bezposrednio do otworu 7.Narzedzie do przebijania 3 jest równiez umiesz¬ czone w rurowym korpusie 17 wewnatrz zbiorni¬ ka 1. Obejmuje ono podnosnik 18, którego trzpien 19 na koncu jest wyposazony w latwo wymienial¬ ne ostrze 20 i elementy do skrobania 21, które pod¬ czas wyciagania ostrza usuwaja skorupy elektroli¬ tu, które mogly do niego przylgnac. Sterowanie podnosnikami 12 i 18, nie pokazane, jest w znany sposób realizowane na zewnatrz zbiornika 1. 2eby ostrze 20 nie zanurzalo sie bez potrzeby w kapieli, mozna go wyposazyc w elementy do wy¬ krywania poziomu elektrolitu, takie jak styk elek¬ tryczny, który daje podnosnikowi sygnal podnosze¬ nia, gdy tylko skorupa zostanie przebita i kraniec ostrza zetknie sie ze stopionym elektrolitem.Pojemnosc dozownika 5 jest ustalona w zalez¬ nosci od mocy elektrolizera i liczby punktów zasi¬ lania. Jeden elektrolizer moze miec jeden lub wie¬ cej zestawów dozownik—podajnik—przebijak, roz¬ mieszczonych na przyklad miedzy dwoma szerega¬ mi anod. Mozliwy jest równiez inny dowolny rów" nowaznjr sposób wprowadzania przez otwarty otwór tlenku glinu bezposrednio do cieklego elektrolitu.W poblizu otworu wykonanego w skorupie mozna równiez zastosowac elementy do wychwytywania wydzielajacych sie zanieczyszczen gazowych.Pomiar pseudorezystancji wewnetrznej moze od¬ bywac sie róznymi znanymi sposobami. Najprost¬ szy sposób polega na pomiarze natezenia pradu I, napiecia V na zaciskach elektrolizera i na dokona¬ niu obliczenia Ri = -— . Zebrane i przetwo¬ rzone informacje sa ostatecznie wykorzystywane do zapewnienia rytmu dostarczania kolejnych porcji tlenku glinu.Jesli na przyklad normalny rytm CN wynosi 100 kg/godz. rozlozone na cztery otwory wprowa¬ dzajace i kazda porcja tlenku glinu wynosi 1 kg, to rytm CN odpowiada porcji co 110 sekund a wol¬ ny rytm CL = CN—30% odpowiada porcji co 205 sekund. Obliczenia takie i dostarczenie rozkazów do podajnika-dozownika sa zapewnione w znany sposób przez programowanie maszyny matema¬ tyczne wyposazone w mikroprocesory.Szczególnie korzystne jest wyposazenie urzadze¬ nia do utrzymywania w stanie otwartym otworu wprowadzajacego w detektor zatkania tego otworu, zeby podczas przestoju na odkorkowanie reczne lub automatyczne, podajniki-dozowniki zasilajace inne otwory pozostajace otwarte otrzymaly rozkaz zwiek¬ szenia rytmu, tak zeby calkowita ilosc wprowadza¬ nego tlenku glinu pozostala niezmienna.Sposób i urzadzenie opisane powyzej moga byc stosowane do serii elektrolizerów przeznaczonych do wytwarzania aluminium przez elektrolize tlen¬ ku glinu rozpuszczonego w kapieli na bazie stopio¬ nego kriolitu, a szczególnie w przypadku, gdy kapiel zawiera badz 5-^13% A1F3, przy temperaturze pracy 955—970°C, badz 13—20% A1F, (kapiel zwana „bar¬ dzo kwasna") przy temperaturze pracy 930—955°C, 5 przy czym kapiele te moga ponadto zawierac do 1% litu w postaci fluorku litu i w tym przypadku tem¬ peratura pracy moze zejsc do 910QC.Mozna równiez brac pod uwage inne dodatki, takie jak halogenki magnezu o stezeniu do 2% mag¬ nezu lub chlorki metali alkalicznych lub ziem alka¬ licznych o stezeniu dochodzacym do równowazne¬ go 3% Cl.Wspomniane kapiele maja wzglednie slaba zdol¬ nosc absorpcji i rozpuszczania tlenku glinu i z tego powodu dobrze nadaja sie do stosowania sposobu wedlug wynalazku, który zapewnia regularny do¬ plyw tlenku glinu. Zaleta tych kapieli jest to, ze zapewniaja wyraznie lepsza wydajnosc Faradaya niz kapiele klasyczne pracujace w temperaturze 960—970°C.Pr z y k l ad. Seria elektrolizerów zasilana pradem 180 000 amperów i z anodami wstepnie spieczonymi pracowala w ciagu kilku miesiecy, przy czym za¬ pewniono regulacje zawartosci tlenku glinu sposo¬ bem wedlug wynalazku wokól wartosci srodkowej 2,9% i przy zmianach krancowych 3,5—2,1%. Kapiel zawierala 13% A1F3 a temperatura wynosila okolo 950°C. Otrzymano srednia wydajnosc Faradaya 93,5% w miejsce srednio 92% przy kapieli z 8% AlFj i 6—*9% A1*0« w temperaturze 960°C.Nastepnie obnizono zawartosc tlenku glinu do wartosci srodkowej 2,3% przy zmianach kranco¬ wych 1,6—2,9%. Kapiel zawierala 14% A1F3 i 2% LiF, a temperatura wynosila okolo 935°C.Nastepnie obnizono zawartosc tlenku glinu do wartosci srodkowej 2,3% przy zmianach krancowych 1,6^-2,9%. Kapiel zawierala 14% A1F, i 2% LiF, a temperatura wynosila okolo 935°C. Otrzymano srednia wydajnosc Faradaya 95%.Zastrzezenia patentowe 1. Sposób regulacji zawartosci tlenku glinu w elektrolizerze do wytwarzania aluminium przez elektrolize tlenku glinu rozpuszczonego w kapieli na bazie kriolitu, której górna czesc tworzy skrzep¬ nieta skorupe i w której zawartosc tlenku glinu jest utrzymywana w waskim przedziale 1—3,5% oraz do której wprowadza sie bezposrednio tlenek glinu przez co najmniej jeden otwór utrzymywany w stanie otwartym w skrzepnietej skorupie i mo¬ duluje sie rytm wprowadzania tlenku glinu w funk¬ cji zmian rezystancji wewnetrznej elektrolizera w okreslonych wczesniej okresach czasu, stosujac na przemian cykle wprowadzania tlenku glinu w ryt¬ mie wolniejszym i w rytmie szybszym niz rytm od¬ powiadajacy zuzyciu w elektrolizerze przez to, ze wprowadza sie tlenek glinu w kolejnych porcjach o ciezarze stalym w róznych okresach czasu, zna¬ mienny tym, ze rytm wprowadzania tlenku glinu okresla sie w funkcji zmian rezystancji wewnetrz¬ nej w nastepstwie ponizszych operacji przeprowa¬ dzanych w powtarzajacym sie cyklu, w ciagu Któ¬ rego ustala sie wartosc zadana Ro rezystancji we¬ wnetrznej Ri i dwie wartosci graniczne, górna war- 15 20 23 30 35 40 45 50 55 60134 831 FIG.1 Ri w^£2 Ro DAM3 DAM2 DAM1 stezenie 12 3 4 5 6 7 8Al203rf?L FIG.2 tl t3 t5 t7 zasilanie CL FIG.3 stadia-. B C DEE2 F Gl CO EE2 F Gi Qn*r | Rfl-r + zasilanie Cl zsuwanie zsuwanie rozsuniecie constoni- constant proporcjonalnie do t (fto-r)-ri + i + +*{ + i i * i +1 + i i + " + czas ! i ! ¦*} ! CR ! CL ! CR | U f *J (-• T »J134 831 Fig. 5 ZGK 0338/1331/6 85 egz.Cena 100 zl PL PL PL

Claims (1)

Zastrzezenia patentowe

1. Sposób regulacji zawartosci tlenku glinu w elektrolizerze do wytwarzania aluminium przez elektrolize tlenku glinu rozpuszczonego w kapieli na bazie kriolitu, której górna czesc tworzy skrzep¬ nieta skorupe i w której zawartosc tlenku glinu jest utrzymywana w waskim przedziale 1—3,5% oraz do której wprowadza sie bezposrednio tlenek glinu przez co najmniej jeden otwór utrzymywany w stanie otwartym w skrzepnietej skorupie i mo¬ duluje sie rytm wprowadzania tlenku glinu w funk¬ cji zmian rezystancji wewnetrznej elektrolizera w okreslonych wczesniej okresach czasu, stosujac na przemian cykle wprowadzania tlenku glinu w ryt¬ mie wolniejszym i w rytmie szybszym niz rytm od¬ powiadajacy zuzyciu w elektrolizerze przez to, ze wprowadza sie tlenek glinu w kolejnych porcjach o ciezarze stalym w róznych okresach czasu, zna¬ mienny tym, ze rytm wprowadzania tlenku glinu okresla sie w funkcji zmian rezystancji wewnetrz¬ nej w nastepstwie ponizszych operacji przeprowa¬ dzanych w powtarzajacym sie cyklu, w ciagu Któ¬ rego ustala sie wartosc zadana Ro rezystancji we¬ wnetrznej Ri i dwie wartosci graniczne, górna war- 15 20 23 30 35 40 45 50 55 60134 831 FIG.1 Ri w^£2 Ro DAM3 DAM2 DAM1 stezenie 12 3 4 5 6 7 8Al203rf?L FIG.2 tl t3 t5 t7 zasilanie CL FIG.3 stadia-. B C DEE2 F Gl CO EE2 F Gi Qn*r | Rfl-r + zasilanie Cl zsuwanie zsuwanie rozsuniecie constoni- constant proporcjonalnie do t (fto-r)-ri + i + +*{ + i i * i +1 + i i + " + czas ! i ! ¦*} ! CR ! CL ! CR | U f *J (-• T »J134 831 Fig. 5 ZGK 0338/1331/6 85 egz. Cena 100 zl PL PL PL