Przedmiotem wynalazku jest sposób dozowania chlorku glinu do kapieli do jednej lub wiekszej liczby wanien elektrolitycznych, w celu wytwa¬ rzania glinu przez elektrolize chlorku glinu.Produkcja glinu przez elektrolize chlorku glinu nie stala sie jeszcze ekonomiczna. Prawdopodob¬ nie glówna przyczyna jest to, ze proces Halla re¬ dukcji tlenku glinowego byl najbardziej ekono¬ miczna dotychczas znana metoda. Jednym z pro¬ blemów, zwiazanym z przetwarzaniem chlorku glinu, jest trudnosc stosowania kapieli sporzadzo¬ nej z potrzebnych skladników we wlasciwych ilos¬ ciach, w celu skutecznego i ekonomicznego wy¬ twarzania glinu, bez powaznych szkodliwych efek¬ tów ubocznych.Znane jest, ze chlorek glinu moze byc rozpusz¬ czony w kapieli roztopionych soli metali w wan¬ nie elektrolitycznej w celu wytworzenia glinu przez elektrolize glinu. Kapiel roztopionych soli metali moze zawierac, na przyklad chlorek litu i chlorek sodu, chociaz uzywano i innych metali alkalicznych oraz halogenków metali ziem alkalicznych do roz¬ puszczania w nich chlorku glinu. W celu utrzymy¬ wania pozadanego skladu kapieli stosowano raczej przypadkowe metody kontroli. Na przyklad, pra¬ cownik obslugujacy urzadzenie moze dozowac obli¬ czona ilosc chlorku glinu do kapieli w regularnych odstepach czasu w oparciu o przyjeta wydajnosc pradowa lub w takim czasie, jaki on indywidualnie ustala, gdy kapiel wymaga wiecej chlorku glinu.Jak juz wspomniano, stosowano to raczej przy¬ padkowe dozowanie chlorku glinu do kapieli, po¬ niewaz dotychczas nie znaleziono zadnej zadawala¬ jacej metody otrzymywania optymalnej ilosci gliny przez elektrolize chlorku glinu, przynajmniej zad¬ nej takiej metody, któraby zapewniala ekonomicz¬ na skutecznosc.Po dlugich badaniach zostalo odkryte, ze wanna elektrolityczna z chlorkiem glinu pracuje bardziej wydajnie gdy ilosc chlorku glinu jest utrzymywa¬ na w poblizu uprzednio ustalonego optymalnego poziomu. Jezeli maja miejsce znaczne odchylenia od wymaganego optymalnego poziomu, moga po¬ wstac trudnosci. Na przyklad, jezeli stezenie chlor¬ ku glinu w kapieli stopniowo obniza sie w miare elektrolitycznego przetwarzania chlorku glinu w glin, przewodnosc wlasciwa elektrolitu wzrasta, powodujac obnizanie sie napiecia. W konsekwencji osiagany jest punkt, w którym polaryzacja steze¬ niowa przy katodzie lub katodach powoduje wzrost napiecia.Zjawisko to zachodzi, poniewaz konwekcja i dy¬ fuzja nie sa w stanie dluzej zapewnic transportu jonów glinu w kierunku powierzchni katody z. wy¬ starczajaca duza predkoscia. Wyczerpywanie ,-sie jonów glinu przy katodzie powoduje przepiecie na katodzie, które podwyzsza sile przeciwelektromo- toryczna do chwili, az kationy zajmujace kolejnie miejsca w szeregu napieciowym za glinem, a znaj¬ dujace sie w kapieli, na przyklad metale alkaliczne 93 978. '¦;¦¦', 93 978 tairie jak sód, potas, lit, zaczna rozpuszczac kato¬ de. W rezultacie na katode, zwykle wykonana z grafitu, oddzialywuje metal alkaliczny w proce¬ sie zwanym wtracaniem, który jest szkodliwy dla wanny elektrolitycznej. Jest zatem wskazane pro¬ wadzenie procesu na uprzednio wyznaczonym po¬ ziomie, jak wspomniano powyzej, w celu niedo¬ puszczenia do obnizenia sie stezenia chlorku glinu do takiego poziomu, by mialo miejsce oddzialy¬ wanie metali alkalicznych na katode.Pozadany optymalny poziom stezenia chlorku glinu w kapieli jest powyzej poziomu, przy któ¬ rym jony metali alkalicznych wytracaja sie i przy l?&Ó£y]Xi~ napiecie zaczyna, wzrastac dosc raptownie.Z \ar&giefstrpny,' jezeli stezenie chlorku glinu jest wieksze niz wartosc optymalna, wydajnosc prado¬ wa obniza sie.Stezenie chlorku glinu moze byc mierzone po- fcrzez„ analize ilosciowa badanej kapieli co jest dosyc pracochlonne, a wiec stezenie stac sie moze zbyt niskie jeszcze przed wykryciem tego stanu.Znany jest z polskiego patentu nr 63207 sposób dozowania tlenku glinu do kapieli elektrolitycznej przy prowadzeniu procesu elektrolizy tlenku gli¬ nu. Sposób jest oparty na okresowym pomiarze pa¬ rametrów elektrycznych elektrolizera, a mianowi¬ cie, napiecia na elektrolizerze i pradu przeplywa¬ jacego przez elektrolizer, obliczaniu sily przeciw- elektromotorowej i na okresleniu, na podstawie uzyskanych powyzszych informacji, calkowitej re¬ zystancji elektrolizera, lub przewodnosci kapieli elektrolitycznej. Gdy calkowita rezystancja elek¬ trolizera staje sie wieksza od wartosci uprzednio ustalonej, dokonuje sie korekcje kapieli poprzez wprowadzenie nowych porcji tlenku glinu, gdyz zwiekszenie rezystancji elektrolizera swiadczy o zmniejszeniu sie zawartosci tlenku glinu w ka¬ pieli. Przy stwierdzeniu, ze rezystancja elektroli¬ zera jest wieksza od uprzednio ustalonej wartosci nie dokonuje korekcji skladu kapieli.O stezeniu chlorku glinu w kapieli elektrolitycz¬ nej elektrolizera stosowanego do wytwarzania gli¬ nu metalicznego i chlorku glinu równiez mozna sadzic na podstawie parametrów elektrycznych elektrolizera, to znaczy rezystancji calkowitej, ewentualnie przewodnosci kapieli elektrolitycznej.Jednakze sposób dozowania tlenku glinu do kapieli, ujawniony w polskim patencie nr 63207, nie moze byc zastosowany, w przypadku otrzymywania glinu metalicznego z chlorku glinu ze wzgledu na od¬ miennosc przebiegu procesów i nastepstw nieza¬ chowania warunków pracy kapieli.Celeni wynalazku jest opracowanie sposobu do¬ zowania chlorku glinu do kapieli do jednej lub wiekszej' liczby elektrolizerów zapewniajacego mozliwosc otrzymywania glinu metalicznego z chlorku glinu w warunkach przemyslowych; Sposób dozowania chlorku glinu do kapieli do jednej lub wiekszej liczby wanien elektrolitycz¬ nych wedlug wynalazku polega na tym, ze po Wprowadzeniu chlorku glinu do kapieli, i po spraw¬ dzeniu przewodnosci kapieli elektrolitycznej lub calkowitej "skutecznej rezystancji elektrolizera, zwieksza sie'dozowanie chlorku glinu do kapieli elektrolitycznej w odpowiedzi na zwiekszenie przewodnosci kapieli elektrolitycznej, lub na zmniejszeniu sie wartosci calkowitej skutecznej rezystancji elektrolizera, i odwrotnie '-r- zmniejsza sie dozowanie chlorku glinu do kapieli elektroli- tycznej w odpowiedzi na zmniejszenie sie prze¬ wodnosci kapieli elektrolitycznej lub na zwieksze¬ nie sie Wartosci calkowitej skutecznej- rezystancji elektrolizera. y.J' .'¦«• *.Korzystnym jest, gdy po dokonaniu porównania zmierzonej wartosci calkowitej skutecznej rezy¬ stancji elektrolizera z uprzednio ustalona wartos¬ cia odniesienia reguluje sie najpierw szybkosc do¬ zowania chlorku glinu w kierunku jej zmniejsze¬ nia, jezeli wartosc mierzonej calkowitej skutecznej rezystancji elektrolizera jest .wieksza* o ustalonej wartosci odniesienia^ ;a nastepnie* jezeli mierzona calkowita skuteczna rezystancja elektro¬ lizera zwieksza sie w odpowiedzi iia zmniejszenie szybkosci dozowania, dokonuje sie zwiekszenia szybkosci dozowania chlorku glinu w stosunku do szybkosci dozowania, ustalonej na poczatku pro¬ cesu regulacji dozowania i dozowanie chlorku glinu do elektrolizera przeprowadza sie z ta zwiek¬ szona szybkoscia az' do momentu, gdy mierzona calkowita rezystancja skuteczna elektrolizera przej¬ dzie przez minimum i zacznie wzrastac, kontynu¬ uje sie dozowanie chlorku glinu do elektrolizera z ta zwiekszona szybkoscia az do momentu, gdy wartosc zmierzonej calkowitej rezystancji skutecz¬ nej staje sie' równiej "równa uprzednio ustalonej wartosci odniesienia, po czyni dozowanie chlorku glinu przeprowadza sie z szybkoscia przynajmniej równa lub nieco mniejsza niz szybkosc dozowania przed rozpoczeciem procesu regulacji.Korzystnym jest, gdy zawartosc chlorku glinu w kapieli elektrolitycznej utrzymuje sie na pozio¬ mie 2—15% w stosunku do calkowitego skladu kapieli.Kontrole poziomu stezenia dokonuje sie poprzez pomiar calkowitej rezystancji skutecznej wanny elektrolitycznej. Moze to byc wykonanie przy za¬ stosowaniu konwencjonalnych elektrycznych urza¬ dzen pomiarowych do pomiaru napiecia i pra¬ du. Calkowita rezystancja skuteczna (Rm) wan¬ ny (elektrolitycznej jest zdefiniowana wzorem: Rm=[E—NE°]) I, gdzie E jest Calkowitym napie¬ ciem wanny elektrolitycznej, N jest liczba komór wanny elektrolitycznej, E° — sila przeciwelektro- motoryczna kazdej komory, a I jest natezeniem pradu.Przy optymalnym poziomie, E° zawarte jest zwykle pomiedzy 1,9 i 2,0 woltami. Dokladny po¬ miar wartosci sily przeciwelektromotorycznej moze byc wykonany dla tego przypadku, jezeli jest on wymagany, na przyklad przez przerwanie pradu.Wartosc NE°" moze byc zmierzona w momencie, gdy prad jest przerywany na chwile. W dwubie¬ gunowych wannach elektrolitycznych stosuje sie wiele komór, które sa utworzone zwykle przez wiele dwubiegunowych elektrodowych plytek usta¬ wionych pomiedzy koncowa anoda i koncowa ka¬ toda. Dla wanny elektrolitycznej jednobiegunowej wartosc N jest równa jednosci.Calkowita rezystancja skuteczna (Rm) wanny elektrolitycznej sklada sie co najmniej z czterech 40 45 50 55 6093478 skladników: 1) rezystancja doprowadzen elektrycz¬ nych i polaczen, przez które plynie prad do elek¬ trod w wannie elektrolitycznej — rezystancja ta jest latwa do zmierzenia; 2) rezystancja kapieli, która maleje wraz ze zmniejszeniem sie stezenia chlorku glinu; 3) rezystancja pecherzyków chloru w kapieli i warstwy pecherzyków chloru przy ano¬ dzie, która to rezystancja poczatkowo maleje wraz ze zmniejszeniem sie stezenia chlorku glinu, praw¬ dopodobnie dlatego ze pecherzyki staja sie wieksze, gdy stezenie maleje i dlatego wzrastaja i usuwaja sie z drogi bardziej gwaltownie, a nastepnie ma¬ leja, gdy duze pecherze zaczynaja przyczepiac sie do anody utrudniajac przeplyw pradu; i 4) rezy¬ stancja powodowana przez wzrost sily przeciw- elektromotorycznej, gdy przepiecie na katodzie wzrasta przy niskim stezeniu chlorku glinu, pod¬ czas gdy obliczajac rezystancje wanny elektroli¬ tycznej (Rm) przyjmujemy wartosci E° sily prze- ciwelektromotoryczna za stala.Zostalo odkryte, ze wartosc E° moze byc przy¬ jeta równa 1,95 V .Dwie zaleznosci: napiecie wanny elektrolitycznej przy stalym pradzie i rezystancja wanny elektrolitycznej, sa przedstawione na fig. 2, która bedzie omówiona ponizej w powiazaniu z opi¬ sem rysunków. Tak wiec, stezenie chlorku glinu moze byc takze mierzone poprzez napiecie wanny elektrolitycznej przy stalym pradzie. Jezeli przy¬ kladane do waniny elektrolitycznej napiecie jest stale, przeplywajacy prad moze byc wykorzysty¬ wany do wskazywania stezenia chlorku glinu w prosty sposób, lecz dokladna kontrola napiecia stosowanego w kazdej z wanien elektrolitycznych jest kosztowna, jak zreszta kazda dokladna kon¬ trola.Jest takze mozliwe okreslenie stezenia chlorku glinu przez pomiar rezystancji kapieli, na przy¬ klad, poprzez uzycie kapieli przygotowawczej za¬ laczonej w ukladzie mostka przewodnosciowego, zwykle stosowanego do innych celów, w celu po¬ miaru przewodnosci kapieli i przeksztalcenia jej w rezystywnosc, która jest odwrotnoscia przewod¬ nosci kapieli.Badania potwierdzily mozliwosc wykorzystania pomiarów elektrycznych parametrów elektrolizera do okreslania stezenia chlorku glinu w kapieli.Sposób dozowania chlorku glinu wedlug wyna¬ lazku zapewnia utrzymanie zawartosci chlorku gli¬ nu w kapieli na poziomie, przyjetym za optymalny dla tego procesu, to znaczy na poziomie od 2 do % calkowitego skladu kapieli (wtedy, jak pozo¬ stala czesc to metale alkaliczne lub halogenki me¬ tali ziem alkalicznych).W celu regulacji ilosci chlorku glinu w kapieli rezystancja skuteczna kapieli jest obliczana przy pomocy uprzednio podanego równania Rm = = [E — NE°]/I i porównywana z wartoscia opty¬ malna rezystancji R ustalona uprzednio. Ta war¬ tosc optymalna rezystancji ustalona uprzednio jest okreslana na podstawie analizy chemicznej badanej kapieli której towarzyszyl jednoczesny pomiar pra¬ du i napiecia dokonywany w celu obliczenia Rm.Jezeli pojawiaja sie nieznaczne odchylenia Rm, w powyzszym równaniu przy stalej procentowej za¬ wartosci chlorku glinu, które sa odzwierciedleniem zmian wzajemnych proporcji innych skladników kapieli, zmian temperatury i tym podobnymi przy¬ czynami, ta zmiany te sa, latwo korygowane, dopó¬ ki sa one stosunkowo wolne, poprzez zmiane usta- lonej wartosci rezystancji w ^oparciu o okresowa analize chemiczna kapieli, prowadzona jako do¬ datkowy pomiar stezenia chlorku.Jak uprzednio zaznaczono, jedna z korzysci sto¬ sowania pomiaru calkowitej rezystancji skutecznej io wanny elektrolitycznej jest to, ze fluktuacje napie¬ cia spowodowane przez fluktuacje pradu nie maja wplywu na oznaczenie stezenia, jako ze zastoso¬ wanie metody pomiaru calkowitej rezystancji sku¬ tecznej eliminuje w znacznym stopniu jakiekol- wiek fluktuacje powyzej zakresu typowych fluk¬ tuacji pradu.W praktycznym urzeczywistnieniu wynalazku do¬ zownik jest wlaczany wówczas, gdy zmierzona cal¬ kowita rezystancja skuteczna (na przyklad, obliczo- na przy pomocy podanego wyzej wzoru Rm = = [E — NE°]/I, na podstawie pomiaru napiecia wol¬ tomierzem cyfrowym i pradu — amperomierzem przylaczonymi do maszyny matematycznej) staje sie nizsza, niz uprzednio okreslona a wartosc opty- malna. Szybkosc dozowana jest ustalana tak, aby byla wieksza, niz wymagana szybkosc wystarcza¬ jaca do utrzymywania zadanego optymalnego ste¬ zenia chlorku glinu w kapieli. Kiedy calkowita rezystancja skuteczna staje sie wieksza od warto- sci uprzednio ustalonej, odpowiadajacej optymal¬ nemu stezeniu chlorku glinu w kapieli, dozownik zostaje wylaczony do chwili, az calkowita rezystan¬ cja skuteczna stanie sie równa uprzednio ustalo^ nej wartosci.Stosowane sa trzy szybkosci dozowania. Na przy¬ klad, jest stosowana szybkosc dozowania ustalonej ilosci chlorku glinu uznana za standardowa i okres¬ lona na podstawie przeprowadzonych doswiadczen jako zapewniajaca najwieksza skutecznosc utrzymy- 40 wania optymalnego stezenia chlorku glinu w kapie¬ li. Ta standardowa szybkosc dozowania w kg/s, oznaczona tu przez F, moze byc okreslona przez równanie F = kNICe, gdzie: stala k równa sie 1,015X10"8, jako obliczona ze stalej Faradaya i rów- 45 nowaznika wagowego A1C13, N — liczba komór w wannie elektrolitycznej, I — natezenie pradu w A i Ce — przyjeta wydajnosc pradowa w procentach, znana z doswiadczenia. Druga szybkosc dozowania jest wieksza, na przyklad o 5 do 20% od s^andar- 50 dowej szybkosci, a trzecia szybkosc jest mniejsza, na przyklad o 5 do 20% od standardowej szybkos¬ ci. Jezeli rzeczywista calkowita rezystancja sku¬ teczna elektrolizera zmienia sie w takich granicach ze spelnionym pozostaje warunek, wyrazony rów- 55 naniem Rm — R ± (KR), gdzie K — liczba z za¬ kresem od 0,001 do 0,01, a R — calkowita rezystancja skuteczna elektrolizera odpowiadajaca optymalne¬ mu stezeniu chlorku glinu w kapieli, wówczas sto¬ sowane jest dozowanie z szybkoscia standardowa. eo Jesli, jednakze, zachodzi, ze Rm < R — (KR), dozo¬ wanie idzie ze zwiekszona szybkoscia, a jesli RmR+(KR) — ze zmniejszona.W innym przykladzie realizacji wynalazku sto¬ suje sie regulacje proporcjonalna, polegajaca na es zapewnieniu szybkosci dozowania chlorku glinu;83 978 7 8 proporcjonalnej do pradu elektrolizera i odpowia¬ dajacej wydajnosci pradowej elektrolizera w pro¬ centach gdy Rm = R. W tym przypadku szybkosc dozowania jest zwiekszona lub zmniejszona pro¬ porcjonalnie do wartosci róznicy (R— Rm) — w zaleznosci od znaku tej róznicy.Z latwoscia mozna zauwazyc, ze prowadzac do¬ zowanie w taki sposób,, jak podano w przytoczonym przykladzie realizacji wynalazku mozna utrzymy¬ wac wystarczajaco stale stezenie chlorku glinu w kapieli w wannie elektrolitycznej lub szeregu wanien elektrolitycznych, przy maksymalnej wy¬ dajnosci, skutkiem czego unika sie niekorzystnych duzych odchylen od zadanego optymalnego pozio¬ mu, powodujacych nizsza wydajnosc pradowa, albo wzrost przepiecia na katodzie lub wywolujacych szkodliwy „efekt katodowy", przejawiajacy sie ja¬ ko nagly wzrost napiecia lub rezystancji skutecz¬ nej, gdy stezenie chlorku glinu w kapieli w wannie elektrolitycznej staje sie zbyt male.Regulacja ilosci chlorku glinu dodawanego do elektrolitu w wannie, jest dostosowywana tak, aby spelnione byly warunki i wymagania, jakie sa na¬ kladane na ten proces. Na przyklad, chlorek glinu jest dozowany z zadana, uprzednio ustalona lub obliczona, optymalna albo inaczej mówiac najbar¬ dziej skuteczna szybkoscia dotad, az stezenie chlor¬ ku glinu w kapieli w wannie elektrolitycznej, na przyklad okreslone na podstawie pomiaru calko¬ witej rezystancji skutecznej wanny elektrolitycz¬ nej lub calkowitetgo napiecia wanny elektrolitycz¬ nej przy stalym pradzie, osiagnie wartosc bliska stezeniu optymalnemu. Wówczas, jezeli stezenie jest wieksze od optymalnego, dozowanie chlorku glinu jest przerywane calkowicie lub szybkosc dozowania jest zmniejszona.Jezeli stezenie jest mniejsze od optymalnego, do¬ zowanie chlorku glinu jest zwiekszone, natomiast jezeli jest stosowany sposób dozowania, w którym porcja chlorku glinu jest dodawana na poczatku procesu, to potem nie dodaje sie go az do momentu osiagniecia wartosci bliskiej optymalnemu pozio¬ mowi. Nastepnie jest dodawana druga porcja chlor¬ ku glinu lub rozpoczyna sie dozowanie chlorku glinu z ustalona szybkoscia i kontynuowane przy¬ najmniej do czasu, gdy mierzona calkowita rezy¬ stancja skuteczna wanny elektrolitycznej lub spa¬ dek napiecia jeszcze raz osiaga uprzednio ustalony lub obliczony poziom.Nie jest parametrem krytycznym czestotliwosc z jaka dokonuje sie pomiaru calkowitej rezystancji skutecznej. Jednakze im czesciej sie to robi, tym mniejsza jest szansa odchylen stezenia chlorku gli¬ nu od zaplanowanego optymalnego poziomu i wiek¬ sza szansa, ze proces prowadzi sie z najwieksza wydajnoscia.Jedna z korzysci wynalazku jest to, ze dozowanie moze byc prowadzone automatycznie, na przyklad dzieki zastosowaniu maszyny matematycznej, sprze¬ zonej z dozownikiem chlorku glinu. W takim ukla¬ dzie' maszyna matematyczna co jakis czas bezpo¬ srednio odczytuje calkowite napiecie na wannie elektrolitycznej i oblicza na podstawie tego od¬ czytu i odczytu pradu, calkowita rezystancje sku¬ teczna, wedlug podanego wyzej wzoru.Maszyna matematyczna przekazuje sygnal stero¬ wania do dozownika, gdy wartosc stezenia chlorku glinu wskazuje na to, ze powinno sie dodac wie¬ cej lub mniej chlorku glinu, lub rozpoczac wzgled- nie przerwac dozowanie chlorku glinu. Wykorzysty¬ wane sa przy tym informacje odnosnie okreslonych uprzednio optymalnych stezeniach chlorku glinu i optymalnej calkowitej rezystancji skutecznej wan¬ ny elektrolitycznej oraz ustalone wartosci odchy- io len od wartosci ustalonych jako kryteria rozpo¬ czecia regulacji szybkosci lub ilosci dozowania chlorku glinu do wanny elektrolitycznej przez do¬ zownik.Chlorek glinu jest, zaleznie od wymagan, dostar- czany do wanny elektrolitycznej w stanie cieklym, rozpuszczony w kapieli lub sproszkowanym i moze byc dostarczany do elektrolizera w strumieniu su¬ chego gazu, takiego jak Cl2, C02, N2, A1C13 od góry lub od dolu kapieli w wannie elektrolitycznej, wzglednie z komory absorpcyjnej, znajdujacej sie na zewnatrz wanny elektrolitycznej, która to ko¬ mora znajduje sie w obiegu kapieli. Maszyna ma¬ tematyczna jest równiez stosowana do korygowa¬ nia pewnych sytuacji spotykanych podczas elektro- lizy chlorku glinu, które sa trudne do przewidze¬ nia.Na przyklad, ta sama maszyna matematyczna jest stosowana do kontroli wplywu zmiany szybkosci dozowania na zmiany calkowitej rezystancji sku- tecznej. Jezeli calkowita rezystancja skuteczna wan¬ ny elektrolitycznej zmienia sie w przeciwnym do pozadanego kierunku, to znaczy, jezeli zaczyna co¬ raz bardziej róznic sie od wartosci rezystancji od¬ powiadajacej uprzednio ustalonemu optymalnemu poziomowi stezenia chlorku glinu, podczas gdy do¬ daje sie wiecej lub mniej chlorku glinu w odpo¬ wiedzi na odchylenia od okreslonej wydajnosci lub optymalnego poziomu, okreslonego na przyklad przez to, czy mierzona rezystancja jest mniejsza czy 40 wieksza od optymalnej wartosci. Gdy oddalanie sie w góre lub w dól od optymalnego poziomu trwa nadal to maszyna matematyczna, a wiec i pracow¬ nik obslugujacy urzadzenie wie, ze calkowita re¬ zystancja skuteczna przekroczyla minimum bez- 45 piecznego dzialania wanny elektrolitycznej wyzna¬ czone na standardowej charakterystyce przedsta¬ wiajacej zaleznosc calkowitej rezystancji skutecz¬ nej wanny elektrolitycznej lub calkowitego napie¬ cia na wannie elektrolitycznej od procentowego 50 stezenia chlorku glinu, i przesuwa sie w przeciw¬ na strone roboczego zbocza charakterystyki cal¬ kowitej rezystancji skutecznej wanny elektrolitycz¬ nej lub napiecia, to znaczy, ze osiagnal punkt, od którego tempo wzrostu calkowitej rezystancji sku- 55 tecznej wanny elektrolitycznej lub napiecia zaczy¬ na spadac coraz szybciej.Jak wyjasniono wyzej, jest to punkt odpowiada¬ jacy momentowi, w którym pojawia sie polaryza¬ cja przy katodzie. I jezeli dopusci sie do trwania 60 tego stanu, moze to byc szkodliwe dla katody. Gdy taki stan jest wykryty przez maszyne matematycz¬ na, przekazuje ona sygnal sterujacy do dozowni¬ ka, który dozuje chlorek glinu z maksymalna mo¬ zliwa szybkoscia, i jezeli jest to celowe, urucha- 65 mia urzadzenie alarmowe, do którego maszyna ma-9 93 978 tematyczna dolaczona jest w konwencjonalny spo¬ sób, tak, ze korekta skladu kapieli moze byc wy¬ konywana recznie przez pracownika obslugujacego urzadzenie, lub inne manipulacje, majace na celu umozliwienie podjecia odpowiednich skrótów.Na przyklad, prad wanny elektrolitycznej moze byc na chwile przerwany — w celu unikniecia od¬ dzialywania na katode, do czasu, gdy zawartosc chlorku glinu zostanie odpowiednio zwiekszona. Je¬ zeli calkowita rezystancja skuteczna wanny elek¬ trolitycznej lub napiecie wzrastaja, prad wanny elektrolitycznej moze byc przerwany automatycz¬ nie, gdy zostanie osiagnieta maksymalna dopusz¬ czalna wartosc tych parametrów i nie wlaczany do czasu, az nie beda wykonywane manipulacje korygujace. Nastepnie uklad automatyczny moze byc ponownie uruchomiony. Wanna elektrolitycz¬ na z maszyna matematyczna moze byc polaczona, na przyklad za pomoca kondensatorów, które prze¬ kazuja informacje o napieciu i pradzie poprzez konwencjonalny przewtornik analogowo-cyfrowy do maszyny matematycznej.Wyjscie maszyny matematycznej jest wyposazo¬ ne w uklad zawierajacy pradowe obwody sterujace, zapewniajace oddzialywanie na dozowniki i kon¬ trole wartosci pradu. Kondensatory wejsciowe za¬ pewniaja izolacje pomiedzy zródlem sygnalu i ma¬ szyna matematyczna i eliminuja szumy, które sa typowe dla gwaltownych fluktuacji pradu i/lub napiecia. Sygnal reprezentujacy zmiany wartosci rezystancji jest usredniany w zadanym okresie, a najwieksza srednia wartosc jest dodawana do ostatniej z odebranych informacji i wykorzystana przez maszyne matematyczna. Rezystory sa zala¬ czane celem zapewnienia poziomów najbardziej od¬ powiednich dla przetwornika analogowo-cyfrowego.Podczas pracy taka maszyna matematyczna bada w ustalonych odstepach czasu w okreslonej kolej¬ nosci prad i napiecie kazdej wanny elektrolitycz¬ nej. W tym celu przesyla ona sygnal sterujacy do urzadzenia wykonawczego, które powoduje, ze kon¬ densator, wspólpracujacy z kazda wanna elektroli¬ tyczna i urzadzeniem do pomiaru pradu, jest prze¬ laczany z urzadzenia do pomiaru pradu przez wan¬ ne elektrolityczna do przetwornika analogowo-cyf- rowego na okres wymagany dla odczytu, który jest zwykle krótszy niz 1/200 sekundy. Sygnaly sa do¬ prowadzane do maszyny matematycznej z przetwor¬ nika, w którym sa realizowane uprzednio opisane obliczenia. Nastepnie maszyna matematyczna prze¬ syla sterujacy impuls elektryczny lub serie steru¬ jacych impulsów elektrycznych do dozownika kaz¬ dej wanny elektrolitycznej. Te impulsy powoduja zwiekszenie lub zmniejszenie szybkosci dozowania w zaleznosci od sytuacji.Wynalazek jest blizej objasniony na przykladzie realizacji przedstawionym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia graficznie zaleznosci napiecia dla typowych zawartosci chlorku glinu dla kazdej z ko¬ mór wanny elektrolitycznej, sluzacej do wytwarza¬ nia glinu z chlorku glinu, fig. 2 -^ typowa charak¬ terystyke napieciowa komory wanny elektrolitycz¬ nej i rezystancji skutecznej na jednostke powierz¬ chni elektrody i na komore w zaleznosci od pro¬ centowej zawartosci chlorku glinu w dwubieguno¬ wej wannie elektrolitycznej, przy gestosci pradu utrzymywanej w poblizu 10 amperów na jednostke powierzchni.Charakterystyka przedstawiajaca napiecie wanny elektrolitycznej w funkcji procentowej zawartosci chlorku glinu z fig. 2 wykazuje gwaltowny wzrost napiecia w przecietnych warunkach przy stezeniu chlorku glinu mniejszym niz okolo 2%. Temu gwal¬ townemu wzrostowi napiecia wanny elektrolitycz¬ nej mozna zapobiec poprzez utrzymywanie steze¬ nia chlorku glinu powyzej okolo 4% wagowo. W odpowiednich warunkach (to znaczy przy stoso¬ waniu wzglednie czystego chlorku glinu i w kapieli o odpowiedniej temperaturze) gwaltowny wzrost napiecia bedzie nastepowal przy mniejszym od 2% stezeniu chlorku glinu, co zwieksza zakres bezpiecz¬ nej pracy elektrolizera do okolo 1,5%.Z kolei fig. 3 przedstawia graficznie, w jaki spo¬ sób, wedlug wynalazku, stezenie chlorku glinu w kapieli elektrolitycznej moze byc utrzymywane w poblizu optymalnego poziomu poprzez dodawanie chlorku glinu w momentach, gdy wartosc mierzo¬ nej rezystancji odbiega od poziomu optymalnego w wiekszym od dopuszczalnego stopniu; fig. 4 — schemat elektryczny zapewniajacy mozliwosc zasto¬ sowania maszyny matematycznej do odczytu calko¬ witego spadku napiecia na wannach elektrolitycz¬ nych lub calkowitej rezystancji skutecznej wanny elektrolitycznej i do generowania odpowiedzi na taki odczyt polegajacej na przeslaniu sygnalu ste¬ rujacego do dozowników stanowiacych wyposazenie wanien elektrolitycznych; fig. 5 — schemat typo¬ wego obwodu przekaznikowego regulacji szybkosci dozowania, stosowanego w urzadzeniu do regulacji szybkosci dozowania z fig. 4, a fig. 6 — obwód zapewniajacy ciagla regulacje szybkosci dozowania dla obwodu przekaznikowego, stosowanego w urza¬ dzeniu regulacji z fig. 4.Poszczególne elementy przedstawionego schema¬ tycznie na rysunkach ukladu przekaznikowego ma¬ szyny matematycznej sa elementami konwencjonal¬ nymi. Pokazano takze, zasade, wedlug której ma¬ szyna matematyczna jest stosowana do odczytu zmian pradu przez wanne elektrolityczna, napiecia i rezystancji zaleznych od stezenia' chlorku glinu.Istnieje mozliwosc dokonywania odczytów w usta¬ lonych odstepach czasu, na przyklad co 5, 10 lub sekund. Kazdy odczyt reprezentuje wartosc usredniona w jednym z podanych okresów czasu.Czas kazdego odczytu wartosci usrednionych na¬ piecia lub calkowitej rezystancji skutecznej dla kazdej wanny elektrolitycznej zajmuje znacznie mniej czasu niz wynosi okres usrednienia. Tak wiec odczyty napiecia i pradu sa niemal jednoczesne dla kazdej wanny elektrolitycznej w poszczegól¬ nych gniazdach (gniazdo jest konwencjonalnym o- kresleniem grupy wanien elektrolitycznych).Cyfrowa maszyna matematyczna 1 (fig. 4) jest stosowana do odczytu calkowitego spadku napie¬ cia na kazdej z wielu wanien elektrolitycznych 2 do 2n i do pomiaru pradu przeplywajacego przez kazda wanne elektrolityczna. Stosuje sie przy tym do pomiaru pradu 3 odpowiedni bocznik, wlaczony szeregowo.w obwód pradowy wanien elektrolitycz¬ nych. Wobec tego, ze prad i napiecie komór elek- 40 45 50 55 6011 93 978 12 trolitycznych sa wielkosciami analogowymi, prze¬ twornik analogowo-cyfrowy 4 stosowany jest w celu dostarczenia maszynie matematycznej cyfrowej po¬ staci sygnalów pradu i napiecia wanny elektroli¬ tycznej. Wanny elektrolityczne 2 i urzadzenia do pomiaru pradu 3 sa dolaczone do obwodów RC, majacych za zadanie nie dopuszczac niepozadanych sygnalów do maszyny matematycznej i zapewniac wlasciwe sygnaly pradu i napiecia, które sa usred¬ niane w ustalonym okresie czasu, i równoczesnie dostarczajacych do maszyny matematycznej infor¬ macje o usrednionych wartosciach sygnalów odpo¬ wiadajacych poprzednim wartosciom pradu i na¬ piecia wanny elektrolitycznej. Te informacje sa za¬ pamietywane w kondensatorach obwodów RC i sa przekazywane do maszyny matematycznej w spo¬ sób, który bedzie teraz wyjasniony.Obwód RC urzadzenia do pomiaru pradu 3 za¬ wiera dwa rezystory B^ i kondensator Cl5 przy¬ laczone do zacisków urzadzenia do pomiaru pradu.Podobnie obwód RC dla kazdej wanny elektroli¬ tycznej zawiera rezystory R2, R3 i R4 i kondensator C. Rezystory R3 i R4 oslabiaja napiecie kazdej wan¬ ny elektrolitycznej do poziomu wymaganego dla przetwornika 4. Gdy napiecie wyjsciowe urzadze¬ nia do pomiaru pradu, na przyklad, wynosi kilka miliwoltów, wówczas przetwornik 4 dziala w mili- woltowym zakresie napiec wejsciowych. Jezeli ob¬ wód pomiaru pradu zapewnia sygnal wyjsciowy na poziomie woltów, porównywalny z sygnalem wanny elektrolitycznej, to moze byc zastosowany prze¬ twornik dzialajacy w takim samym zakresie na¬ piec wejsciowych i rezystory R3 i R4 nie sa koniecz¬ ne. Na fig 4 przelaczniki Si do Sn wraz z przy¬ laczonymi do nich kondensatorami Cx do Cn sa podlaczone do odpowiadajacych im obwodów re- zystancyjnych.Te przelaczniki moga byc kolejno przelaczane na rozkazy z maszyny matematycznej 1, jak przed¬ stawiono schematycznie na fig. 4 poprzez zastrzal- kowane linie SC, które zamykaja obwód pomiedzy kondensatorami i przetwornikiem 4. Przelaczniki sa na chwile przelaczane, a potem szybko wracaja do poprzedniej pozycji na rozkaz z maszyny ma¬ tematycznej. Wówczas, gdy kondensatory sa na chwile przylaczone do przetwornika, istniejace na nich napiecia, odpowiadajace pradowi i napieciu wanny elektrolitycznej, sa przekazywane do prze¬ twornika i maszyny matematycznej, która odczytuje te napiecia i wykonuje obliczenia na podstawie aktualnych i poprzednich danych w celu okresle¬ nia, czy calkowita rezystancja skuteczna Rm kazdej wanny elektrolitycznej jest wewnatrz dozwolonego zakresu roboczego poziomu stezenia chlorku glinu, lub czy stezenie jest powyzej lub ponizej dozwo¬ lonego zakresu.Gdy sygnaly wysylane do maszyny matematycz¬ nej, 1, bedace rezultatem kazdej z serii odczytów, dokonanych w wyniku kolejnych przelaczen prze¬ laczników Sx do Sn, wskazuja na to, ze calkowita rezystancja skuteczna jest ponizej poziomu, uprzed¬ nio uznanego za reprezentujacy optymalny poziom roboczy stezenie chlorku glinu. Wówczas sygnal ste¬ rujacy jest przesylany przez odpowiednie obwody, pokazane tylko jako jedna linia 5 na fig. 4, do dozowników 6, wspólpracujacych z tymi wannami elektrolitycznymi, których rezystancja zostala od¬ czytana jako za niska. Reakcja dozownika na sy¬ gnal sterujacy z maszyny matematycznej jest do- danie chlorku glinu i skutkiem tego przywrócenie rezystancji do uprzednio okreslonej wartosci re¬ prezentujacej optymalny poziom roboczy stezenia chlorku glinu w wannie elektrolitycznej.Dozowniki 6 moga byc dowolnego typu, przysto¬ sowane do dozowania chlorku glinu do wanien elektrolitycznych. Moga byc one, na przyklad, prze¬ nosnikami slimakowymi z napedem silnikowym lub przenosnikami opadowymi, w których pneumatycz¬ ne zawory sterowane elektromagnesami, reguluja doprowadzenie chlorku glinu do wanny w por¬ cjach z przenosnika rurowego. Zawory te moga byc przystosowane do pracy z chlorkiem glinu w postaci plynnej lub gazowej.Chociaz przedstawiona na fig. 4 maszyna mate¬ matyczna jest maszyna cyfrowa, a jej zastosowanie daje efekt korzystny, jednakze analogowa maszyna matematyczna moze równie dobrze regulowac po¬ ziom stezenia chlorku glinu. Oczywiscie w tym przypadku jest niepotrzebny przetwornik analogo¬ wo-cyfrowy i nie sa wymagane uwzglednienia nie¬ których z poprawek wprowadzanych przez cyfro¬ wa maszyne matematyczna.Na fig. 5 przedstawione jest schematycznie urza¬ dzenie dozujace o dzialaniu okresowym, w którym czesc wyjsciowa 10 maszyny matematycznej 1 z fig. 4 jest stosowana do sterowania urzadzeniem przekaznikowym 12 urzadzenia wykonawczego do¬ zownika 14. Maszyna matematyczna oblicza calko¬ wita rezystancje skuteczna wanny elektrolitycznej wedlug reguly podanej powyzej. Jezeli ta obliczo¬ na rezystancja rózni sie od uprzednio ustalonej wartosci tej rezystancji przyjetej za optymalna nie wiecej, niz ustalona wartosc, to przez maszyne ma¬ tematyczna nie jest podejmowana zadna dzialal¬ nosc korekcyjna.Jezeli calkowita rezystancja skuteczna, obliczona przez maszyne matematyczna, przekroczy dozwolo¬ ne odchylenie od strony malych wartosci rezystan¬ cji, to sygnal jest przesylany z czesci wyjsciowej , poprzez styki 15 i przewody 16 do urzadzenia przekaznikowego 12, które uruchamia urzadzenie wykonawcze dozownika 14. Ten mechanizm, jak wyjasniono powyzej przy omawianiu dozowników 6, moze zawierac pneumatyczne zawory sterowane elektromagnesami, dostarczajace chlorek glinu w porcjach. Dozowanie chlorku glinu jest przerywane poprzez te same obwody, gdy maszyna matematycz¬ na 1 otrzymuje sygnal z sieci RC (fig. 4), wspól¬ pracujacej z ta wanna elektrolityczna, której war¬ tosc calkowitej rezystancji skutecznej przekracza dozwolone odchylenie od strony duzych wartosci rezystancji.Na fig. 6 przedstawione jest inne rozwiazanie, w którym czesc wyjsciowa 20 maszyny matematycz¬ nej 1 zawiera uklad regulacji ciaglej, zmieniajacej szybkosc dozowania do wanien elektrolitycznych 2.Jest to realizowane przy pomocy dwukierunkowego stykowego urzadzenia zamykajacego 22 w czesci wyjsciowej. Jezeli podczas dozowania chlorku gli¬ nu z uprzednio okreslona optymalna szybkoscia ro- 40 45 50 55 6093978 13 14 bocza, calkowita rezystancja skuteczna obliczona z napiecia, przekazanego do maszyny matematycz¬ nej 1 z wanny elektrolitycznej 2, jest wieksza niz okreslona optymalna rezystancja, to szybkosc do¬ zowania chlorku glinu do wanny elektrolitycznej 2 jest zmniejszona na skutek przekazania sygnalu z czesci wyjsciowej do dwukierunkowego silnika krokowego 23 poprzez przewody 25 i 26. Silnik krokowy napedza suwak rezystora regulowanego 28, który steruje wyjscie urzadzenia przekazniko¬ wego mocy 30. Urzadzenie 30 przedstawione sche¬ matycznie na fig. 6 moze byc tyrystorem. Urza¬ dzenie przekaznikowe 30 zmniejsza szybkosc dozo¬ wania przy pomocy silnika 32, do ustalonej szyb^ kosci dozowania nizszej niz uprzednio okreslona optymalna szybkosc robocza.Jezeli jednak calkowita rezystancja skuteczna wanny elektrolitycznej 2 obliczona przez maszyne matematyczna 1 jest zawarta wewnatrz uprzednio wymienionego dozwolonego zakresu odchylen, to styki 22 w czesci wyjsciowej 20 pozostaja otwarte, tak ze nie jest przeslany zaden sygnal do silnika krokowego 23, a zatem trwa dozowanie chlorku glinu z okreslona optymalna szybkoscia robocza.Jezeli z drugiej strony, obliczona przez maszyne matematyczna calkowita rezystancja skuteczna wanny elektrolitycznej jest ponizej zadanego uprzed¬ nio okreslonego optymalnego zakresu rezystancji, to styki 22 w czesci wyjsciowej sa przelaczane w celu skierowania sygnalu do silnika krokowego 23, poprzez przewody 26 i 27, co powoduje, ze silnik 32 w dozowniku zwieksza szybkosc, przy której do¬ zownik 6 dostarcza chlorek glinu do wianny elek¬ trolitycznej 2 z szybkoscia wieksza od wymienio¬ nej optymalnej szybkosci roboczej.Nastepujace przyklady wyjasniaja blizej wyna¬ lazek.Przyklad I. Pomiary pradu, napiecia i rezys¬ tancji byly dokonywane co 3 sekundy przez okolo 69-sekundowy okres dzialania wanny elektrolitycz¬ nej z chlorkiem glinu, przy czym dodawano chlo¬ rek glinu w odpowiedzi na odchylenia ponizej opty¬ malnego poziomu 0,00251 omów, i przerywano do¬ dawanie w momencie uzyskania optymalnego po¬ ziomu. W ten sposób utrzymano prawie stale ste¬ zenie chlorku glinu wynoszace okolo 5,3 do 5,7%, w kapieli w wannie elektrolitycznej.W tablicy I przedstawiono wartosci pradu I (w amperach), napiecie E (w woltach), rezystancji R i procentowego stezenia A1C13 w kapieli, otrzyj mane z niezaleznych pomiarów przy uzyciu elek¬ trycznego miernika przewodnosci: wlasciwej, wy- skalowanego dla odczytania % A1C13 i aproksymo- wano na czas, w którym rozkaz* z maszyny mate¬ matycznej przychodzil do dozownika A1C1* wanny elektrolitycznej z czterema komorami w celu wla-"" czenia lub wylaczenia go. W tym przykladzie do¬ zowanie automatycznie wlacza sie wówczas, gdy rezystancja staje sie równa lub mniejsza od 0,00250 oma, i wylacza, gdy staje sie ona wieksza od 0,0250 oma.Przyklad II. Glin byl wytwarzany przez elek¬ trolize chlorku glinu przy wykorzystaniu. maszyny, matematycznej do regulacji poziomów stezenia chlorku glinu w wannie elektrolitycznej, na przy-' Tablica I Prad (ampery) 1 1 Napiecie (wolty) 2 A1C13 (%) 3 Rezystancja (omy) 4 Rozkaz do dozownika 1457 1456 1457 1459. 1456 1454 1454 ,'145?" 1454 " 1452 ¦1453 1402 1452 ' 1453 1454 ' '1453 .¦1453 1452 1452 1457 1476 1474 1474 1 1476 11.5 11.5 ,11.5 11,5 11.4 11.4 11.5 114 11.4 ¦ -' 11.4 ; 11.4 11.4 .' 11.5 11.4 11.4 11.5 11.5 11.5 11.4 11.4 11.5 11.5 11.5 11.5 .6 .5 .5 .5 .5 .5 .5 .6 ' 5.5 .5 \ 5.6 .6 , 5,6 .5 ¦ 5.5 .7 .6 .5 .3 .3 .4 .5 .5 .5 0,00252 0,00252 0,00251 0,00251 0,00251 0,00251 0,00251 0,00251 0,00251 0,00151 0,00251 . 0,00251 0,00251 0,00250 i 0,00245 'r 0,00252 i 0,00252 1 0,002*2 0,00251 0,00250 0,00250 0,00250 0,00251 0,00251 wylaczony wlaczony wylaczony wlaczon y wylaczony 40 45 50 55. 60 6§ klad, jak opisano powyzej, w kapieli (rozpuszczal¬ niku) o skladzie okolo 50% NaCl i okolo 50% IiCl.Chlorek glinu (A1C13) byl dozowany i kontrolowany przy nastepujacych poziomach: 3,5%, 6%, 7% i 8%.Zakres temperatur kapieli wynosil od okolo 700 do 710°C, czas procesu wynosil 20 dni. Prad zawie¬ ral sie w zakresie od 1000 do 3000 amperów i na¬ piecie od 9,5 do okolo 14,9 woltów. Wytworzono 1361 kg glinu, zuzywajac do tego celu 6804 kg chlorku glinu w wannie elektrolitycznej z cztere¬ ma komorami.Przyklad III. Tablica I przedstawia zebrane z 30 minutowego okresu obserwacji procesu elek¬ trolitycznego wytwarzania glinu z' chlorku glinu w dwubiegunowej wannie elektrolitycznej z cztere¬ ma komorami trwajacego 2 miesiace. Chlorek glinu byl dozowany w odpowiedzi na zmiany stezenia AICI3 w wannie elektrolitycznej, które bylo wska¬ zywane poprzez obliczenia calkowitej rezystancji skutecznej wanny elektrolitycznej, wykonane na podstawie pomiarów napiecia i pradu. Stezenie chlorku glinu w kapieli w wannie elektrolitycznej bylo kontrolowane poprzez trwajace okolo 30 mi¬ nut pomiary rezystywnosci przeprowadzane co 2 miesiace, dokonywane przez uklad regulacji z ma¬ szyna matematyczna, który dokonywal pomiarów calkowitej rezystancji skutecznej wanny elektroli¬ tycznej w ustalonych okresach czasu.Maszyna matematyczna wlaczala lub wylaczala dozownik chlorku glinu dla utrzymania uprzednio okreslonej calkowitej rezystancji skutecznej wanny elektrolitycznej. Stan wlaczony i wylaczony do¬ zownika we wskazanym czasie przedstawiono w ta¬ blicy. Calkowita rezystancja skuteczna wanny elek-93 978 FIG 4. t <» \\ l| I |^^P ^76 5.L£ IW* /7 23 26 ir 28 _ I J* k) OZGraf. Zam. 1668 (110+25 egz.) Cena 10 zl PL