CS266954B1

CS266954B1 - A method for controlling the electrode distance of an electrolytic cell to produce aluminum

Info

Publication number: CS266954B1
Application number: CS86386A
Authority: CS
Inventors: Milan Ing Csc Novak; Alexander Ing Csc Silny; Richard Ing Kafka; Albin Ing Kratky; Ludevit Ing Csc Cernak
Original assignee: Milan Ing Csc Novak; Alexander Ing Csc Silny; Richard Ing Kafka; Albin Ing Kratky; Ludevit Ing Csc Cernak
Priority date: 1986-01-17
Filing date: 1986-01-17
Publication date: 1990-01-12
Also published as: CS38686A1

Abstract

Riešenie sa týká spósobu regulácie medzielektródovej vzdialenosti elektrolyzéra na výrobu hliníka elektrolýzou oxidu hlinitého rozpustného v roztavenom elektrolyte, na báze kryolitu sodného, pričom sa využívajú změny v charaktere amplitúdo-frekvenčného spektra striedavej zložky odporu alebo svorkového napStia elektrolyzéra na stanovenie optimálnej velkosti medzielektródovej vzdialenosti a odstraňovanie technologických porúch s cielom amplitúdové maximum vo frekvenčnom pásme 0,4 až 2,0 Herz, je medzielektródová vzdialenosť rovná alebo vačšia ako optimálna. Ak sa amplitúdové maximum v uvedeηβj oblasti nedá identifikovat, připadne rastie celková nestabilita elektrolyzéra, daná podielom amplitúdového maxima frekvenčněj oblasti 0,4 až 2,0 Herz ku amplitúdovému maximu frekvenčnej oblasti 0,015 až 0,3 Herz, je potřebné medzielektródovú vzdialenost zvačšit.The solution relates to a method of regulating the interelectrode distance of an electrolyzer for the production of aluminum by electrolysis of aluminum oxide soluble in molten electrolyte, based on sodium cryolite, while using changes in the character of the amplitude-frequency spectrum of the alternating component of the resistance or terminal voltage of the electrolyzer to determine the optimal size of the interelectrode distance and eliminate technological failures with the aim of amplitude maximum in the frequency band of 0.4 to 2.0 Hertz, the interelectrode distance is equal to or greater than the optimal. If the amplitude maximum in the specified range cannot be identified, or the overall instability of the electrolyzer increases, given by the ratio of the amplitude maximum of the frequency range of 0.4 to 2.0 Hertz to the amplitude maximum of the frequency range of 0.015 to 0.3 Hertz, it is necessary to increase the interelectrode distance.

Description

2 CS 266 954 Bl2 CS 266 954 Bl

Vynález sa týká spůsobu regulácie medzielektródovej vzdialenosti elektrolyzéra navýrobu hliníka, získaného elektrolýzou oxidu hlinitého rozpuštěného v roztavenom elektrolyte,ktorého hlavnou zložkou je kryolit, kde sa rieši spůsob nastavovania optimálnej velkostimedzielektródovej vzdialenosti a včasná identifikácia a odstraňovanie technologickýchporúch změnou medzielektródovej vzdialenosti odvodenej z charakteru amplitúdo-frekvenčné-ho spektra striedavej zložky odporu alebo svorkového napStia elektrolyzéra.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for controlling the electrolytic distance of an electrolysis cell produced by the electrolysis of alumina dissolved in a molten electrolyte, the cryolite of which is the main component of the electrolytic distance. of the alternating component of the resistor or terminal voltage of the electrolyzer.

Odpor alebo svorkové napStie elektrolyzéra je jedným z najdOležitejších technologickýchukazovatelov. Z jeho hodnoty a priebehu sa odvádza vSčšina známých riadiacich a regulačnýchzásahov. K výslednej hodnotě svorkového napátia elektolyzéra, okrem rozkladného napStiaoxidu hlinitého, prispieva rad dalších ohmických spádov napStia, vyvolaných jednak elektrono-vým charakterom odporov vo vodičoch a v miestach ich spojov a jednak ionovým charakteromodporu v elektrolyte. Všetky tieto ohmické spády napátia, resp. odpory sa pri konštantnejvelkosti prúdu v relativné krátkých časových úsekoch prakticky nemenia. Pri detailnějšomskúmaní svorkového napátia elektrolyzéra sa dá zistiť, že jeho hodnota nie je stála anipri konštantnom prúde, ale kolíše s různou frekvenciou, v závislosti na velkosti, konštrukciia technologickom stave elektrolyzéra v rozsahu 0,001 až 0,1 V v extrémnych prípadoch ažneikolko desatín voltu. V tomto kolísaní sa odrážajú dynamické procesy v elektrolyzériako prúdenie, kolísanie a vlnenie hladiny katodového kovu spůsobované uvolněním plynovz pod anody a dalej interakciou elektromagnetických sil vyvolávaných vedlajšími horizontál-nymi zložkami prúdu v katóde a anóde s elektromagnetickými silami, vyvolanými hlavnouvertikálnou zložkou prúdu. Velkost horizontálnych zložiek prúdu ovplyvňujú usadeninyoxidu hlinitého na dne katódovej šachty elektrolyzéra, tvar garnisáže, ktoré sú vytváranézatuhnutým elektrolytom na bočných stěnách katódovej šachty, nerovnosťami na anóde, rozdiel-nou kvalitou kontaktných spojov prívodných vodičov elektrického prúdu a podobné. Všetkytieto procesy působia v elektrolyzéri súčasne, vzájomne sa ovplyvňujú, následkom čohoje na prvý pohlad chaotické kolísanie svorkového napStia, ktoré prispieva k zvýšenémurozpúštaniu kovového hliníka v elektrolyte. V niektorých prípadoch může dochádzaí až k pria-mym skratom katodového kovu a anodou. Všetky tieto javy vedú k zvýšeniu nestability elektro-lyzéra a v konečnom důsledku k poklesu prúdovej a energetickej účinnosti elektrolýznehoprocesu.The resistance or terminal voltage of the electrolyser is one of the most important technology indicators. Most of its well-known control and regulation actions are taken from its value and course. To the resulting value of the terminal voltage of the electrolyser, in addition to the decomposition of the aluminum oxide, a number of other ohmic gradients of stress, due both to the electron character of the resistances in the conductors and to their joints, and to the ionic character of the electrolyte resistance, contribute. All these ohmic gradients of tension, respectively. the resistances are virtually unchanged at relatively short time intervals with constant current. In a more detailed examination of the terminal voltage of the electrolytic cell, it can be found that its value is not constant in the constant current, but varies with different frequency, depending on the size, construction, and state of the electrolytic cell in the range of 0.001 to 0.1 V in extreme cases of tenths of volts. In this variation, the dynamic processes in the electrolyzer reflect the flow, fluctuation, and wave of the cathode metal level caused by the release of the gas under the anode and by the interaction of the electromagnetic forces exerted by the sub-horizontal components of the cathode and the anode with the electromagnetic forces induced by the mainstream current component. The size of the horizontal components of the stream affects the alumina alumina at the bottom of the cathode shaft of the electrolytic cell, the shape of the garnisse, which is formed by the entrapped electrolyte on the side walls of the cathode shaft, the anode irregularities, the different quality of the contact wires of the electric current conductors and the like. All these processes work simultaneously in the electrolytic cell, interact with each other, resulting in a chaotic variation of the clamp voltage at first sight, which contributes to an increase in the dissolution of the aluminum metal in the electrolyte. In some cases, it can occur up to the direct cathode metal short circuit and the anode. All these phenomena lead to an increase in the electrolyzer instability and ultimately to a decrease in the current and energy efficiency of the electrolysis process.

Je známy celý rad spůsobov, využívajúcich analýzu striedavej zložky odporu alebosvorkového napátia elektrolyzéra na jeho reguláciu a optimalizáciu technologického stavu.Najčastejším regulačným zásahom bývá zvSčšenie medzielektródovej vzdialenosti, ktorá samůže vykonávat aj autoamticky. Ak sa týmto spůsobom nepodaří zlepšit technologický stavelektrolyzéra je přivolaná obsluha, ktorá odstraňuje vážnejšie narušenia technologickéhostavu, ako sú napr. nerovnosti na anóde, rozptýlená uhlíková troska, připadne kúsky anodyv elektrolyte, usadeniny oxidu hlinitého na dne katódovej šachty, zhoršenia přechodovýchodporov na niektorých kontaktných vodičov elektrického prúdu a podobné.A number of methods are known, utilizing the analysis of the alternating resistor component and the clamping voltage of the electrolytic cell to control it and optimize the technological state. The most common control intervention is to increase the inter-electrode distance, which can also be performed automatically. If the process state of the electrolyzer is not improved, the operator is called to eliminate more serious disruptions to the technological situation, such as anode bumps, scattered carbon slags, anode electrolyte bits, alumina deposits on the cathode shaft, deterioration of the transition to some electrical contact wires. current and the like.

Nevýhodou známých spůsobov regulácie medzielektródovej vzdialenosti elektrolyzéra je,že medzielektródová vzdialenost je v praxi často váčšia ako je nevyhnutné potřebné naudržanie tepelnej rovnováhy, připadne na odstránenie příčin technologickéj poruchy elektro-lyzéra, čo sa prejavuje na zvýšení jeho svorkového napStia a tým aj znížení energetickejúčinnosti. Nižšia energetická účinnost je aj v prípadoch medzielektródovej vzdialenostimenšej než optimálnej a to v důsledku poklesu prúdovej účinnosti.A disadvantage of the known methods of controlling the electrolytic distance of the electrolytic distance is that in practice the inter-electrode distance is often greater than necessary to maintain the thermal equilibrium, to eliminate the causes of the electrolyzer's technological failure, which results in an increase in its terminal voltage and thus in energy efficiency. Lower energy efficiency is also in cases of inter-electrode distance less than optimal due to a decrease in current efficiency.

Uvedené nevýhody existujúceho stavu techniky odstraňuje spůsob regulácie medzielektró-dovej vzdialenosti elektrolyzéra na výrobu hliníka elektrolýzou oxidu hlinitého rozpuštěné-ho v elektrolyte, ktorého hlavnou zložkou je kryolit sodný podlá vynálezu, ktorého podstataspočívá v tom, že proces sa vedie pri čo možno najmenšej medzielektródovej vzdialenosti,pri ktorej sa dá ešte identifikovat amplitúdové maximum vo frekvenčněj oblasti 0,4 až2,0 Herz, vytvořené striedavou zložkou odporu alebo napStia, pri súčasne čo možno najnižšejcelkovej amplitúde kmitania, určenej podielom amplitúdového maxima frekvenčného pásma0,40 až 2,0 Herz ku amplitúdovému maximu frekvenčného písma 0,015 až 0,3 Herz, pričom CS 266 954 B1 3 hodnotu tohto podeilu je možné znížit preohodým zvSčšením medzielektródovej vzdialenosti,kým sa neodstránia příčiny nestability elektrolyzéra. Výhodou spůsobu regulácie medzielektródovej vdzialenosti elektrolyzéra na výrobuhliníka podlá vynálezu je to, že pre danú velkost a konštrukčný typ existuje charakteristickéamplitúdo-frekvenčně spektrum striedavej zložky odporu alebo svorkového napStia a na základejeho zmien je možné zaistit plynulá reguláciu velkosti medzielektródovej vzdialenosti,respektive včasná identifikáciu a odstraňovanie příčin technologických porúch pri súčasnomdosahovaní maximálnej energetickej účinnosti procesu. Vhodným spracovaním vSčšieho počtudiskrétnych spektier je možné do značnéj miery eliminovat stochastický charakter kmitania.Energetická účinnost procesu múze sa dalej výrazné vzýšiť, ak sa spůsob regulácie elektroly-zéra na výrobu hliníka podlá vynálezu spojí s kontrolou iných parametrov, súvisiacichs tepelnou rovnováhou elektrolyzéra, pri súčasnom znížení strát tepla z procesu, alebos konštrukčnými změnami na elektrolyzéri. Zníženie počtu technologických porúch a zvýšenieprúdovej účinnosti sa priaznivo prejaví aj na zníženom úniku fluorových ernisil z procesu,znížení mernej spotřeby fluorosolí, anodovéj hmoty a na absolútnom zvýšení výroby hliníkaa tým aj na raste produktivity práce.The aforementioned disadvantages of the prior art are eliminated by the method of controlling the electrode gap of the electrolyser for the production of aluminum by the electrolysis of alumina dissolved in the electrolyte, the main component of which is the sodium cryolite according to the invention. in which the amplitude maximum in the frequency range of 0.4 to 2.0 Herz, generated by the alternating component of resistance or voltage, can be still identified, while at the same time as low as possible the amplitude of the oscillation, determined by the ratio of the amplitude peak of the frequency band 0.40 to 2.0 Herz to the amplitude maximum the frequency lettering of 0.015 to 0.3 Herz, while the CS 266 954 B1 3 value of this podeil can be reduced by overshoot of the inter-electrode distance until the causes of electrolyzer instability are eliminated. An advantage of the method of controlling the electrode gap between the electrolyser and the aluminum is that, for a given size and type, there is a characteristic frequency-frequency spectrum of the alternating resistor or terminal voltage and, on the basis of the changes, it is possible to ensure continuous regulation of the size of the inter-electrode distance or early identification and removal of causes. technological failures while achieving maximum process energy efficiency. Due to the appropriate processing of the more discreet spectra, the stochastic nature of the oscillation can be largely eliminated. The energy efficiency of the process can be greatly enhanced if the method of controlling the electrolytic aluminum production of the invention is combined with the control of other parameters associated with the electrolyzer's thermal equilibrium while reducing loss of process heat, or structural changes to the electrolyzer. Reducing the number of technological failures and increasing current efficiency will also have a beneficial effect on the reduced leakage of fluorine ernisils from the process, the reduction in specific consumption of fluorosol, anode mass, and the absolute increase in aluminum production and thus on labor productivity growth.

Regulácia bola robená na 76,5 kA elektrolyzéroch zo Sóderbergovou anodou s vertilálnymprívodom prúdu. Charakter amplitúdo-frekvenčného spektra v oblasti 0 až 10 Hz sa skúmalfiremným amplitúdo-frekvenčným analyzátorem a dalej pomocou analogových filtrov připojenýchna počítač alebo priamym spracovaním číslicového signálu počitačom. Pre danú velkost akonštrukčný typ elektrolyzéra boli stanovené tri následovně charakteristické frekvenčněpásma: 0,10 až 0,20 Herz: 0,55 až 0,75 Herz a 2,0 až 10 Herz. Optimálna velkost medzi-elektródovej vzdialenosti sa nastavovala nasledovným postupom. V případe, že vo frekvenčnompásme 0,55 až 0,75 Herz bolo identifikované amplitúdové maximum zmenšovala sa postupnépo malých krokoch velkost medzielektródovej vzdialenosti až kým sa toto amplitúdové maximumnestratilo a neobjavila sa nová dominantně frekvencia vo frekvenčněj oblasti 0,10 až0,20 Herz. Tento stav už indikuje příliš malú medzielektródovú vzdialenost, tzv. stav"potlačanej" anody. Optimálna velkost medzielektródovej vzdialenosti sa potom nastavívrátením anody do predchádzajúcej polohy, pri ktorej je možná ešte identifikovat amplitúdovémaximum vo frekvenčnej oblasti 0,55 až 0,75 Herz. Pri stave tzv. "potlačenej" anody sapostupné, po malých krokoch zvSčšuje medzielektródová vzdialenost až kým nezmizne amplitúdovémaximum vo frekvenčnej oblasti 0, 10 až 0,20 Herz a neobjaví sa žiadúce amplitúdové maximumvo frekvenčnej oblasti 0,55 až 0,75 Herz, pričom sa zároveň dosiahne optimálna velkostmedzielektródovej vzdialenosti, t. j. minimálna velkost medzielektródovej vzdialenosti,pri vysokej prúdovej účinnosti, čo za daných podmienok zároveň znamená maximálnu energetickúúčinnost elektrolyzéra. Za tohto stavu však nemusí byť zabezpečená tepelná stabilita elektro-lyzéra, pretože může v ňom vznikat menej tepla ako je třeba na kompenzáciu tepelných strátdo okolia. Na stanovenie tepelného stavu elektrolyzéra sa preto používal celý rad doplňu-júcich meraní, ako například meranie teplót a zloženie elektrolytu, hrůbky a tvaru garnisáží,poklesu hladiny hliníka vztiahnutý na jednotkové množstvo z elektrolyzéra vyčerpanéhokovu, tvrdost kóry pri periodickom dávkovaní oxidu hlinitého a podobné. Kvóli zaisteniutepelnej stability sa na daných elektrolyzéroch pracovalo vSčšinou a vSčšou medzielektródovouvzdialenostou, ako si vyžadoval výsledok amplitúdo-frekvenčnej analýzy. Ak však z amplitúdo--frekvenčnej analýzy vyplynula potřeba zvýšenia medzielektródovej vzdialenosti nad hodnotupresahujúcu tepelné požiadavky elektrolyzéra, mohla sa medzielektródová vzdialenost postabilizácii technologického stavu na stanovená dobú adekvátně znížit bez zhoršenia prúdovejúčinosti. Pokiaí rástla absolútna hodnota amplitúdy kmitania vo fekvenčnom pásme 0,10 až0,20 Herz a 0,55 až 0,75 Herz, tak aj pri zachovaní konštantného rozdielu klesá hodnotaich podielu a alektrolyzér nepracuje v optimálnych podmienkach. Preto pri nastavovaníoptimálnej velkosti medzielektródovej vzdialenosti sa táto postupné v malých krokoch zvSčšujeaž do okamihu, kým sa nedosiahne žiadaná hodnota podielu, ktorá na danom type dobré pracujúceho elektrolyzéra sa pohybovala v rozmedzí 1,2 až 2,5. Jej pokles pod hodnotu 1,2 bol obyčajnespojený s rastom nestability elektrolyzéra, t. j. so zvSčšením amplitúdy kmitania napatiaalebo odporu v sledovanéj frekvenčnej oblasti, predovšetkým v oblasti nižších frekvenci!The regulation was performed on 76.5 kA electrolysers with a Söderberg anode with a vertical feed. The character of the amplitude-frequency spectrum in the range of 0 to 10 Hz is analyzed by the field amplitude-frequency analyzer and further connected to the computer by analogue filters or by direct processing of the digital signal by a computer. For the given size and construction type of the electrolytic cell, three characteristic bands were set as follows: 0.10 to 0.20 Herz: 0.55 to 0.75 Herz and 2.0 to 10 Herz. The optimum size of the inter-electrode distance was set as follows. If the amplitude maximum was identified in the frequency band 0.55 to 0.75 Herz, the magnitude of the intermediate electrode distance was gradually reduced in small steps until this amplitude peak disappeared and a new dominant frequency appeared in the frequency range of 0.10-0.20 Herz. This state already indicates a too small inter-electrode distance, the so-called "suppressed" state of the anode. The optimum size of the inter-electrode distance is then adjusted by returning the anode to a previous position at which it is still possible to identify the amplitude signal in the frequency range of 0.55 to 0.75 Herz. In the so-called "suppressed" anode state, available in small steps, it increases the inter-electrode distance until the amplitude signal in the frequency range of 0, 10 to 0.20 Herz disappears and the desired amplitude maximum in the frequency range of 0.55 to 0.75 Herz does not appear, with at the same time it reaches the optimum large-scale electrode distance, ie the minimum size of the inter-electrode distance, at high current efficiency, which at the same time also means the maximum energy efficiency of the electrolyser. However, in this state, the thermal stability of the electrolyser may not be ensured because less heat may be generated there than is needed to compensate for the heat loss of the environment. A number of complementary measurements have therefore been used to determine the thermal state of the electrolytic cell, such as temperature measurement and electrolyte composition, ridge and garnisse shape, decrease in aluminum level relative to the unit amount of the electrolyzer of the depleted, hardness of the cortex during periodic alumina dosing and the like. Because of the ensuing stability, the electrolysis cells were usually operated in a larger and larger electrode range than required by the amplitude-frequency analysis result. However, if the amplitude-frequency analysis revealed the need to increase the inter-electrode distance beyond the value of the thermal requirements of the electrolyser, the inter-electrode distance of the post-stabilization of the process state to the specified times could be adequately reduced without impairing current efficiency. If the absolute amplitude of the oscillation amplitude in the 0.10 to 0.20 Herz band and the 0.55 to 0.75 Herz band increase, so even if a constant difference is maintained, the proportion decreases and the cell does not operate under optimum conditions. Therefore, when setting the optimum size of the inter-electrode distance, it is gradually increased in small increments until the desired value of the fraction, which ranges from 1.2 to 2.5 on the good working electrolyzer type, is reached. Its drop below 1.2 was usually associated with an increase in electrolyzer instability, i.e., an increase in the amplitude of the voltage or resistance oscillation in the frequency range of interest, particularly in the lower frequency range!

Claims

4 CS 266 954 B1 mainly to 0.3 Herz. When one or more amplitude peaks in frequency domains 2 to 10 of Herz were discovered, there was usually an anode inequality, which resulted in direct electric shorts with cathode metal. The poor technological state of the electrolyser signals an overall increase in the frequency noise in the range of 2.0 to 10 Herz, but in one case it is no longer possible to identify the amplitude maximum in the frequency range of 0.55 to 0.75 Herz. by temporarily increasing the electrode distance to a level at which undesired amplitude peaks in the frequency range above 2 Herz are suppressed. If the electrolytic instability cannot be eliminated by increasing the inter-electrode distance, an operator is called by the computer to otherwise eliminate the causes of instability. However, in this case, too, the rate of return of the greater magnitude of the inter-electrode distance is controlled by the nature of the spectrum. OBJECT OF THE INVENTION A method for controlling the electrode gap of an aluminum electrolyser by electrolysis of alumina dissolved in a molten electrolyte whose major constituent is sodium sodium cryolite, characterized in that the process is conducted at as small an inter-electrode distance as is possible. the amplitude maximum of the 0.4 to 2.0 Herz frequency range, produced by the AC or DC voltage component, with the lowest possible total amplitude of the oscillation determined by the 0.4 to 2.0 Herz amplitude peak frequency to the 0.015 to 0 frequency band amplitude maximum 3 Herz, the value of this fraction can be reduced by temporarily increasing the electrode-to-distance until the electrolyzer instability is removed. Severografia, n. P., MOST Price 2,40 Kcs