DE4443225C2 - Verfahren zum Regeln der Al¶2¶O¶3¶-Konzentration bei der Erzeugung von Aluminium - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Al₂O₃-Konzentration im Elektrolyt einer Elektrolysezelle zur Erzeugung von Aluminium nach dem Hall-Herault-Verfahren, bei dem durch eine oder meh­ rere Öffnungen in der erstarrten Schmelze Aluminiumoxid oder ein Aluminiumoxid enthaltendes Gemisch mit Zyklen aus Überdosierung während einer vorgegebenen Zugabezeit und anschließender Unterdosierung eingegeben wird und da­ bei der innere Widerstand der Zelle durch Messungen be­ stimmt wird, wobei eine Widerstandsdifferenz vorgegeben wird. Aluminium wird durch Schmelzflußelektrolyse mittels elek­ trischen Stroms erzeugt. Die Zelle besteht aus einer wannen­ artig ausgebildeten Kathode und der die Anoden tragenden Oberbaukonstruktion. Die Elektrolysewanne hält einen Stock von produziertem Aluminium, über dem sich der erschmolzene Elek­ trolyt aus Kryolith mit verschiedenen Zusätzen bei Betriebs­ temperaturen zwischen 900 und 1000°C befindet. In den Elek­ trolyten ragen in der Regel zwei Reihen von Anoden aus Kunst­ kohle, deren Oberseite mit Al₂O₃ bedeckt ist und damit eine Isolation bildet. Zwischen den Reihen der Anoden wird übli­ cherweise der Rohstoff Al₂O₃ durch geschlagene Öffnungen in der Kruste periodisch eingebracht.

Üblicherweise wird der Elektrolysestrom konstant gehalten, so daß ständig Aluminium erzeugt wird und dadurch die Schmelze an Al₂O₃ verarmt; mit Erreichen der kritischen Stromdichte, welche einer minimalen Al₂O₃-Konzentration entspricht, kippt die Zelle in den sogenannten Anodeneffekt, bei dem praktisch kein Aluminium erzeugt wird. Deshalb muß der Rohstoff Al₂O₃ mindestens in dem Maße ersetzt werden, wie er verbraucht wird.

Bei einer bestimmten Elektrolytzusammensetzung und -temperatur ist der Zellenwiderstand abhängig von der Al₂O₃-Konzentration (Fig. 1). Der Elektrolyt hat eine maximale Lösungsfähigkeit an Al₂O₃, so daß nicht beliebig viel Rohstoff eindosiert werden darf, um eine Verschlammung der Kathode zu vermeiden; anderer­ seits muß ein genügender Abstand zur minimalen Konzentration gehalten werden, um den Anodeneffekt zu vermeiden. Es ist jedoch vorteilhaft, bei niedriger Konzentration zu arbeiten, da hier der Wirkungsgrad maximal ist.

Man muß also Aluminiumoxid in kleinen Mengen so eindosieren, wie es elektrolytisch zu Aluminium umgesetzt wird. Aufgrund der nicht genau bestimmbaren Menge wegen unterschiedlichen Schüttgewichtes, manueller Manipulationen an der Zelle mit undefinierter Oxideinbringung oder zeitlich unterschiedlichem Wirkungsgrad der Zelle kann die einzudosierende Menge nicht genau genug vorherbestimmt werden, so daß eine Regelung der Oxidkonzentration erforderlich ist.

Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art (US-A- 4 431 491) wird von einem vorzugebenden inneren Widerstand der Elektrolysezelle ausgegangen und dann periodisch eine Überdo­ sierung und Unterdosierung des Aluminiumoxids vorgenommen. An gewissen Stellen des Zyklus werden dabei auch Korrekturen der Elektrodenabstände vorgenommen. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß der Wert des inneren Widerstandes, auf den die Rege­ lung stattfinden soll, vorbekannt sein muß. Dieser Wert des inneren Widerstandes hängt aber von verschiedenen Faktoren, insbesondere auch vom Elektrodenabstand, allgemein der Geome­ trie der Elektrolysezelle, den eingebrachten Materialien, der Temperatur usw. ab und ist daher nicht vernünftig vorherzusa­ gen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens, mit dem die Aluminiumoxid-Konzentration auf wir­ kungsvolle Weise geregelt werden kann, ohne daß ein genauer Wert des inneren Widerstandes der Elektrolysezelle bekannt sein muß.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß das Verfahren folgende Schritte aufweist:

• a) es werden ein Parameter k mit 0 < k < 1 und ein Basis­ dosierintervall τ₀ vorgegeben;
• b) es werden mit dem Basisdosierintervall τ₀ ein Überdo­ sierungsintervall (1 - k)τ₀ und ein Unterdosierungsinter­ vall (1 + k)τ₀ bestimmt, wobei jeweils nach Ablauf eines Intervalls τ₀, (1 - k)τ₀ bzw. (1 + k)τ₀ das gleiche Volumen an Rohstoff zugegeben wird;
• c) es wird während der Zugabezeit T₁₁ eine Überdosierung mit dem Intervall (1 - k)τ₀ vorgenommen;
• d) es wird anschließend eine Unterdosierung mit dem Inter­ vall (1 + k)τ₀ vorgenommen und laufend der Widerstand der Elektrolysezelle und dabei der Minimalwert R desselben bestimmt;
• e) es wird die Zeitdauer T₁ seit Beginn des Schrittes c) bestimmt, sobald der Widerstand um DR größer ist als der laufend bestimmte Minimalwert R;
• f) es wird ein neues Basisdosierintervall τ₀' bestimmt nach der Formel
  τ₀' = τ₀ . f(x) mit x = T₁₁/T₁
  wo f(x) eine Funktion mit dem Wert f(1/2) = 1 ist, die wenigstens in der Nähe von x = 1/2 mit x monoton ab­ fällt;
• g) es wird τ₀ ersetzt durch τ₀' und mit Schritt c) fort­ gefahren.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß die Widerstandsdifferenz DR bei vorgegebener Schwankung der Al₂O₃-Konzentration den Arbeitsbereich festlegt (siehe Fig. 1), denn eine gleich große Differenz in der Al₂O₃-Konzentration verursacht unterschiedliche Widerstanddifferenzen DR1 und DR2 an der Elektrolysezelle.

Zu Beginn eines Steuerzyklus wird für eine vorgegebene Zeit T₁₁ eine Überdosierung vorgenommen. Die Zuführung von Rohstoff erfolgt immer in gleichgroßen, festen Portionen diskontinuier­ lich. Dadurch bewegt sich der Arbeitspunkt auf der Kurve in Fig. 1 beispielsweise von "A" nach "B". Anschließend wird eine Unterdosierung vorgenommen, wobei der Arbeitspunkt sich von "B" in Richtung "C" bewegt, und der Widerstand der Zelle wächst an. Ist der Widerstandswert um die Differenz DR ange­ wachsen, so wird die Gesamtzeit T₁ als Differenz zwischen Erreichen dieser Widerstandsdifferenz und dem Beginn des Steuerzyklus (= Beginn des Schrittes c)) bestimmt. Es wird dann ein neuer Satz von Dosierparametern bestimmt, mit dem dann ein neuer Steuerzyklus begonnen wird, wodurch letztend­ lich erzielt werden soll, daß die Überdosierung genau der Unterdosierung entspricht.

Die Bestimmung der neuen Dosierparameter geschieht mit Hilfe einer Funktion f(x) mit x = T₁₁/T₁, wobei f eine Funktion mit dem Wert f(1/2) = 1 ist und in der Nähe von x = 1/2 monoton abfällt. Als eine besonders vorteilhafte Funktion f(x) hat sich die Funktion

f(x) = 1 + k . (1 - 2 . x)

mit x = T₁₁/T₁
erwiesen.

Ein besonders günstiger Arbeitsbereich befindet sich bei niedrigen Konzentrationen, beispielsweise der in Fig. 1 einge­ zeichnete Bereich DR1. Bei einer in diesem Bereich durchge­ führten Überdosierung sinkt der Widerstand der Elektrolysezel­ le, bei einer Unterdosierung steigt dieser. Befindet man sich jedoch anfänglich rechts vom Minimium der Kurve, so steigt der Widerstand während der Überdosierung und sinkt mit der an­ schließenden Unterdosierung; erst nach Durchlaufen des Mini­ mums steigt der Widerstand der Elektrolysezelle wieder an. Das Festhalten des minimalen Widerstandes und Durchlaufen einer positiven Widerstandsdifferenz stellt sicher, daß der Arbeits­ punkt immer in den linken Bereich gelangt, und damit im Bereich niedriger Konzentration gearbeitet wird.

Man erhält also durch das erfindungsgemäße Verfahren eine wirksame Regelung der Al₂O₃-Konzentration sogar dann, wenn man sich anfänglich auf dem falschen Zweig der Kurve in Fig. 1 befindet.

Wenn x = T₁₁/T₁ einen vorgegebenen Wert unterschreitet, die Widerstanddifferenz DR also bislang nicht durchlaufen wurde, so wird vorteilhafterweise unmittelbar anschließend und wie­ derholend eine um den Faktor "r" mit r < 1 stärkere Unterdo­ sierung vorgenommen, solange bis die Widerstandsdifferenz DR durchlaufen ist.

Ein vorteilhaftes Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß laufend ein Basisintervall τ₀₀ ermittelt wird nach der Itera­ tionsformel:

m . τ₀, + (1 - m) . τ₀₀ → τ₀₀
mit 0,1 < m < 0

und daß nach einem längeren manuellen Eingriff an der Elektro­ lysezelle mit diesem Wert τ₀ = τ₀₀ gestartet wird. Man erhält auf diese Weise einen Basisgrundwert, der allmählich den tat­ sächlichen Verhältnissen angepaßt wird. Dies ist besonders bei größerer Bautoleranz vorteilhaft.

Vorteilhaft ist es weiterhin, daß nach einem Anodenwechsel, bei dem immer größere Al₂O₃-Mengen aus der Anodenabdeckung in den Elektrolyten gelangen, zunächst eine Unterdosierung mit dem Startwert τ₀ = τ₀₀ eingeleitet wird, die nach einer positiven Widerstandsdifferenz

DR' = p . DR
mit p < 1

beendet wird, wobei dann anschließend der Regelzyklus mit τ₀ = τ₀₀ begonnen wird.

Durch die oben beschriebene Erfindung wird eine Regelung der Al₂O₃-Konzentration in der Schmelze einer Elektrolysezelle auf besonders günstige Werte erreicht, ohne daß genaue Kenntnisse der Widerstandswerte einer Elektrolysezelle bekannt sind. Das Verfahren ist daher gut auf Elektrolysezellen anwendbar, die bisher nicht nach einem point-feed-Prinzip betrieben wurden.

Claims (5)

1. Verfahren zum Regeln der Al₂O₃-Konzentration im Elektrolyt einer Elektrolysezelle zur Erzeugung von Aluminium nach dem Hall-Herault-Verfahren, bei dem durch eine oder meh­ rere Öffnungen in der erstarrten Schmelze Aluminiumoxid oder ein Aluminiumoxid enthaltendes Gemisch mit Zyklen aus Überdosierung während einer vorgegebenen Zugabezeit und anschließender Unterdosierung eingegeben wird und da­ bei der innere Widerstand der Zelle durch Messungen be­ stimmt wird, wobei eine Widerstandsdifferenz vorgegeben wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) es werden ein Parameter k mit 0 < k < 1 und ein Basis­ dosierintervall τ₀ vorgegeben;
• b) es werden mit dem Basisdosierintervall τ₀ ein Überdo­ sierungsintervall (1 - k) . τ₀ und ein Unterdosierungsin­ tervall (1 + k) . τ₀ bestimmt, wobei jeweils nach Ablauf eines Intervalls τ₀, (1 - k)τ₀ bzw. (1 + k)τ₀ das gleiche Volumen an Rohstoff zugegeben wird;
• c) es wird zuerst während der Zugabezeit T₁₁ eine Überdosierung von Rohstoff mit dem Intervall (1 - k) . τ₀ vorgenommen;
• d) es wird danach eine Unterdosierung mit dem Intervall (1 + k) . τ₀ vorgenommen und dabei in Schritt c) und d) laufend der Widerstand der Zelle bestimmt und dabei der Minimalwert R dessel­ ben bestimmt;
• e) es wird die Zeitdauer T₁ seit Beginn des Schrittes c) ermittelt, bis der Widerstand um die vorgegebene Widerstandsdifferenz DR größer ist als der laufend be­ stimmte Minimalwert R;
• f) es wird ein neues Basisdosierungsintervall τ₀' bestimmt nach der Formel
  τ₀' = τ₀ . f(x)
  mit x = T₁₁/T₁.
  wobei f(x) eine Funktion mit dem Wert f(0,5) = 1 ist, die wenigstens in der Nähe von x = 0,5 monoton ab­ fällt;
• g) es wird τ₀ ersetzt durch τ₀' und mit Schritt c) fortge­ fahren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion f(T₁₁/T₁) die Form
f(T₁₁/T₁) = 1 + k . (1 - 2 . T₁₁/T₁)
hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn T₁₁/T₁ einen vorgegebenen Wert unterschreitet, das Unterdosierungsintervall unmittelbar anschließend und wiederholt um einen Faktor r mit r < 1 verlängert wird, bis DR erreicht ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß laufend ein Basisgrund-Dosierintervall τ₀₀ iterativ errechnet wird nach
m . τ₀' + (1 - m) . τ₀₀ → τ₀₀ mit 0 < m < 0,1
und daß nach einem längeren manuellen Eingriff der Regel­ zyklus mit dem Basisdosierintervall τ₀ = τ₀₀ begonnen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Anodenwechsel zunächst eine Unterdosierung mit τ₀ = τ₀₀ erfolgt, die mit Durchlaufen einer positiven Widerstandsdifferenz
DR' = p . DR
mit p < 1
beendet ist, und daß danach der Regelzyklus mit τ₀ = τ₀₀ begonnen wird.