DE4443225C2 - Verfahren zum Regeln der Al¶2¶O¶3¶-Konzentration bei der Erzeugung von Aluminium - Google Patents
Verfahren zum Regeln der Al¶2¶O¶3¶-Konzentration bei der Erzeugung von AluminiumInfo
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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.
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
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
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.
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.
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.
DR' = p . DR
mit p < 1
beendet ist, und daß danach der Regelzyklus mit τ0 = τ00 begonnen wird.
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|---|---|---|---|
| DE19944443225 DE4443225C2 (de) | 1994-12-05 | 1994-12-05 | Verfahren zum Regeln der Al¶2¶O¶3¶-Konzentration bei der Erzeugung von Aluminium |
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| DE19944443225 DE4443225C2 (de) | 1994-12-05 | 1994-12-05 | Verfahren zum Regeln der Al¶2¶O¶3¶-Konzentration bei der Erzeugung von Aluminium |
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Families Citing this family (1)
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| NO311623B1 (no) * | 1998-03-23 | 2001-12-17 | Norsk Hydro As | Fremgangsmåte for styring av aluminiumoksidtilförsel til elektrolyseceller for fremstilling av aluminium |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4431491A (en) * | 1980-07-23 | 1984-02-14 | Pechiney | Process and apparatus for accurately controlling the rate of introduction and the content of alumina in an igneous electrolysis tank in the production of aluminium |
-
1994
- 1994-12-05 DE DE19944443225 patent/DE4443225C2/de not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4431491A (en) * | 1980-07-23 | 1984-02-14 | Pechiney | Process and apparatus for accurately controlling the rate of introduction and the content of alumina in an igneous electrolysis tank in the production of aluminium |
Also Published As
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| DE4443225A1 (de) | 1996-06-13 |
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