RO117651B1 - Metodă de reglare a concentraţiei de alumină la cuvele de electroliză cu alimentare punctiformă - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o metoda de reglare a concentraţiei de alumină la cuvele de electroliză cu alimentare punctiformă, care realizează reglarea concentraţiei de alumină în ritmuri variabile, printr-o alimentare cu alumină a cuvelor prin ritmuri diferenţiate, printr-o succesiune de etape, respectiv: - calculul la perioade prestabilite a valorilor rezistenţei interne a cuvei;- calculul zonelor de tendinţă de apariţie a efectului anodic, pe baza variaţiilor în timp ale rezistenţei interne a cuvei; - efectuarea de cicluri de supraalimentare cu 40...60% exces faţă de consumul normal al cuvei, la sesizarea zonelor de preefect anodic; - sistarea supraalimentării, la o variaţie pozitivă a rezistenţei interne a cuvei şi calcularea duratei maxime şi minime până la următorul preefect anodic. Reglarea tensiunii de alimentare a cuvei se realizează funcţie de stadiul alimentării la momentul respectiv, prin recalcularea valorii instantanee a tensiunii necesare. Metoda prezintă avantajul că realizează alimentarea cu alumină funcţie de parametrii de moment ai funcţionării cuvei de electroliză.

Description

RO 117651 Β

Invenția se referă la o metodă de reglare a concentrației de alumină, la cuvele de electroliză pentru obținerea aluminiului.

Invenția are ca scop menținerea concentrației de alumină în baia electrolitică la valori cât mai ridicate, eliminarea modificărilor rapide ale concentrației de alumină și prevenirea efectelor anodice, în condițiile obținerii unor parametri tehnologici superiori în procesul de electroliză.

Metodele pentru alimentarea automată a aluminei, ce realizează mai mult sau mai puțin reglarea precisă a ritmurilor de alimentare, au constituit obiectul a o serie de brevete, uzual folosită fiind metoda Hali - Heroult, ce utilizează alimentarea punctiformă cu doze succesive în ritmuri variabile.

Sunt cunoscute metode care reglează conținutul de alumină în electrolit la valori cuprinse între 1 și 3,5% prin reglarea vitezei de alimentare în funcție de variațiile rezistenței interne a cuveî, alternând etape de supraalimentare cu etape de subalimentare.

Un exemplu de astfel de metodă este cea din brevetul FR 1457746, care utilizează relații de calcul, plecând de la valorile pantelor de creștere și scădere a rezistenței interne a cuveî pe perioadele de supraalimentare și subalimentare ale cuvei.

Dezavantajul acestui procedeu este că se adimte că valorile pantelor de creștere și scădere ale rezistenței interne a cuvei sunt determinate numai de variația efectivă a concentrației de alumină din electrolit.

Procedeul nu ia în calcul modificările sensibile ale pantelor, ce pot fi determinate și de ceilalți parametri momentani ai cuvei, respectiv: - exces de AIF₃; conținut de CaF₂; distanța interpolată; temperatura electrodului; starea tehnologică generală a cuvei.

Problema, care apare, constă în îmbunătățirea procedeelor de reglare a unui conținut redus de alumină în electrolit, prin utilizarea unei metode de calcul cu recalcularea continuă a ritmurilor de alimentare cu alumină, între perioadele succesive de apariție a tendinței de efect anodic, cât și a duratei de alimentare rară maximă și minimă, admise.

Metoda conform invenției, care realizează reglarea concentrației de alumină în ritmuri variabile, printr-o alimentare cu alumină a cuvelor prin ritmuri diferențiate, rezolvă această problemă printr-o succesiune de etape, respectiv:

- calculul la perioade prestabilite a valorilor rezistenței interne a cuvei;

- calculul zonelor de tendință de apariție a efectului anodic pe baza variațiilor în timp ale rezistenței interne a cuvei;

- efectuarea de cicluri de supraalimentare cu 40...60% exces față de consumul normal al cuvei, la sesizarea zonelor de preefect anodic;

- sistarea supraalimentării, la o variație pozitivă a rezistenței interne a cuvei și calcularea duratei maxime și minime până la următorul preefect anodic.

Reglarea tensiunii de alimentare a cuvei se realizează în funcție de stadiul alimentării la momentul respectiv, prin recalcularea valorii instantanee a tensiunii necesară. Metoda prezintă avantajul că realizează alimentarea cu alumină în funcție de parametrii de moment ai funcționării cuvei de electroliză.

Invenția este prezentată în continuare.

Conform metodei prezentate în invenție, reglarea concentrației de alumină la o cuvă de electroliză cu alimentare punctiformă se realizează prin ritmuri diferențiate de alimentare, în următoarele etape:

1. Calculul la perioade prestabilite a valorilor rezistenței interne a cuvei:

Rnî ⁼ (2Rnî-i ⁺ Rt)/3;

R_Ni. Rni-1 rezistența internă a cuvei netezite și respectiv rezistența anterioară a cuvei netezite;

R_t - rezistența internă momentană a cuvei.

RO 117651 Β

2. Calculul zonelor de tendință de apariție de efect anodic pe baza variațiilor în timp 50 ale R_Ni, (AR_Ni) succesive pozitive și a duratei minime față de preefectul anterior, rezultă pe baza unei relații de calcul care se aplică în condițiile:

a) Δ R_Ni.₂ + Δ R_Ni + Δ DF; (DF - valorile pozitive succesive anterioare ale rezistenței).

b) N_TC >355

c) Δΐ_Α- (durata față de preefectul anterior) > At_min, (durata minimă).

(N_TC - numărul de trepte de creștere a R_t pozitive consecutive ).

(Δ R_Ni = R_Ni- R_Ni Δ R_Ni _₂, Δ R_Ni Δ R_Ni > 0)

Dacă sunt respectate condițiile de la punctele a, b și c, se declară zonă de preefect anodic.60 '3. Din momentul sesizării zonelor de preefect anodic, conform condițiilor 2 a,b și c, se efectuează ciclul de supraalimentare care asigură un exces de40...60% față de consumul normal al cuvei.

Numărul minim de cicluri de supraalimentare este 3, iar numărul maxim este determinat de apariția primei valori a AR_t > 0.65

4. Pentru prima valoare a AR_Ni > 0, se sistează ciclurile de supraalimentare și se , calculează durata maximă și minimă (At_max; At_min) până la următorul preefect anodic, după

J care se efectuează cicluri de subalimentare cuvă, care asigură 30...50% față de consumul normal al unei cuve, până în momentul sesizării unei noi zone de preefect anodic și se reiau ciclurile de supraalimentare cuvă.70

Calculul valorii Δί minim și maxim se face cu relațiile:

△^max “ Μ ^x (θ_Ν θθ Μ_ΜΑχ/Τ|)/ (M_max/T_r - C_N 88); At_min = Δί, (C_N95 - M_min / TJ/ (M_min/T_R - C_N95), unde:

△tj - durata de supraalimentare; [s] 75

M_max, min -doză AI₂0₃ maximă și minimă la dozator; [kg AI₂O₃]

T„ T_R - perioada alimentării intense și rare, [s’¹];

C_N 88, C_N95 - consum normal Al₂ O₃ corespunzător unui randament de

88%, respectiv - 95% pentru o intensitate l_M realizată, [kg AI₂O₃/s]:

C_N88 = 15,233 X l_Mx 0,88 [kg AI₂O₃/s] 80

C_n95 = 15,233 x l_Mx 0,95 [kg AI₂0₃/s]

Se dă, în continuare, un exemplu de aplicare a metodei, conform invenției.

Exemplul. Din momentul apariției efectului anodic, se efectuează un ciclu de stingere efect și reglare a cuvei în zona de referință impusă.

Pentru AU = 4V, se reglează valoarea tensiunii cuvei prin deplasări în sus sau jos ale 85 cadrului anodic, în zona de referință:

- 0,05 < U_tR < 4 +0,05’ [V] unde:

U_tR - reprezintă o valoare recalculată pentru un nivel de bază al intensității de 87KA = l_M: ’

U_tR = ((U, - 1,65) /|_t) x 87 + 1,65[V] l_t= intensitatea momentană [KA]

Se începe un ciclu de supraalimentare cuvă cu doze de alumină pe un interval de 40 min astfel încât să se asigure un exces de 40...60% față de consumul normal al cuvei, corespunzând unei doze: dz = 1,3kgAI₂O₃. 95

Pentru o doză de Al₂ O₃: M = 1,3 + 0,1 kg, se utilizează o perioadă a alimentării intense: Tj= 50 [s]; (l_M = 87KA), în acest interval de timp, reglarea tensiunii cuvei se efectuează astfel încât:

- 0,05 <U_tR <4 + 0,05 [V]

RO 117651 B

100 După epuizarea celor 40 min de supraalimentare, cuva se trece pe alimentare rară, care să asigure 30...50% din consumul normal al cuvei, cu perioada alimentării rare: T_R = bxTj

Pentru doze de 1,3 + 0,1 kg, se utilizează un coeficient b = 3,4, rezultând:

T_R = 3,4x50 = 170 [s] , 105 Din acest moment, se calculează R_Ni, la intervale prestabilite, cât și valorile AR_Ni (la intervale de 8 min).

Fiecare valoare pozitivă a lui AR_Ni se însumează cu valorile pozitive anterioare, succesive (DF), și se controlează numărul de trepte de creștere (N_TC) corespunzătoare pentru valorile succesive ale lui AR_Ni > 0.

110 Dacă:

a) DF > 0,6 μΩ

I b) N_TC > 3 * i θ) t_pp > Δ t_min, (t_pp - durata între preefecte anodice succesive), se declară zonă de .1 preefect anodic. în această perioadă de calcul a preefectufui anodic, reglarea tensiunii cuvei

115 se efectuează numai în perioadele în care N_TC = 0.

Pentru N_TC > 1, se suspendă orice reglare de cadru anodic pentru reglarea tensiunii în zona de referință.

Din momentul declarării zonei de preefect anodic, se efectuează minimum 3 cicluri de alimentare intensă (24 min) cu o frecvențăVj și o durată variabilă:

120 T_i = axt_pp/N_A = 0,32xt_pp/N_A [s], unde:

a - coeficient cu valoare 0,32 pentru dz = 1,3 kgAI₂O₃;

tpp - durata contorizată între preefecte anodice succesive; [s]

N_a - numărul de alimentări realizate între cele două preefecte anodice.

η în mod curent, pentru M = 1,3 kg, are valori cuprinse între 45 și 65 s.

125 Ciclurile de alimentare intensă se suspendă din momentul în care după primele cicluri (24 min) se înregistrează prima valoare pozitivă pentru AR_Ni.

în această perioadă de supraalimentare a cuvei, sunt sistate orice reglări ale cadrului anodic.

Exemplu:

130 T_pp = 7200 [s] △ț = 2100[s]

N_a = 44 [alimentări] (Valori contorizate între preefectele anterioare)

Ț = 0,32 x 1200 = 52 [s]

135 pentru prima valoare pozitivă a AR_Ni, se sistează supraalimentarea, se memorează durata alimentării intense Ț și se calculează:

- Frecvența alimentare rară;

- Durata maximă și minimă până la următorul preefect;

R_r = 3,4 x η+ 3,4x52 = 177 [s];

I⁴⁰ Δί^ = 2100 x (0,0135...1,4/52)/(1,4/177...0,0135) = 5042 [s];

△t_min = 2100 x (0,01457...1,3/52) / (1,3/177...0,01457) = 3030 [s];

C_n88 = 1,551 x 10% = 1,551 x 10'⁴ x 87 = 0,0135 [kg AI₂0₃/s];

C_n95 = 1,675 x10% = 1,675 x 10'⁴ x 87 = 0,0143 [kg AI₂0₃/ s).

¹⁴⁵ 1,675 x _unde:

86400 86400

Claims (2)

1. RO 117651 Β

   Μ

   R

   Μ

   1,89 - kg AI₂0₃ consumată stoichiometric pentru 1 kg Al;

   8,06 x 0,95 l_M - cantitatea de aluminiu produsă pentru o intensitate l_M, la un randa- 150 ment de 95%, timp de 24 h;

   8,06 x 0,88 l_M - cantitatea de aliminiu produs pentru o intensitate l_m, la un randament de 88%, timp de 24 h.

   Următorul preefect anodic va fi considerat corect determinat pe baza variațiilor AR_Ni, dacă durata față de preefectul anterior este mai mare decât At_min, (3030 + 2100 = 5130 s). 155

   Dacă t_pp < 5130 s, nu se declară preefect anodic chiar dacă sunt îndeplinite condițiile de la punctui 2a și b.

   în acest caz, se trece cuva pe alimentare subrară și se așteaptă următorul preefect anodic, care se consideră valid:

   T_SR = 2xT_R [s]; T_sr = 2 x 177 = 354 [s]. 160

   Dacă At_max s-a epuizat și nu a apărut preefect anodic, se trece cuva pe alimentare subrară și se așteaptă următorul preefect anodic, o perioadă:

   T_sr = 2xT_r [s]; T_sr = 2x 177 = 354 [s], în continuare, se reia ciclul de la punctul declarării zonei de preefect anodic.

   Pe o perioadă de 12 luni, s-au urmărit parametrii tehnologici realizați pe un grup de 165 cuve modernizate, ce au funcționat cu metode de reglare a ritmurilor de alimentare, conform prezentei invenții, asigurându-se o variație a concentrației de alumină, în electrolit, cuprinsă între 1,5 și 3%, ia un conținut de AIF₃ cuprins între 8 și 10%.

   în urma experimentării, s-au obținut parametri net superiori concomitent cu o îmbunătățire substanțială a regularității în funcționarea tehnologică a cuvelor: 170

   Randament Faraday: 93% (cuve experimentale);

   89% (cuve actuale, clasice).

   Consum specific de energie electrică (curent continuu):

   13380 [kwh/t] (cuve experimentale);

   14500 [kwh/t] (cuve actuale, clasice). 175

   Medie efecte anodice: 0,3 efecte anodice/cuvă/zi (cuve experimentale);

   2 efecte anodice/cuvă/zi (cuve actuale, clasice).

   Utilizarea metodei a condus la limitarea la minim a depunerilor de alumină pe catodul cuvelor, în condițiile eliminării dereglărilor de ordin tehnologic.

   180

   Revendicări

   1. Metodă de reglare a concentrației de alumină la cuvele de electroliză cu alimentare punctiformă, prin reglarea tensiunii cuvei și a frecvenței de alimentare cu alumină, prin orificii deschise în crusta solidificată, printr-o funcție de rezistență electrică a cuvei indicând 185 concentrația de alumină recalculată continuu, caracterizată prin aceea că, reglarea prin menținerea concentrației de alumină la valori mici și relativ constante se efectuează printr-un ciclu repetativ de operații realizate între două efecte anodice consecutive, pentru alimentarea în trei tipuri de ritmuri de alimentare: intensă, rară și subrară, în etapele:

   a) - efectuarea unui ciclu de 40 de min de alimentare intensă cu frecvența f1, utilizată 190 în perioada alimentărilor intense, anterioare efectului anodic;

   b) - măsurarea continuă, la intervale de 8 min, a valorii rezistenței interne a cuvei prin metoda netezirii: R_Ni, definită prin relația:

   Rni “ (2Rnî-i ⁺ Rt)/3 în 03γθΉ_νμ - rezistența internă, anterioară, în cuva netezită; 195

   R_t - rezistența internă, de moment, a cuvei,

   200

   205

   210 ș-ή

   215

   220

   225

   230

   235

   240

   245

   RO 117651 Β cât și variația acesteia, AR_Ni, definită prin relația:

   AR_Ni = R_Ni -R_nm

   b) - constatarea zonei de preefect anodic pentru minim trei valori consecutive pozitive ale valorii AR_Ni, înregistrată doar în perioadele de alimentare rară sau subrară ce dau însumate minimum 0,6μΩ și pentru o durată față de preefectul anodic anterior mai mare decât durata minimă, At_min, după care, în cazul în care după 1 sau 2 valori consecutive ale AR_N, pozitive, se găsește o valoare negativă AR_N, se anulează numărul de trepte de creștere anterior, N_TC, și se așteaptă apariția a trei noi valori consecutive pentru AR_N, pentru declararea de preefect anodic, cu respectarea condiției ca durata măsurată între două preefecte anodice, At_pp, să fie mai mare decât cea minimă, At_min, calculată prin relația:

   △tm. = At, (C_N 95 - M_min/T,)/(M_min/T_R - C_N95); [s] în care: At, - durata de alimentare intensă anterioară; [s]

   M_min - doza minimă de AI₂O₃; [kg]

   T, - perioada ritmului de alimentare intensă; [s]

   T_R - perioada ritmului de alimentare rară; [s]

   C_N95 = 1,675 x 10'⁴l_M; [AI₂O₃/s] - consumul normal de AI₂O₃ corespunzător unui randament de 95% la o intensitate l_M a alimentării; [kg AI₂O₃/s], iar pentru o durată între preefecte anodice consecutive mai mică decât At_mîn, nu se consideră zonă de preefect anodic, chiar dacă sunt îndeplinite condițiile a) și b) și se trece cuva pe ritmul de alimentare subrară, până la următorul preefect anodic, cu perioada ritmului: T_SR= 2T_R [s];

   d) efectuarea unui ciclu de 24 min de supraalimentare, după care se continuă supraalimentarea cu calcularea valorii AR_N, la fiecare 8 min, iar pentru prima valoare AR_N > O, se oprește alimentarea intensă, care are perioada ritmului: T, = axt_pp/N_A [s], în care:t_pp - durata între prefectele anterioare; N_A - număr de alimentări realizate între preefecte; a - coeficient cu valori de 0,3...0,4, în funcție de mărimea duzelor utilizate;

   e) trecerea cuvei pe alimentare rară, cu perioada: T_R = b x T„ în care T, - perioada ritmului anterior de alimentare intensă; b = 3...5 - coeficient în funcție de mărimea duzelor utilizate;

   f) calcularea continuă, în funcție de valoarea i_M a duratei maxime și minime, până la următorul preefect anodic și reluarea ciclului de la etapa b), iar pentru o durată între preefecte consecutive mai mare decât cea maximă, At_max, se trece cuva pe ritmul de alimentare subrară, cu perioada: T_SR = 2T_R, dublă față de perioada alimentării rare, anterioare, valoarea At_max fiind calculată cu relația:

   Atmax = At, (C_N88 - M_max / T,)/(M_max/T_r - C_n88) în care:

   At, - durata anterioară a alimentării intense; [s]

   M_Max - doza maximă; [kg]

   T, - perioada ritmului alimentării intense; [s]

   T_R - perioada ritmului alimentării rare; [s]

   C_N88 = 1,551 x 10'⁴ x l_M; [kgAI₂O₃/s] - consumul normal de AlaO₃ corespunzător unui randament de 88% al cuvei, pentru o intensitate l_M a alimentării, [kg AI₂O₃/s],
2. 2. Metodă de reglare, conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că, reglarea tensiunii cuvelor, în zona de referință impusă, se realizează în funcție de stadiul alimentării la momentul respectiv, în etapele:

   - se recalculează continuu valoarea instantanee a tensiunii, U_f, prin raportarea la o intensitate de bază, l_M, în funcție de intensitatea momentană, l_t:

   U_tR = [( U - 1,65) / l_t] x l_M + 1,65 [V]

   - se stabilește, pentru o valoare impusă a tensiunii de referință, U_R, un interval de reglare AU = +/-0.05V; excepție făcând perioada alimentării intense, în care se interzice reglarea tensiunii;

   RO 117651 B

   - în perioada de alimentare rară sau subrară, se interzice reglarea tensiunii în zona de referință, în cazul înregistrării unei prime trepte de creștere a valorii R_N, cu AR_N > 0 și se permite reglarea în condițiile în care numărul de trepte de creștere a valorii R_N pozitive consecutive, este supraunitar, (N_TC>1), iar pentru N_TC=0, se permite reglarea tensiunii pentru 250 aducerea cuvei în zona de referință impusă;

   - în perioada de 40 min de alimentare intensă, după un efect anodic, se permite reglarea tensiunii cuvei în zona de referință impusă.

   Președintele comisiei de examinare: ing. Anghel Radu

   Examinator: ing. Arghirescu Marius

   Editare și tehnoredactare computerizată - OS1M Tipărit la: Oficiu! de Stat pentru Invenții și Mărci