DE3339200A1 - Sonische resonatorsteuerung - Google Patents

Description

R-7031

Sonische Resonatorsteuerung

Die Erfindung bezieht sich auf eine sonische Resonatorsteuerung und auf ein Verfahren zur Bestimmung der Bestandteilskonzentration in einer mehrere Komponenten enthaltenden Flüssigkeit.

Das Hall'sehe Verfahren zum Schmelzen von Aluminium verwendet die Elektrolyse des Aluminiumoxids (Al₇O-) in einem geschmolzenen Bad aus Kryolith(Na-AlF₁-) . Das Ver-

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fahren beginnt anfangs mit einer gepulverten Mischung aus Aluminiumoxid und Kryolith,und zwar in einem offenen Gefäß oder einer Zelle mit Stahlwänden, die mit Kohlenstoff ausgekleidet sind; die Zelle wird sodann durch elektrische Heizelemente erhitzt, um die Mischung bei annähernd

950 bis 1000⁰C zu schmelzen. Kohlenstoffanöden sind mit Abstand von den Kohlenstoffgefäßwänden (die als Kathode arbeiten) angeordnet, und ein zwischen den Anoden und den Gefäßwänden angelegtes Potential erzeugt den Elektrolysestrom.

Während des Schmelzzyklus zerfällt das Aluminiumoxid in metallisches Aluminium (Al),welches in der geschmolzenen Elektrolytmischung zum Boden des Gefäßes hin absinkt. Die normale Startkonzentration des Aluminiumoxids im Elektrolyten beträgt idealerweise zwischen 6 und 7 Gew.-%; dieser Anteil wird langsam über einen ausgedehnten Zyklus hinweg, der sich üblicherweise über mehr als 10 bis 12 Std. erstreckt, auf annähernd 2 Gew.-% oder weniger vermindert. Bei irgendeinem niedrigen Aluminiumoxidkonzentrationsniveau jedoch (vielleicht zwischen 2,2 und 0,5 Gew.-%, häufiger aber zwischen 2 und 1 Gew.-%) ist die Aluminiumoxidkonzentration zu niedrig, um das normale Schmelzen aufrechtzuerhalten, wodurch sich der sogenannte "Anodeneffekt" ergibt.

Verschiedene nachteilige Ereignisse treten während des Anodeneffekts ein. Es baut sich ein Überzug aus Kohlenstoff tetrafluorid (CF₄) an der Anode auf, was das Bad daran hindert, die Anode zu benetzen, und die an die Kathode und Anode angelegte Spannung steigt dramatisch an (von 4 bis 6 V auf beispielsweise 20 bis 40 V oder höher). Dies hat einen zweiten nachteiligen Faktor zur Folge, und zwar insofern, als bei konstant gehaltenem Strom (auf annähernd 600 bis 800 Milliampere/cm² Anode) die Leistungseingangsgröße ansteigt, der Stromwirkungsgrad abfällt und die Zelle sich überhitzt. Beim überhitzen wird die Zellenlebensdauer vermindert und zusätzliche Chemikalien in der Form von Fluor (F) werden verbraucht. Der Zyklus wird normaler-

weise beendet, nachdem die Anodeneffektphase des Zyklus bereits begonnen hat.

Um den Zyklus wieder zu starten und den Zyklus aus dem Anodeneffekt herauszubringen, wird eine solide Kruste , die sich über der Oberseite des geschmolzenen Elektrolyten in der Zelle gebildet hat, zuerst zerbrochen und es wird weiteres gepulvertes Aluminiumoxid hinzugegeben, typischerweise von einem oberhalb der Zelle angeordneten Speichertrichter.

Das metallische Aluminium wird vom Boden der Zelle periodisch abgezogen, wie beispielsweise nach der Verarbeitung von mehreren Chargen voll Aluminiumoxid.

Es ist keine zuverlässige Zyklussteuerung bekannt und/oder im Handel verfügbar, die die Aluminiumoxidkonzentration messen kann. Die korrodierende und eine hohe Temperatur besitzende Umgebung des geschmolzenen Elektrolyten macht die meisten internen Steuerungen oder Kontrollen nicht praktikabel. Die gebräuchlichste Kontrolle dient lediglich zur Feststellung von Spannungsänderungen zwischen der Kathode und der Anode; dies ergibt grundsätzlich aber nur eine nach dem Ereignis wirksam werdende Feststellung, da der Anodeneffekt bereits begonnen hat. Der normale Schmelzzyklus arbeitet im 95 bis 85% Bereich des Stromwirkungsgrades während des Hauptteils des Zyklus, und zwar beginnend mit Aluminiumoxidkonzentrationen im 6 bis 7 Gew.-% Bereich, bis zum niedrigen Bereich,wo der Anodeneffekt einsetzt; daraufhin aber kann innerhalb weniger Minuten die Stromeffizienz dramatisch abfallen, und zwar auf wesentlich weniger als 70 oder sogar 50% Stromwirkungsgrad, während der Anodeneffektphase des Zyklus. Für eine diese Beziehung darstellende repräsentative Kurve vergleiche

die Fig. 5 Die derzeit verwendeten Zyklussteuerungen zeigen eine geringe Empfindlichkeit und sind nicht in der Lage, eine Vorauswarnung zu erzeugen.

Die ungenaue Steuerung des Schmelzzyklus und der sich ergebende "ANodeneffekt", der normalerweise bei jedem Zyklus auftritt, führen zu außerordentlichen Verschwendungen hinsichtlich der Energiemenge und der chemischen Effizienz. Mehrere Anoden sind in einer einzigen Zelle im allgemeinen Seite an Seite angeordnet, und zwar bei möglicherweise 5 Fuß Höhe sind 50 bis 150 Zellen typischerweise miteinander zur Bildung einer einzigen Leitung verbunden, und möglicherweise 15 bis 25 solcher Leitungen können in einer einzigen kommerziellen Aluminiumfabrik in Betrieb sein. Eine einzige Zelle kann ungefähr 20 00 Englische Pfund Aluminium pro Tag erzeugen, verbraucht aber annähernd 6 Kilowatt-Stunden und 0,5 Pfund Kohlenstoff für jedes Pfund erzeugten Aluminiums (alle Pfund-Angaben sind Englische Pfund). Berücksichtigt man nur die Aluminiumschmelzkapazität in den USA, so könnten möglicherweise 6 χ 10 Kilowatt-Stunden pro Jahr dann eingespart werden, wenn genauere ProzeßSteuerungen vorhanden wären zur automatischen Chargenerneuerung des Prozesses bei Aluminiumoxidkonzentrationen von 2,5 oder 2,7 Gew.-% oder darüber, wo der Anodeneffekt normalerweise stets zuerst starten würde.

Die Erfindung bezieht sich auf Mittel für und ein Verfahren zur Verwendung eines sonischen Resonators (Schallresonators) in einer binären Flüssigkeitsmischung, um Änderungen in der Resonanzfrequenz zu detektieren, und zwar hervorgerufen als Funktion der relativen Konzentration der Bestandteile und Komponenten in der Mischung. Die Erfindung lehrt insbesondere Mittel einschließlich eines sonischen oder Schallresonators, angeordnet in einem geschmolzenen binären Elektrolyten aus Kryolith und Aluminiumoxid, verwendet im Hall'sehen

Verfahren der Aluminiumschmelze, und ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Steuerung zur Detektion der sonischen Resonanzfrequenz des Resonators in dem Elektrolyten zur genauen Bestimmung der Aluminiumoxidkonzentration im Elektrolyten, und zwar während der Dauer des Schmelzzyklus.

Die sonische oder Schallgeschwindigkeit im geschmolzenen Elektrolyten ist in einzigartiger Weise in Beziehung stehend mit der Aluminiumoxidkonzentration des Elektrolyten bei den Elektrolysetemperaturen. Wenn man somit die sonische oder Schallgeschwindigkeit kennt und/oder die Resonanzfrequenz eines Resonators im Elektrolyten zu jeder Zeit während des Elektrolysezyklus, so kann man die Aluminiumoxidkonzentration des Elektrolyten bestimmen.

Die Erfindung sieht insbesondere die Messung der sonischen Resonanzfrequenz in dem geschmolzenen Elektrolyten vor und den Vergleich derselben mit einer vorhandenen" Datenbasis, welche die sonische Resonanzfrequenz und die Aluminiumoxidkonzentration in Beziehung setzt, um so die augenblickliche Al-Oxid- Konzentration zu bestimmen.

Was die Hardware anlangt, so wird ein Resonator in dem geschmolzenen Elektrolyten positioniert und durch einen einstellbaren Frequenzgenerator angeregt, und zwar über einen Frequenzbereich einschließlich der Resonanzfrequenz des Resonators hinweg. Ein Detektor vergleicht und identifiziert die sonischen Signale, wobei die Signale niedrige Energiepegel bei sämtlichen Anregungsfrequenzen mit Ausnahme der Resonanzfrequenz besitzen, bei welcher ein großes Energiesignal feststellbar wäre. Die Resonator- und Detektorsteuerung würde vor der Verwendung geeicht werden, und zwar durch Bestimmung der Resonanzfrequenz des Elektrolyten bei bestimmten bekannten Aluminiumoxidkonzentrationen, beispielsweise bei 7%, 6%, 5% usw. bis hinab zum Anodeneffektbereich des Elektrolysezyklus. Durch Ver-

gleich der festgestellten Resonanzfrequenz gegenüber dieser Datenbasis kann die augenblickliche Aluminiumoxidkonzentration der Elektrolytmischung bestimmt werden, und zwar mit einer Genauigkeit höher als ein Zehntel Prozent.

Der Resonator kann aus Titandiborid (TiB₂) hergestellt sein, und zwar als ein Rohr mit einem geschlossenen Ende und mit einem am geschlossenen Ende befestigten Wandler; der Wandler seinerseits kann aus Lithiumniobat (LiNbO,) oder Strontiumpyroniobat (Sr-Nb^O₇) ausgebildet sein.

Die vorliegende Erfindung kann speziell zur Steuerung der Zykluszeit im Hall'sehen Verfahren der Aluminiumschmelze verwendet werden, und kann insbesondere signalisieren, wann Aluminiumoxid dem Elektrolyten hinzugegeben werden muß, bevor die Konzentration desselben zu niedrig wird und die Anodeneffektphase der Elektrolyse anfängt.

Eine typische Elektrolysezelle 10 ist in den Fig. 1 und 2 im Querschnitt gezeigt. Die Zelle 10 weist ein oben offenes Gefäß 11 auf, und zwar ausgebildet aus einer Stahlbauwand 12 und einer feuerfesten Kohlenstoffauskleidung 14. Eine Kollektorplatte oder Kathodenstange 16 innerhalb der Kohlenstoff auskleidung 14, benachbart aber isoliert gegenüber der unteren Gefäßwand 12, ist mit einem äußeren elektrischen Leiter 17 verbunden. Der Leiter 17 seinerseits kann über übliche Leistungsleiter mit negativen oder Erdklemmen (-) einer elektrischen Gleichspannungsversorgung verbunden sein. Ein oberhalb der Oberseite des Gefäßes 11 angeordnetes Rahmenglied 18 hält Bügel 20, deren jeder seinerseits eine Kohlenstoff anode 22 in einer vertikal einstellbaren Weise trägt. Die Anoden 22 können somit auf unterschiedliche Tiefen innerhalb der Gefäßöffnung 24 angehoben oder abgesenkt werden; sie sind ferner über einen Leiter 25 mit einem gemeinsamen äußeren elektrischen Leiter oder Verbinder 26 verbunden. Der Verbinder 26 dient zur Verbindung über übliche

Leistungsleiter mit den (nicht gezeigten) Schaltmitteln zur positiven Klemme der elektrischen Gleichspannungsleistungsversorgung. Ein Trichter 27 mit einem Auslaßkanal 28 ist vertikal oberhalb der Gefäßöffnung 24 angeordnet und ist derart ausgelegt, daß er granuläres Aluminiumoxid A enthalten kann, welches beim öffnen von Ventil 30 am Ausfluß 28 abgegeben werden kann.

Beim normalen Schmelzbetrieb gemäß dem Hall'sehen Verfahren ist die Zelle 10 derart ausgelegt, daß sie mit einem geschmolzenen Elektrolyten auf einer Temperatur typischerweise im Bereich von 950-1000⁰C arbeitet. Die anfangs in gepulverter oder granulärer Form dem Zellenhohlraum um die Anoden 22 herum eingegebenen Elektrolytmaterialien be stehen in der Hauptsache aus der binären Mischung aus Kryolith (Na₃AlF₆) und Aluminiumoxid (Al₂O₃), obwohl Spuren von Flußspan (CaF2) im allgemeinen auch vorhanden sind. Nicht-gezeigte elektrische Widerstandsheizelemente können zur Erhitzung des Gefäßes verwendet werden, wobei auch die Anoden 22 in Berührung mit der Kohlenstoffauskleidung 14 abgesenkt werden können und ein elektrischer Gleichstrom durch die dann kurzgeschlossenen Anoden 22 und Auskleidung 14 fließt, um die granuläre Zusammensetzung solange zu erhitzen, bis diese der geschmolzene Elektrolyt wird. Die Anoden 22 werden sodann vertikal eingestellt, und zwar oberhalb der normalen Betriebsposition mit einem kleinen Spalt (3-10 cm) zwischen den Anoden 20 und der carbonisierten Auskleidung 14.

Während des folgenden typischen elektrolytischen Schmelzzyklus wird ein Gleichspannungspotential von im allgemeinen zwischen 4 und 6 Volt an Kohlenstoffanöden 22 und Kohlenstoff auskleidungskathode 14 angelegt, was annähernd 600 bis 800 Milliampere-Strom pro cm² an den Anoden 22 erzeugt. Das Aluminiumoxid (Al₂O₃) zerfällt und erzeugt geschmolzenes

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Aluminium (Al), welches infolge seines schwereren Gewichts als der geschmolzene Elektrolyt zum Boden des Gefäßes absinkt; der entstehende Sauerstoff (O_?) geht zu den Anoden 22 und verbindet sich dort mit dem Kohlenstoff zur Erzeugung von hauptsächlich Kohlendioxid (CO₂) und etwas Kohlenmonoxid (CO) .

Im allgemeinen versucht die nicht-gezeigte Stromregelvorrichtung diese Stromdichte konstant zu halten. Die Anoden werden allmählich verbraucht, so daß der Spalt oberhalb des ansteigenden geschmolzenen Aluminiums am Boden der Zelle im allgemeinen recht konstant verbleibt, obwohl die Höhe der Anoden periodisch eingestellt werden kann, und zwar entsprechend der Stromdichte als einer Form der Steuerung.

Die normale Ausgangs-Aluminiumoxid-Konzentration in Gew.-% in der geschmolzenen Elektrolytmischung beträgt zwischen 6 und 7%; diese Konzentration wird über die Anfangsphase des Schmelzzyklus hinweg, die im allgemeinen mehr als 10-12 Stunden dauert, auf zwischen annähernd 2,2% und 0,5% abgesenkt. Unterhalb dieses Bereichs der Aluminiumoxid-Konzentration beginnt die nachteilige "Anodeneffekt"-Phase des Zyklus und setzt mit ihrer Wirkung ein.

Während des Schmelzens kühlt die Oberfläche des Elektrolyten hinreichend ab, um darüber eine Kruste zu bilden, wie dies in Fig. 2 bei 31 gezeigt ist. Um die Zelle mit Aluminiumoxid wieder aufzuladen, wenn die Aluminiumoxid-Konzentration zu niedrig wird, muß diese Kruste 31 zerbrochen werden und das zusätzliche Aluminiumoxid A muß in das Gefäß durch den Trichterausfluß 28 in hinreichenden Mengen eingegeben werden, um die Aluminiumoxid-Konzentration zurück auf den angenäherten Startbereich von 6-7 Gew.-% zu bringen. Nachdem möglicherweise mehrere Chargen von Aluminiumoxid geschmolzen wurden, wird das geschmolzene Aluminiummetall

Al vom Boden der Zelle durch das Rohr 32 in die Pfanne

34 (jeweils gestrichelt gezeigt) abgezogen, und kann sodann

in (nicht-gezeigte) Formen gegossen werden, um so Barren o.dgl. zu gießen.

Die Erfindung sieht die genaue Feststellung der sonischen Resonanzfrequenz des Elektrolyten vor, die, wenn sie mit einer bekannten Datenbasis in Korrelation gebracht wird, eine genaue Anzeige für die Aluminiumkonzentration im Elektrolyten liefert. Die Erfindung verwendet einen Resonator (vgl. 1, 2 und 3) mit einer kontinuierlichen rohrförmigen Seitenwand 38, abgeschlossen an einem Ende durch Wand 40. Ein Wandler 46 ist betriebsmäßig an der geschlossenen Wand 40 des Resonators angeordnet. Der Resonator 36 ist im geschmolzenen Elektrolyten mittels eines genormten oder anderen Trägers 42 angeordnet, und (nicht-gezeigte) Steuerleitungen werden typischerweise in einem abgeschirmten Kabel an den Ständer 42 zwischen Wandler und Außensteuerung hinaufgeführt·.

Der Resonator kann nahezu jede Orientierung besitzen, wobei das offene Ende 44, nach oben, nach unten, horizontal oder unter einem Winkel irgendwo dazwischen gerichtet ist. Der Resonator ist jedoch vorzugsweise auf einer Höhe angeordnet, die nur wenige Zentimeter (4-10 cm) oberhalb des höchsten erwarteten Pegels des metallischen Aluminiums während der Schmelzoperation liegt. Dies hat zur Folge, daß ein in vernünftigen Grenzen gleichförmiger Elektrolyt vom Resonator "gesehen" wird, und daß dieser aktiv im Elektrolyseprozeß teilnimmt und daher nahe der quasi Gleichgewichtselektrolysetemperatur sich befindet.

Da die Temperatur des Elektrolyten im allgemeinen 950⁰C und höher liegt, muß Sorge dafür getragen werden, daß geeignete Materialien für den Resonator und den Wandler benutzt

werden. In dieser Hinsicht wird der Resonator vorzugsweise aus Titandiborid (TiB₂) hergestellt, wohingegen der Wandler vorzugsweise aus Lithiumniobat (LiNbO.,) oder Strontiumpyraniobat (Sr₂Nb₃O₇) hergestellt wird, wobei jedes der beiden letztgenannten Materialien einen Curie-Punkt oberhalb von 1200⁰C besitzt.

Die Steuerschaltung für den Resonator ist schematisch durch das Blockdiagramm der Fig. 3 angedeutet und weist den Resonatorwandler 46 auf, und zwar verbunden mit einem koaxialen geerdeten abgeschirmten Kabels (nicht gezeigt) mit einem einstellbaren Frequenzwellengenerator 60. Der Generator 60 kann in effektiver Weise in einem Frequenzbereich unterhalb 1 MHz betrieben werden. Der angeregte Wandler würde die sonischen oder Schallimpulse in den Elektrolyten übertragen, die durch den Elektrolyten zurückgeworfen und gedämpft werden und wieder in den Resonator gelangen, um dort detektiert zu werden, und zwar wiederum mit einer hinreichenden hohen Qualität der Resonanz durch den gleichen Wandler. Ein Detektor 62 ist ebenfalls in einer Schaltung mit dem Wellengenerator 60 angeordnet, um so sowohl die Ausgangsstärke des sonischen Signals als auch dessen Frequenz zu detektieren.

Die_sonische oder Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit ist gleich der Wellenlänge des Impulses, multipliziert mit der Anregungsfrequenz des Impulses. Die sonische oder Schallgeschwindigkeit in geschmolzenen Mischungen dieser Art bei annähernd 950-1000⁰C liegt im Bereich von 1-4 χ cm/sec; somit ergibt sich bei einer Anregungsfrequenz von annähernd 100 kHz (10 Hz) die Impulswellenlänge im Bereich von 1-4 cm. Der Resonator 36 ist sehr präzise hergestellt mit der Seitenwand 38 nahe 1/4 seiner Wellenlänge, oder aber in der Größenordnung von 1/4 bis 1 cm Länge. Es handelt sich somit hier um einen Viertel-Wellen-Resonator,

■AS-

und ein bei der Resonanzerregung des Resonators erzeugtes Wellenmuster ist durch die gestrichelten Linien 52 in Fig.3 veranschaulicht, wo die akustische Fehlanpassung am offenen Ende des Resonators auftritt.

Die Schallgeschwindigkeit ändert sich, wenn sich die Mischungsdichte im Bad verändert, und erhöht sich oder vermindert sich, wenn die Aluminiumoxid-Konzentration im Bad ansteigt oder abnimmt. Eine Datenbasis kann aufgebaut werden, um die Eigenfrequenz des Resonators 36 mit den Aluminiumoxid-Konzentrationen im Elektrolyten bei den Elektrolysetemperaturen in Korrelation zu bringen, wobei eine typische Kurve in Fig. 7 gezeigt ist. Wie in Fig. 6 gezeigt, verläuft das Phasendiagramm des binären Systems aus Kryolith und Aluminiumoxid (Na^AlF,-Al₂0^) längs einer einzigen Kurve, so' daß für eine spezielle Aluminiumoxid-Konzentration eine Gleichgewichtstemperatur für den Elektrolyten existiert. Dies bedeutet, daß dann, wenn die Aluminiumoxid-Konzentration gemessen wird, die Temperatur des Elektrolyten ebenfalls abgeleitet werden kann.

Ein weiteres interessantes Phänomen bezieht sich auf die Erzeugung und Detektion der sonischen oder Schallenergie in dem geschmolzenen Elektrolyten mit dem gleichen Resonator, insbesondere bei Betrachtung der sonischen Absorption. Der durch einen Bereich von Frequenzen einschließlich der Resonanzfrequenz erregte Resonator sendet Signale aus, die während aller durch den Wellengenerator 60 erzeugte Frequenzen, mit Ausnahme der Resonanzfrequenz, stark gedämpft sind, so daß die detektierten Energiepegel dieser Signale niedrig sein werden. Bei der Resonanzfrequenz jedoch würde das detektierte Signal eine feststellbare oder detektiberbare Spitze bilden, wie dies bei 54 in Fig. 4 gezeigt ist. Diese detektierte Signalspitze 54 würde nur bei der Resonanzfrequenz auftreten oder dort wo die Schallwel-

12"¹

■/It-

lenlänge das Vierfache der Länge des vierten Wellenlängen-Resonators 38 ist.

Der Resonator 38 würde vor seiner Verwendung in der Schmelzzelle 10 geeicht, und zwar durch Bestimmung der speziellen Signalfrequenz, die erforderlich ist, um Resonanz für unterschiedliche, aber bekannte Gewichtsprozentsätze der Aluminiumoxid-Konzentrationen zu bestimmen, d.h. bei 7%, bei 6%, bei 5% usw. bis hinab zu und in den kritischen niedrigen Bereich von vielleicht 0,5%, wo die Anodeneffektphase des Zyklus vorhanden sein würde. Beim tatsächlichen Gebrauch könnte die Datenbasis in ein ROM eingegeben sein, oder in ein nur Lese-Chip, oder aber in einen Mikroprozessor (keine dieser Vorrichtungen ist gezeigt).

Die augenblicklich detektierte Resonanzfrequenz würde mit dieser Datenbasis verglichen, und zwar in einer Zwei-Variablen-Anordnung, um die tatsächliche oder augenblickliche Aluminiumoxid-Konzentration im Elektrolyten festzustellen. Mit dieser bekannten Datenbasis und der Vergleichstechnik kann die Aluminiumoxid-Konzentration mit guter Genauigkeit bestimmt werden, mindestens äquivalent innerhalb +_ 0,10% für jede Phase des Schmelzzyklus. Hinsichtlich der Steuerung kann die Detektorvorrichtung 62 dazu benutzt werden, um die Aluminiumoxid-Konzentration als eine direkte digitale Ausgangsgröße abzugeben, wie beispielsweise an Anzeige 68.

Zur Verbesserung des Hell'sehen Schmelzzyklus würde die spezielle Steuerung derart eingestellt, daß sie signalisiert, wenn die Aluminiumoxid-Konzentration einen vorbestimmten niedrigen Pegel erreicht, der noch höher liegt als der kritische niedrige Pegel, wo die Anodeneffektphase des Zyklus normalerweise beginnen würde. Wie bemerkt könnte der Anodeneffekt typischerweise im hohen Bereich von annähernd 2,2 Gew.-% Aluminiumoxid-Konzentration beginnen.

könnte aber auch in einigen Bereichen bis hinab zu 0,5% beginnen. Um einen Sicherheitsfaktor vorzusehen, wäre es vorzuziehen,irgendeine höhere Aluminiumoxid-Konzentration auszuwählen, möglicherweise zwischen 2,7 bis 2,5 Gew.-%. Die detektierte niedrige Aluminiumoxid-Konzentration im Elektrolyten würde ein Signal hervorrufen, das (nicht gezeigte) automatische Mittel auslösen könnte, um die Kruste 31 zu zerbrechen und um sodann Aluminiumoxid vom Ausgabekanal 28 durch das Öffnen des Ventils 30 zuzuführen, oder aber durch das Signal könnte der Benutzer aufmerksam gemacht werden, um sodann von Hand zusätzliches Aluminiumoxid hinzuzugeben.

Die erfindungsgemäße Steuerung kann somit in genauer und konsistenter Weise vorsehen, daß die Aluminiumoxid-Konzentration wieder aufgeladen wird, bevor diese einen niedrigen kritischen Pegel erreicht, und der Schmelzzyklus wird somit nur in den effizienten Bereichen betrieben und nicht im Anodeneffektbereich. Dies würde infolgedessen die zwischen den Anoden und der Kathode angelegte Eingangsleistung stabilisieren und auch eine Zellenüberhitzung und chemischen Abfall minimieren.

pbwohl die vorliegende Erfindung unter spezieller Bezugnahme auf das Schmelzen von Aluminium beschrieben wurde, so können doch auch andere Schmelzvorgänge in vorteilhafter Weise gesteuert werden. Es kann auch die Detektion und/oder Steuerung von anderen Hochtemperatur-Prozessen folgen, und zwar Prozessen, wo eine geschmolzene Flüssigkeit vorkommt, und zwar insbesondere dann, wenn der interessierende Parameter funktionsmäßig mit der sonischen oder Schallgeschwindigkeit in Beziehung steht. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere auch aus den Ansprüchen.

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Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:

Erfindungsgemäß wird eine Steuerung gelehrt, die beim Schmelzen von Aluminium durch elektrolytisch^ Zerlegung von Aluminiumoxid in einem auf annähernd 950 bis 1000⁰C erhitzten Elektrolyten Verwendung finden kann. Die Erfindung sieht einen sonischen Resonator vor und eine Steuerung, die in genauer Weise die Resonanzfrequenz des Resonators in dem geschmolzenen Elektrolxten detektiert. Der Resonator ist vorzugsweise mit einer rohrförmigen Seitenwand von 1/4 der Schallwellenlänge hergestellt oder aber ist ein Viertel-Wellenlängen-Resonator. Ein Wellengenerator gibt ein Signal ein, und zwar mit einem Frequenzbereich, der die Resonanzfrequenz umfaßt, so daß eine Spitzenresonanzausgangsgröße bei der Resonanzfrequenz auf einen Oszilloskopen oder einen ähnlichen Detektor detektiert werden kann. Diese augenblickliche Resonanzfrequenz wird sodann mit einer genauen Datenbasis verglichen, welche die Resonanzfrequenzen des Resonators in dem Elektrolyten bei speziellen Aluminiumoxid-Konzentrationen in Beziehung setzt, d.h. Konzentrationen, die normalerweise während des Elektrolysezyklus auftreten. Der Elektrolysezyklus kann somit gesteuert und die erneute Beladung kann bewirkt werden, und zwar bei irgendeiner vorbestimmten niedrigen Aluminiumoxid-Konzentration, die größer ist als diejenige, wo die Anodeneffektphase des Zyklus normalerweise beginnen würde.

Leerseite

Claims (8)

R-7031 Sonische Resonatorsteuerung Ansprüche

1. Eine Steuervorrichtung zum Gebrauch beim Schmelzen von Aluminium durch Elektrolyse aus einem geschmolzenen Elektrolyten bei Temperaturen zwischen 950 und 1000⁰C zur genauen überwachung der Abnahme der Aluminiumoxid-Konzentration von annähernd 6-7 Gew.-% Konzentration des Elektrolyten auf 2,7-2,5 Gew.-% für die zeitgerechte Nachladung des Elektrolyten mit Aluminiumoxid, gekennzeichnet durch einen im Elektrolyten untergetauchten Schall- oder Tonresonator, einen Wellengenerator zur Anregung des Resonators über einen Bereich von Frequenzen hinweg unter Einschluß der Resonanzfrequenz des Resonators im Elektrolyten, Mittel zur Detektion der augenblicklichen Resonanzfrequenz des angeregten Resonators und Mittel zum periodischen Vergleich dieser augenblicklichen Resonanzfrequenz mit einer Datenbasis zur Korrelation der Resonanzfrequenz und der Aluminiumoxid-Konzentration für Elektrolytmischungen beim Schmelzen, um so dann die augenblickliche Aluminiumoxid-Konzentration des Elektrolyten zu ermitteln.

2. Steuerung nach Anspruch 1, wobei der Wandler aus Lithiumniobat (LiNbO^) gebildet ist.

3. Steuerung nach Anspruch 1 und/oder 2, wobei der Wandler aus Strontiumpyroniobat (Sr₃Nb₂O₇) gebildet ist.

4. Steuerung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator aus Titandiborid (TiB₃) gebildet ist.

5. Prozeßsteuerung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei der Resonator als ein Rohr ausgebildet ist, und zwar mit einem geschlossenen Ende und mit zylindrischen Seitenwänden ausgebildet präzise 1/4 der Länge einer antizipierten Wellenlänge eines Schallimpulses durch den Elektrolyten, angeregt durch eine annähernd bekannte Frequenz.

6. Steuerung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Resonator mit zylindrischen Seitenwänden in der Größenordnung von 1/4 bis 1 cm Länge ausgebildet ist, und wobei eine Anregungsfrequenz im Bereich von 100 KHz eine antizipierte Resonanzbedingung des Resonators im Elektrolyten für die Aluminiumoxid-Konzentration im Bereich zwischen 7 und 0,5 Gew.-% erzeugt.

7. -Steuerung bei der Schmelze von Aluminium durch Elektrolyse eines geschmolzenen Elektrolyten bei Temperaturen zwischen 950 und 1000⁰C, wobei Aluminiumoxid normalerweise bei 6-7 Gew.-% Konzentration des Elektrolyten starten und auf 2,2-0,5 Gew.-% Konzentration nahe dem Ende des Zyklus absinken würde, wo dann der Anodeneffekt

beginnen würde, ein Verfahren zur genauen Bestimmung,, wann eine vorbestimmte Aluminiumoxid-Konzentration in der Größenordnung von 2*7-2,5 Gew.,-% erreicht ist, um die Wiederaufladung des Elektrolyten mit Aluminiumoxid vorzusehen, bevor der Anodeneffekt tatsächlich beginnt, und wobei folgende Schritte vorgesehen sind: Untertauchen eines Schallresonators im Elektrolyten auf einem repräsentativen Niveau desselben, periodisches Anregen des Resonators über einen Bereich von Frequenzen hinweg, und zwar einschließlich der Resonanzfrequenz des Resonators im Elektrolyten zur Feststellung für jede Anregung des Resonators der augenblicklichen Resonanzfrequenz desselben, Korrelation dieses Wertes mit einer Datenbasiseichung des Resonators bei bekannter Aluminiumoxid-Konzentration über den 'Schmelzzyklus hinweg, wobei die augenblickliche Resonanzfrequenz in effektiver Weise auch die augenblicklichen Aluminiumoxid-Konzentrationen liefern kann, und zwar während des Schmelzzyklus, um so zu gestatten, *daß eine Identifikation erfolgt, wenn die AIuminiumoxid-Konzentration die vorbestimmte Aluminiumoxid-Konzentration erreicht.

8. Steuerung zur Bestimmung der relativen Gewichts-Prozent Konzentration in einem speziellen interessierenden Bereich einer Komponente in einer mehrere Komponenten aufweisenden Flüssigkeitsmischung, wobei folgendes vorgesehen ist: ein in die Flüssigkeitsmischung untergetauchter Resonator., ein Wellengenerator zur Anregung des Resonators über einen Bereich von Frequenzen hinweg., und zwar einschließlich der Resonanzfrequenz des Resonators in der Flüssigkeitsmischung., Mittel zur Detektion des Schallsignals vom erregten Resonator und insbesondere zur Isolation der Resonanzfrequenz, und mit Mitteln zum Vergleichen dieser Resonanzfrequenz in einer Datenbasis zur Korrelation der Resonanzfrequenz und der Komponenten-Konzentration über den speziellen interessierenden Bereich hinweg, um dadurch eine Anzeige vorzusehen,

wenn die augenblickliche relative Gewichtskonzentration der in der Mischung befindlichen Komponente erreicht ist.