DE69503342T2

DE69503342T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Temperatur und Badhöhe des geschmolzenen Elektrolyts in Aluminium-Schmelzflussöfen

Info

Publication number: DE69503342T2
Application number: DE69503342T
Authority: DE
Inventors: Olivier F-73300 Hermillon Granacher; Pierre F-73300 Saint-Jean-De-Maurienne Homsi; Benoit F-73000 Chambery Sulmont
Original assignee: Aluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 1994-12-09
Filing date: 1995-12-07
Publication date: 1999-03-04
Anticipated expiration: 2015-12-08
Also published as: NO954740D0; NO312554B1; EP0716165B1; FR2727985B1; US6065867A; AU689973B2; CA2164687A1; DE69503342D1; EP0716165A1; CA2164687C; FR2727985A1; AU3901895A; NO954740L

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Temperatur und der Höhe des Elektrolyseschmelzbades in Aluminium-Schmelzflußzellen

Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Messungen der Temperatur und der Höhe des kryolithschmelzebasischen Elektrolyten in Aluminium-Schmelzflußzellen durch Elektrolyse von im Kryolith gelöstem Aluminiumoxid sowie die Verwendung für die Bestimmung der Dicke des Elektrolyseschmelzbades in diesen Zellen.

Stand der Technik

Die Führung moderner Elektrolysezellen zur Aluminiumgewinnnung nach dem Hall-Heroult-Verfahren erfordert eine permanente Überwachung der Temperatur und des Volumens des Elektrolyseschmelzbades. Der größte Teil des Elektrolysebades befindet sich im geschmolzenen Zustand und bildet den Elektrolyten, in dem die Kohleanoden eingetaucht sind, der Rest des erstarrten Bades bildet die Seitenflächen und die Kruste, die die freie Oberfläche des Elektrolyten bedecken. Dieser Elektrolyt besteht im wesentlichen aus Kryolith Na&sub3;AlF&sub6; und kann diverse Zusatzstoffe enthalten, wie z. B. CaF&sub2;, AlF&sub3;, LiF, MgF&sub2; usw., die eine Veränderung des Schmelzpunktes, der elektrochemischen Eigenschaften sowie des Aluminiumoxidauflösungsvermögen des Bades bewirken.
Das Elektrolytvolumen, das die flüssige Aluminiumschicht bedeckt, die mit der Kathode am Zellenboden - oder dem Kathodensubstrat - in Kontakt steht, muß ausreichend sein, um eine Auflösung und schnelle Verteilung des im oberen Bereich der Zelle eingebrachten Aluminiumoxids zu gewährleisten. Es darf jedoch eine gewisse Höhe nicht überschreiten, oberhalb derer es das thermische Gleichgewicht der Zelle stören und eine Korrosion der Stahlstützen, an denen die Anoden befestigt sind, und folglich eine durch das Eisen verursachte Verschmutzung des gewonnenen Aluminiums oder Metalls herbeiführen würde.
Es empfiehlt sich also, die Höhe des Elektrolyten, die für sein Volumen charakteristisch ist, d. h. die Höhe der Grenzfläche Luft/Elektrolyt, in regelmäßigen Abständen zu überprüfen. Diese Messung in Verbindung mit der Messung der Höhe der Grenzfläche Elektrolyt/Metall eignet sich auch dafür, durch Differenzbildung die Dicke des Elektrolyten, d. h. die Dicke des Elektrolyseschmelzbades zu bestimmen.
Ebenso sind auch die Kenntnis und die Überwachung der Elektrolyttemperatur sehr wichtig, um einerseits den Betrieb der permanent arbeitenden Zelle so zu regulieren, daß ein thermisches Gleichgewicht zwischen Wirkleistung und Verlustleistung besteht, und andererseits den Elektrolyseprozess, insbesondere die Faradaysche Leistung, zu optimieren, wobei bekannt ist, daß eine einfache Erhöhung der Badtemperatur um ca. zehn Grad Celsius die Faradaysche Leistung um 1 bis 2% herabsetzen kann, während umgekehrt eine Temperaturerniedrigung des Elektrolyten um ca. zehn Grad Celsius in dem betrachteten Temperaturbereich (ca. 950ºC) die bereits schwache Löslichkeit des Aluminiumoxids im Kryolith reduzieren und einen "Anodeneffekt", d. h. die Anodenpolarisierung begünstigen kann, die von einem plötzlichen Anstieg der Spannung an den Anschlüssen der Zelle und einer Abscheidung großer Mengen fluorhaltiger Stoffe, die aus der Zersetzung des Elektrolyten hervorgehen, begleitet ist.
Diese Messungen der Badtemperatur und -höhe werden manuell von einem Bedienungsmann durchgeführt, der die Tür oder die Zellenabdeckhauben in regelmäßigen Abständen öffnet und in den Elektrolyten einen Temperaturfühler zum Messen der Temperatur und dann einen Stahlstab zum Messen der Höhe und Dicke des Elektrolyten eintaucht. Wegen der sehr starken Aggressivität des Elektrolyten kann nämlich ein permanent eingetauchter Fühler nicht verwendet werden. Diese Vorgehensweise weist eindeutig zahlreiche Nachteile auf, insbesondere hinsichtlich:
- der Abgabe fluorhaltiger Gase an die Umgebung beim Öffnender Tür oder der Zellenabdeckhauben,
- der Arbeitsbedingungen, bei denen der Bedienungsmann diesen Gasausstößen ausgesetzt wird,
- der geringen Zahl dieser schwer durchzuführenden Messungen (1 Messung pro 24 bis 48 Std.), die für eine konsequente und zuverlässige Überwachung der Temperatur und Höhe des Elektrolyten angesichts der neuen Anforderungen, die an die Führung von Hochleistungszellen gestellt werden, nicht ausreichend ist.
Die ältere Technik, selbst die in jüngster Zeit entwickelte Technik, liefert nur unvollständige Lösungsansätze für diese Probleme; sie vernachlässigt dabei vollkommen den Aspekt der Temperaturmessung und empfiehlt für die Höhen- bzw. Dickenmessungen des Elektrolyten Methoden, deren Präzision nach wie vor fragwürdig ist und die darüber hinaus eine individuelle Regelung der Anodenhöhe an den Zellen voraussetzen. So wird in EP 0195143 ein Verfahren zum Messen der Höhe des Elektrolyten in einer Elektrolysezelle beschrieben, bei dem eine der Anoden, die von einem vorgegebenen Strom durchflossen wird, schrittweise angehoben, der Stromabfall in Abhängigkeit von der Vergrößerung des Abstandes zwischen den Polen, also von der Anhebungshöhe gemessen und die Höhe festgehalten wird, bei der der Strom bis zu einem vorbestimmten Bruchteil seines Ausgangswertes abgefallen ist.
Nach erfolgter Eichung kann die Höhe des Elektrolyten abgeleitet werden, indem zu der von der Anode zurückgelegten Strecke der anfängliche Abstand zwischen den Polen und ein Korrekturglied addiert wird.
Diese Methode setzt eine sehr starke Homogenität des Elektrolyten voraus, dessen Resistivität sich jedoch örtlich und zeitlich mit seiner Zusammensetzung und insbesondere dem Gehalt an gelöstem Aluminiumoxid verändert. Darüber hinaus erfordert diese Methode große Bewegungen der Anode, die den Zellenbetrieb stören können, wenn dieser Vorgang zu oft wiederholt wird.
Auch EP 0288397 beschreibt ein Verfahren zur Kontrolle der Zusätze eines erstarrten Schmelzbades in einer Elektrolysezelle, bei dem die Elektrolytdicke HB in regelmäßigen Abständen gemessen, mit einem Sollwert HC verglichen und entsprechend justiert wird. Um HB zu erhalten, muß die Badhöhe bezogen auf einen festen Bezugspunkt in einer Zwischenphase gemessen werden, wobei diese Messung mit Hilfe eines Fühlers durchgeführt wird, der mit einem Füllstandsmesser verbunden und mit einer Spitze versehen ist, welche mit der Kathode der Elektrolysezelle elektrisch verbunden ist. Wenn die Spitze mit der Grenzfläche Luft/Elektrolyt in Kontakt kommt, wird eine starke Zunahme der Potentialdifferenz Spitze/Kathode registriert. Unabhängig davon, daß dieses Verfahren keine detaillierten Angaben zum Ablauf dieser Badhöhen- Zwischenmessung macht (Frequenz, Präzision, Zuverlässigkeit), insbesondere im Hinblick auf die störende Auswirkung des erstarrten Badniederschlages auf die Sonde, behandelt es in keinster Weise das wesentliche Problem der Temperaturmessung des Elektrolyten.
Zusammenfassend läßt sich sagen, daß kein Verfahren und keine Vorrichtung älterer Technik das Problem der präzisen und zuverlässigen Messung der Temperatur und der Höhe des Elektrolyten in Elektrolysezellen zur Aluminiumgewinnung vollständig und zufriedenstellend dahingehend löst, daß auf herkömmliche manuelle Messungen verzichtet werden kann.

Gegenstand der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zu seiner Durchführung ermöglichen es nicht nur, die Nachteile manueller Messungen von Temperatur und Höhe des Elektrolyten zu beseitigen, sie weisen auch eine Reihe neuer Vorteile auf, die sich aus ihrer Automatisierung ergeben, insbesondere
- präzisere Messungen der Temperatur, ±2ºC, (anstatt ±5ºC bei der manuellen Methode) und der Höhe des Elektrolyten, ±5 mm, (anstatt ±10 mm bei der manuellen Methode), verbunden mit einer zuverlässigeren Führung der Elektrolysezellen aufgrund der häufigeren Messungen, die vorzugsweise alle 30 Minuten bis 48 Stunden anstatt alle 24 bis 48 Stunden durchgeführt werden, wodurch anormale Messungen, die insbesondere im Übergangsbetrieb der Zelle auftreten, ausgeschieden werden können.
- Produktivitätssteigerung durch den wegfallenden manuellen Meßplatz verbunden mit einer spürbaren Verbesserung der Arbeitsbedingungen in der Nähe der Zellen durch das Nichtöffnen der Tür bzw. der Abdeckhauben.
Genauer gesagt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen der Temperatur und der Höhe des Elektrolyseschmelzbades oder Elektrolyten in einer Aluminium-Schmelzflußzelle durch Elektrolyse nach dem Hall-Héroult- Verfahren von im Elektrolyten gelöstem Aluminiumoxid, welcher Elektrolyt mit Kohleanoden in Kontakt steht und auf der Flüssigmetallschicht liegt, die auf dem Kathodensubstrat gebildet ist, und dessen mit der Luft in Kontakt stehende Oberfläche im oberen Bereich der Zelle mit einer erstarrten Badkruste bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer geeigneten Vorrichtung, die fest mit dem Oberbau der Zelle verbunden, aber elektrisch davon isoliert ist, und die insbesondere mit Mitteln zum Abstich der erstarrten Badkruste, oder Abstichstangen, und mit Mitteln zum Messen der Temperatur und der Höhe des Elektrolyten versehen ist, in regelmäßigen Abständen und vorzugsweise alle 30 Minuten bis 48 Stunden folgende Arbeitsgänge durchgeführt werden
a) Abstich der erstarrten Badkruste und durch die so erzeugte Öffnung hindurch genügend tiefes Eintauchen des Endes eines Temperaturfühlers in den Elektrolyten, bis eine Temperatur von mindestens 850ºC und vorzugsweise 920ºC erfaßt ist, wobei dann während einer vorbestimmten kürzeren Dauer als die Dauer zur Herstellung des thermischen Gleichgewichtes zwischen Fühler und Elektrolyten der Fühler im Tauchbad verbleibt,
b) Herausziehen des Fühlers und Ermittlung der Temperatur des Elektrolyten nach einem vorbestimmten Rechenprogramm durch Extrapolieren der Temperaturwerte, die vom Fühler oberhalb von 850ºC und vorzugsweise 920ºC erfaßt wurden,
c) nach eventueller Freilegung der vorher erzeugten Öffnung zum Durchführen des Fühlers und nach Beseitigung des erstarrten Badniederschlages auf dem Fühler : Messen der Badhöhe des Elektrolyten in der Zelle ab einem Referenzpunkt durch Aufzeichnung der Potentialänderung zwischen dem kathodischen Substrat und dem Fühler, dessen Position durch ein Potentiometer festgelegt wird und dessen Potential sich schlagartig erhöht, sobald das untere Ende des Fühlers, oder die Spitze, mit dem Elektrolyten in Kontakt kommt,
d) Hochziehen des Fühlers und Berechnung der Badhöhe des Elektrolyten durch den Fühler nach Erfassung der Signale Potential/Position der Fühlerspitze.
Die Erfindung betrifft auch eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, nämlich die Abstich- und Meßvorrichtung, die dazu dazu bestimmt ist, nach Abstich der Kruste auf der Oberfläche des erstarrten Bades die Temperatur und die Badhöhe des Elektrolyten in einer Aluminium- Schmelzflußzelle durch Elektrolyse von im Elektrolyten gelöstem Aluminiumoxid zu messen, wobei die Vorrichtung, die fest mit dem Oberbau der Zelle verbunden, aber elektrisch davon isoliert ist, Mittel zum Abstich der Kruste oder Abstichstangen aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, daß sie mit Mitteln zum Messen der Temperatur und der Badhöhe des Elektrolyten versehen ist, die im wesentlichen aus einem zylinderförmigen Fühler bestehen, welcher sich entlang seiner Hauptachse innerhalb der Abstichmittel vertikal bewegt und dabei diese Temperatur und Badhöhe gemäß einem bestimmten Arbeitsablauf automatisch prüft, und daß die Abstichmittel gleichzeitig die Beseitigung des erstarrten Badniederschlages auf dem Meßfühler gewährleisten.
Die das Verfahren und die Vorrichtung zu seiner Durchführung betreffende Erfindung läßt sich nicht nur auf die Messung der Elektrolythöhe anwenden, sondern auch auf die Messung der Metallhöhe an der Grenzfläche Elektrolyt/Flüssigmetall und damit auf die automatische Bestimmung der Elektrolytdicke HB = HT - HM, wobei HT den Abstand der Elektrolythöhe (Grenzfläche Luft/Elektrolyt) im Vergleich zu einer festen Bezugshöhe und HM den Abstand der Metallhöhe (Grenzfläche Elektrolyt/Flüssigmetall) ebenfalls im Vergleich zu dieser festen Bezugshöhe darstellt. In dieser Anwendung stellt die Erfindung eine andere Weiterbildung des Verfahrens nach EP 0288397 dar, welches bereits im Abschnitt Stand der Technik analysiert wurde.
Die geringe Lebensdauer des Thermoelement-Fühlers aufgrund der sehr starken Aggressivität des Elektrolyten, in dem der Fühler permanent eingetaucht ist, aber auch die Notwendigkeit, die Zahl der Temperaturüberprüfungen, die gleichzeitig mit der Messung der Elektrolythöhe manuell durchgeführt werden, zu erhöhen, haben die Anmelderin dazu geführt, ein automatisches Verfahren zum Messen der Temperatur und der Höhe des Elektrolyten und eine geeignete Vorrichtung zu dessen Durchführung zu entwerfen und zu entwickeln, nachdem festgestellt wurde, daß häufige und sehr präzise Temperaturmessungen durch intermittierendes Eintauchen eines Thermoelement-Fühlers in den Elektrolyten während einer relativ kurzen Zeit, während der das thermische Gleichgewicht zwischen Fühler und Elektrolyt nicht hergestellt werden braucht, dann möglich sind, wenn die Temperaturwerte am Ende seines Temperaturanstiegs korrekt extrapoliert werden können.
Dazu stellte die Anmelderin insbesondere folgendes deutlich heraus
1º) Der Temperaturanstieg des Fühlers auf eine Temperatur zwischen 850 und 1050ºC, welche dem üblichen Arbeitsbereich entspricht, folgt einem Zeitverlaufsgesetz, dessen Asymptote durch Extrapolation der während einer kurzen Zeitperiode erhaltenen Kurve berechnet werden kann.
2º) Es brauchen nur die letzten N Erfassungen des Fühlers, die eine Temperatur größer oder gleich 850ºC und vorzugsweise größer oder gleich 920ºC angeben, berücksichtigt zu werden, um durch Extrapolieren die Gleichgewichtstemperatur oder Temperatur des Elektrolyten zu ermitteln.
3º) Die Zahl N dieser Temperaturerfassungen (N ≥ 10), die in der Regel alle 0,1 bis 60 Sekunden durchgeführt werden, ist beschränkt und somit durch die Ausgangsbedingung des Fühlers oberhalb von 850ºC und vorzugsweise 920ºC definiert, bei der es sich um eine Temperaturanstiegsgeschwindigkeit handelt, die unter einem vorbestimmten Grenzwert liegt, vorzugsweise zwischen 0,1 und 10ºC pro Sekunde.
Erreicht wird dieser Grenzwert in der Regel einige Sekunden bis Minuten bevor der Fühler sein thermisches Gleichgewicht, d. h. die Elektrolyttemperatur erreicht hat. Für eine Temperaturmessung beträgt also die Eintauchdauer des Fühlers im Elektrolyten, dessen Temperatur bei 950ºC liegt, 30 Sekunden bis 30 Minuten, ohne daß seine Temperatur im allgemeinen 940ºC überschreitet.
Diese Temperaturmessungen des Elektrolyten durch Extrapolieren der Gleichgewichtstemperatur des Fühlers konnten durch simultan durchgeführte Temperaturmessungen mittels gleichartiger, bis zu ihrer Zerstörung in der Nähe der Durchführungsöffnung des intermittierenden Tauchfühlers im Elektrolyten eingetauchter Thermoelement-Fühler gültig gemacht werden. So konnten örtliche Verschiedenartigkeiten in der Zusammensetzung und Temperatur des Elektrolyten beseitigt und festgestellt werden, daß die nach den 2 Kontrollverfahren gemessenen Temperaturunterschiede im Bereich von ±2ºC lagen, was in etwa der Präzision entspricht, die man mit korrekt geeichten Thermoelementen erreichen kann.
Im vorliegenden Fall ist anzumerken, daß das erfindungsgemäße Verfahren nicht an eine besondere Extrapolationsmethode zur Ermittlung der Gleichgewichtstemperatur gebunden ist. Es umfaßt auch alle Methoden zur Vorbestimmung der Gleichgewichtstemperatur des Fühlers aus einer kürzeren Verweildauer des Fühlers im Bad als die effektive Dauer zur Herstellung des Gleichgewichts zwischen der Temperatur des Fühlers und der des Elektrolyten.
Zudem sind weitere Merkmale zu berücksichtigen, insbesondere bezüglich der Einsatzbedingungen des Fühlers, um eine präzise und reproduzierbare Temperaturmessung zu erhalten.
- Dabei handelt es sich zunächst um die Eintauchtiefe des Fühlers, die genau zu definieren ist. Es kann nämlich ein großer Fehler begangen werden, der auf die Wärmeverluste durch Leitung und Strahlung längs des Fühlers zurückzuführen ist, da die Temperatur des Meßpunktes (am Fühlerende) immer niedriger ist als die des Elektrolyten im Dauerbetrieb. Die Eintauchtiefe muß mindestens 1 cm betragen.
- Ein weiterer Punkt ist die regelmäßige Reinigung der Außenfläche des Fühlers; dafür sorgt die den Fühler umgebende Abstichstange, deren vertikale Translationsbewegung die Ablösung des erstarrten Badniederschlages bewirkt. Es ist nämlich wichtig, daß das untere Ende des in regelmäßigen Abständen eingetauchten Fühlers von dem erstarrten Badniederschlag auf seiner Außenfläche befreit wird. Dieser Badniederschlag, der sowohl die Dicke als auch die Länge des Fühlers erhöht, kann zum einen die Wärmeaustauschbedingungen zwischen Elektrolyt und Fühler und somit die Temperaturmessung und zum anderen die Detektionsschwelle der Spitze bei ihrem Eintritt in den Elektrolyten und damit die Höhenmessung des Elektrolyten nachteilig verändern.
Zur erhöhten Zuverlässigkeit des Zellenführungsverfahrens tragen auch schließlich die relativ häufigen Temperaturmessungen bei, die vorzugsweise alle 30 Minuten bis 48 Stunden durchgeführt werden, wobei die Möglichkeit besteht, anormale oder einfach nur zweifelhafte Messungen auszuwählen und zu löschen, wenn diese im Verlauf wiederkehrender punktueller Arbeitsgänge realisiert wurden, welche den Gleichgewichtszustand der Zelle vorübergehend verändern.
Diese Auswahl wird vom Steuer- und Regelsystem der an den Rechner angeschlossenen Zelle vorgenommen, welcher nach Freilegung der Öffnung zum Durchführen des Fühlers und Beseitigung des erstarrten Badniederschlages durch Abschaben die Messung der Elektrolythöhe durch Eintauchen der einerseits mit einem Wegaufnehmer und andererseits mit dem Kathodensubstrat verbundenen Spitze freigibt, deren Potentialdifferenz im Vergleich zum Substrat sich schlagartig erhöht, sobald die Spitze mit dem Elektrolyten in Kontakt kommt.
Der Fühler erfaßt bei jeder Messung 2 Signale Position/Potential, die er bezogen auf einen in mm ausgedrückten Bezugspunkt in eine Elektrolythöhe umwandelt. Diese Höhenwerte werden anschließend an das Steuer- und Regelsystem der Zelle übertragen, um die durchschnittliche Höhe des Elektrolyten nach Eliminierung der zweifelhaften oder anormalen Meßwerte zu bestimmen.

Durchführung der Erfindung

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachfolgend ihre Durchführung mittels der geeigneten sog. Abstich -und Meßvorrichtung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Dabei wird gezeigt
- Eine schematische Darstellung der gesamten Abstich- und Meßvorrichtung mit ihren wesentlichen Anschlüssen (Fig. 1).
- Eine längsgeschnittene Darstellung des unteren Teils · der Abstich- und Meßvorrichtung, wobei die Abstichstange hochgestellt und der Fühler eingetaucht (Fig. 2a) bzw. die Abstichstange gesenkt und der Fühler hochgezogen ist (Fig. 2b).
- Verschiedene Montageformen der Abstich- und Meßzylinder (Fig. 3a, 3b, 3c, 3d), die das Gebiet der Erfindung keineswegs auf nur diese Ausführungsarten beschränken.
Die Abstich- und Meßvorrichtung 1 ist dazu bestimmt, nach Abstich der Kruste 2 des erstarrten Bades die Temperatur und die Höhe des Elektrolyten 3 zu messen, der mit den Kohleanoden 4 in Kontakt steht und auf der Flüssigaluminium- oder Metallschicht 5 liegt, die auf dem Kathodensubstrat 6 gebildet ist. Sie ist mit dem Oberbau 7 der Zelle fest verbunden, aber davon elektrisch isoliert und weist Abstichmittel 8 auf, die in ihrem unteren Bereich durch eine hohlzylinderförmige Abstichstange 9 gebildet sind, welche von mindestens einem Zylinder 10 betätigt wird und eine vertikale Translationsbewegung ausführt, um in der Kruste eine Durchführungsöffnung auszubilden und aufrechtzuerhalten, die den Einsatz der Mittel 11 zum Messen der Temperatur und der Höhe des Elektrolyten ermöglichen, welche Mittel im wesentlichen aus einem zylinderförmigen Fühler 12 bestehen. In ihrer vertikalen Translationsbewegung sorgt die Abstichstange 9 gleichzeitig dafür, daß der erstarrte Badniederschlag 18 auf der Außenfläche des Fühlers durch Abschaben beseitigt wird. Diesbezüglich muß der Spielraum zwischen der Abstichstange 9 und dem Fühler 12 gemäß Fig. 2a und 2b ausreichend sein (0,5 bis 20 mm im Radius), um deren reibungslose Relativbewegung zu ermöglichen, er darf jedoch nicht zu groß gewählt werden, um die zunehmende Bildung eines zu starken erstarrten Badniederschlages am unteren Teil des Fühlers 12 zu verhindern.
Die vertikale Bewegung dieses innerhalb der Abstichstange 9 beweglichen Fühlers, die koaxial zur Abstichstangenachse erfolgt, wird von einem Meßzylinder 13 gewährleistet. Durch ein Potentiometer 14 kann die Höhenposition des Fühlers präzise bestimmt werden, während ein Voltmeter 15 gleichzeitig die Potentialdifferenz zwischen dem Fühler 12 und dem Kathodensubstrat 6 mißt. Insbesondere wenn das untere Ende des Fühlers oder die Spitze 20 mit dem Elektrolyten 3 in Kontakt kommt, nimmt ein Füllstandssensor 16 bei jeder Abwärts- und Aufwärtsbewegung des Fühlers die Erfassung von 2 Signalen vor und ermittelt die Höhe der Grenzfläche Elektrolyt/Luft, die an das Steuer- und Regelsystem 17 übertragen wird.
Der Fühler 12 besteht aus einer zylinderförmigen Außenummantelung 22, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, mit einer Länge von 100 bis 600 mm, einem Außendurchmesser von 7 bis 100 mm und einer Wanddicke von maximal 40 mm und vorzugsweise 2 bis 10 mm, um die Wärmeverluste zu verringern. In der zentralen Vertiefung ist ein Thermoelement 21 in seiner Hülse 19 vorgesehen. Dieses Thermoelement ist in seinem oberen Bereich mit dem Steuer- und Regelsystem 17 elektrisch verbunden, das durch Extrapolieren der Temperaturwerte des Fühlers die Temperatur des Elektrolyten bestimmt.
Es wurden mehrere Varianten der Abstichvorrichtung entwickelt und in den Fig. 3a, 3b, 3c und 3d dargestellt; sie können jedoch keineswegs als Beschränkung der Erfindung auf nur diese Ausgestaltungen betrachtet werden.
So wurde in der Ausgestaltung nach Fig. 3a der Meßzylinder mit durchdringendem Schaft zur Bewegung des Fühlers 12 durch einen einfachen Zylinder ersetzt, mit dem die Höhe der Abstich- und Meßvorrichtung reduziert und die Leistung der Meßbewegung erhöht werden kann.
In der Ausgestaltung nach Fig. 3b wird nur ein mittiger Zylinder 10 zum Abstechen und ein außermittiger Zylinder 13 zum Messen verwendet (oder umgekehrt ein mittiger Zylinder zum Messen und ein außenmittiger Zylinder zum Abstechen). Dadurch wird vorteilhafterweise die Zahl der Zylinder und somit der Kostenaufwand und vor allem die Bauhöhe und -breite reduziert.
In der Ausgestaltung nach Fig. 3c kann schließlich durch die Verwendung eines einzigen Mehrzweckzylinders 13, 10 zur Bewegung der Abstichstange und des Fühlers, der mit einem Mechanismus 23 zur Verriegelung der Abstichstange versehen ist, der Kostenaufwand für die Zylinder und die Bauhöhe und -breite reduziert und gleichzeitig die Bewegungsleistung des Fühlers erhöht werden.
Durch die vereinfachte Ausgestaltung nach Fig. 3d, bei der die Abstichfunktion zum Erzeugen einer Öffnung in der Kruste des erstarrten Bades durch einen festhaftenden Schutz 9' ersetzt ist, der sicherstellt, daß ein Loch in der Kruste dauerhaft bestehen bleibt, wird die Abstich- und Meßvorrichtung mit nur einem Meßzylinder 13 vereinfacht.
Nachdem nun diese Strukturmerkmale erläutert wurden, wird die Abstich- und Meßvorrichtung 1 zur Bestimmung der Temperatur und der Höhe des Elektrolyten 3 in regelmäßigen Abständen, in der Regel alle 30 Minuten bis 48 Stunden, folgendermaßen für die Führung der Aluminium-Schmelzflußzellen eingesetzt
- Über die Zylinder 10 wird die Abstichstange 9 zwecks Erzeugung bzw. Freilegung des bereits in der Kruste 2 gebildeten Lochs bis auf die Höhe des erstarrten Bades abgesenkt und dann nach 1 bis 5 Sekunden wieder nach oben geführt.
- Der hochgestellte Fühler 12, dessen unteres Ende 20 mindestens 50 cm von der Elektrolytoberfläche entfernt ist, wird dann durch den Zylinder 13 abgesenkt, bis die gewünschte Eintauchtiefe des unteren Endes oder der Spitze 20, vorzugsweise 8 bis 16 cm, erreicht ist.
Die Verweildauer des Fühlers im Elektrolyten, dessen Temperatur je nach Zusammensetzung bei ca. 950ºC liegt, entspricht der Zeit, in der der Fühler die Temperatur von mindestens 850ºC und vorzugsweise 920ºC erfaßt, zuzüglich der Zeit, die notwendig ist, um ab dieser Temperatur eine sehr geringe Aufheizgeschwindigkeit des Fühlers zu erreichen, z. B. weniger als 3ºC/Sekunde.
Sobald diese Schwelle erreicht ist, wird der Fühler in seine Ausgangsstellung hochgezogen, und die vom Thermoelement 21 nacheinander gemessenen Temperaturwerte werden an das Steuer- und Regelsystem 17 übertragen, das aus den N verschiedenen Temperatur/Zeit-Wertepaaren (ti, Ti) durch Extrapolieren die Temperatur Tb des Elektrolyten bestimmt.
Um die Höhe des Elektrolyten zu messen, wird die Abstichstange 9 aus Sicherheitsgründen zunächst abgesenkt, um die Reinigung und die Fühlerdurchführung 12 sicherzustellen, und dann wieder hochgefahren, wodurch der Meßablauf zur Bestimmung der Elektrolythöhe eingeleitet wird. Bei diesem Meßablauf wird vom Füllstandssensor 16 sowohl das Potential des Fühlers 12 im Vergleich zum Kathodensubstrat 6 als auch das Signal des Potentiometers 14 erfaßt.
Beim Absenken des Fühlers 12 erhöht sich das Potential schlagartig im Vergleich zur Kathode 6, sobald die Spitze 20 mit dem Bad 3 in Kontakt kommt, und fällt dann wieder ab, wenn diese Spitze beim Hochfahren des Fühlers, nach einer Eintauchzeit von vorzugsweise höchstens 20 Sekunden, den Elektrolyten verläßt. Diese Potentialschwankungen werden vom Füllstandssensor aufgezeichnet, der den Zeitpunkt des Eintauchens des Fühlers in den Elektrolyten präzise bestimmt und nach Filterung und Glättung der Aufzeichnungskurve zur Beseitigung der Störeffekte, die die Signale des Potentiometers und der Spitze beeinträchtigen können, die Elektrolytdicke berechnet. Der so berechnete Wert wird dann an das Steuer- und Regelsystem 17 übertragen.

Vorteile und Anwendungen der Erfindung

Abgesehen davon, daß mit einem Fühler ohne manuellen Eingriff und ohne Verschmutzungsgefahr mehr als 2000 Temperaturmessungen bei ±2ºC durchgeführt werden können, und dies mit einer erhöhten Führungssicherheit der Zellen infolge der häufigeren Temperatur- und Höhenmessungen und der Wahl des Zeitpunktes dieser Messungen außerhalb der Übergangsbetriebsperioden der Elektrolysezellen, kann man das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung auch für die Messung der Grenzflächenhöhe zwischen Elektrolyt und Metall verwenden. Man kann nämlich in gleicher Weise durch Absenken des Fühlers bis in die Metallschicht eine neue Potentialveränderung zwischen dem Kathodensubstrat und der Fühlerspitze registrieren, wenn diese die Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Metall durchdringt. Diese Veränderung äußert sich in einer starken Abnahme der Potentialdifferenz zwischen Fühler/Metall und Kathode im Vergleich zur vorher registrierten Potentialdifferenz zwischen Fühler/Elektrolyt und Kathode, was auf die spürbare Widerstandsverringerung des neuen Mediums zurückzuführen ist.
So kann man vom gleichen Ansatzpunkt ausgehend durch 2 aufeinderfolgende Meßreihen zur Bestimmung der Elektrolythöhe und zur Bestimmung der Metallhöhe die durchschnittliche Elektrolythöhe HT und die durchschnittliche Metallhöhe HM schnell berechnen und daraus die Dicke HB = HT - HM des Elektrolyten ableiten, dessen Volumen durch Zugabe von festem zerkleinertem Elektrolysebad oder durch Entnahme des Elektrolyten präzise reguliert werden soll. Diese Bestimmungsart der Elektrolytdicke ist eindeutig schneller als die, die in EP 0288397 empfohlen wird, bei der die Metallhöhe indirekt aus der schlecht definierten Anodenebene und der Abnutzungsgeschwindigkeit der Anoden bestimmt wird. In dieser Hinsicht stellt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung auf die Dickenmessung des Elektrolyten im Hinblick auf seine Regulierung sowohl eine Ergänzung als auch eine Weiterbildung des Verfahrens nach EP 0288397 dar.

Claims

1. Verfahren zum Messen der Temperatur und der Höhe des Elektrolyseschmelzbades oder Elektrolyten in einer Aluminium-Schmelzflußzelle durch Elektrolyse nach dem Hall-Hérouft-Verfahren von im Elektrolyten gelöstem Aluminiumoxid, welcher Elektrolyt mit den Kohleanoden in Kontakt steht und auf der Flüssigmetallschicht liegt, die auf dem Kathodensubstrat gebildet ist, und dessen mit der Luft in Kontakt stehende Oberfläche im oberen Bereich der Zelle mit einer erstarrten Badkruste bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer geeigneten Vorrichtung, die fest mit dem Oberbau der Zelle verbunden, aber elektrisch davon isoliert ist, und die insbesondere mit Mitteln zum Abstich der erstarrten Badkruste, oder Abstichstangen, und mit Mitteln zum Messen der Temperatur und der Höhe des Elektrolyten versehen ist, folgende Arbeitsgänge in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden:

a) Abstich der erstarrten Badkruste und durch die so erzeugte Öffnung hindurch genügend tiefes Eintauchen des Endes eines Temperaturfühlers in den Elektrolyten, bis eine Temperatur von mindestens 850ºC und vorzugsweise 920ºC erfaßt ist, wobei dann ab dieser Temperatur und während einer kürzeren Dauer als die Dauer zur Herstellung des thermischen Gleichgewichtes zwischen Fühler und Elektrolyten der Fühler im Tauchbad verbleibt,

b) Herausziehen des Fühlers und Ermittlung der Temperatur des Elektrolyten nach einem vorbestimmten Rechenprogramm durch Extrapolieren der Temperaturwerte, die vom Fühler oberhalb von 850ºC und vorzugsweise 920ºC erfaßt wurden,

c) nach eventueller Freilegung der vorher erzeugten Öffnung zum Durchführen des Fühlers und nach Beseitigung des erstarrten Badniederschlages auf dem Fühler : Messen der Badhöhe des Elektrolyten in der Zelle ab einem Referenzpunkt durch Aufzeichnung der Potentialänderung zwischen dem kathodischen Substrat und dem Fühler, dessen Position durch ein Potentiometer festgelegt wird und dessen Potential sich schlagartig erhöht, sobald das untere Ende des Fühlers, oder die Spitze, mit dem Elektrolyten in Kontakt kommt,

d) Hochziehen des Fühlers und Berechnung der Badhöhe des Elektrolyten durch den Fühler nach Erfassung der Signale Potential/Position der Fühlerspitze.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsgänge zum Messen der Temperatur und der Badhöhe des Elektrolyten in regelmäßigen Abständen von 30 Minuten bis 48 Stunden durchgeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweildauer des Fühlers im Elektrolyten oberhalb von 850ºC und vorzugsweise 920ºC durch die Ausgangsbedingung des Fühlers definiert ist, bei der es sich um eine Temperaturanstiegsgeschwindigkeit handelt, die unter einem vorbestimmten Grenzwert liegt, vorzugsweise 0,1 bis 10ºC pro Sekunde.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler bei einer Temperaturmessung während einer Gesamtdauer von 30 Sekunden bis 30 Minuten in den Elektrolyten getaucht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Fühlers mindestens 1 cm und vorzugsweise 8 bis 16 cm tief in den Elektrolyten getaucht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erstarrte Badniederschlag auf der Außenfläche des Fühlers regelmäßig mit Hilfe der Abstichstange unter vertikaler Translationsbewegung abgelöst wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlerende oder die Fühlerspitze bei jeder Messung der Badhöhe während einer vorzugsweise 20 Sekunden nicht überschreitenden Dauer in den Elektrolyten getaucht wird.

8. Abstich- und Meßvorrichtung (1), die dazu bestimmt ist, nach Abstich der Kruste (2) auf der Oberfläche des erstarrten Bades die Temperatur und die Badhöhe des Elektrolyten (3) in einer Aluminium-Schmelzflußzelle durch Elektrolyse von im Elektrolyten gelöstem Aluminiumoxid zu messen, wobei die Vorrichtung, die fest mit dem Oberbau (7) der Zelle verbunden, aber elektrisch davon isoliert ist, Mittel zum Abstich der Kruste oder Abstichstangen (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Mitteln (11) zum Messen der Temperatur und der Badhöhe des Elektrolyten (3) versehen ist, die im wesentlichen aus einem zylinderförmigen Fühler (12) bestehen, welcher sich entlang seiner Hauptachse innerhalb der Abstichmittel (8) vertikal bewegt und dabei diese Temperatur und Badhöhe gemäß einem bestimmten Arbeitsablauf automatisch prüft, und daß die Abstichmittel gleichzeitig die Beseitigung des erstarrten Badniederschlages (18) auf dem Meßfühler gewährleisten.

9. Abstich- und Meßvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstichmittel (8) in ihrem unteren Bereich durch eine hohlzylinderförmige Abstichstange (9) gebildet sind, welche von mindestens einem Abstichzylinder (10) betätigt wird und eine vertikale Translationsbewegung ausführt.

10. Abstich- und Meßvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (11) zum Messen der Temperatur und der Badhöhe des Elektrolyten im wesentlichen aus einem innerhalb der Abstichstange (9) beweglichen zylinderförmigen Fühler (12) bestehen, dessen vertikale Bewegung koaxial zur Abstichstangenachse durch einen Meßzylinder (13) gewährleistet ist.

11. Abstich- und Meßvorrichtung nach Anspruch 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Potentiometer (14) fest am Schaft des Zylinders (13) befestigt ist, um die Position des Fühlers (12) festzulegen.

12. Abstich- und Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Voltmeter (15) die Potentialdifferenz zwischen dem Fühler (12) und dem Kathodensubstrat (6) mißt.

13. Abstich- und Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 10, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Voltmeter (15) und dem Potentiometer elektrisch verbundener Füllstandssensor (16) die Erfassung der Signale Potential/Position des Fühlers vornimmt und bei jeder Abwärts- und Aufwärtsbewegung des Fühlers die Grenzflächenhöhe zwischen Luft und Elektrolyten oder die Höhe des Elektrolyten ermittelt.

14. Abstich- und Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 10, 11, 12, 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (12) aus einer zylinderförmigen Außenummantelung (22) mit einer Länge von 100 bis 600 mm, einem Außendurchmesser von 7 bis 100 mm und einer Wanddicke von weniger als 40 mm besteht.

15. Abstich- und Meßvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zylinderförmige Außenummantelung (22) des Fühlers (12) eine Wanddicke von vorzugsweise 2 bis 10 mm besitzt.

16. Abstich- und Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 10, 11, 12, 13, 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zylinderförmige Ummantelung (22) in ihrer Hülse (19) ein Thermoelement (21) enthält, welches in seinem oberen Bereich mit dem Steuer- und Regelsystem (17) elektrisch verbunden ist.

17. Abstich- und Meßvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Spielraum zwischen der Abstichstange (9) und dem zylinderförmigen Fühler (12) im Radius 0,5 bis 20 mm beträgt.

18. Abstich- und Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßzylinder (13) mittig angeordnet ist und vorzugsweise einen durchdringenden Schaft aufweist.

19. Abstich- und Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßzylinder (13) außermittig und der einzige Abstichzylinder (10) mittig angeordnet ist.

20. Abstich- und Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen einzigen Mehrzweckzylinder (13 oder 10) zum Messen und Abstechen aufweist.

21. Abstich- und Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßzylinder (13) mittig angeordnet ist und die Abstichmittel (8) zum Erzeugen einer Öffnung in der Kruste (2) durch einen festhaftenden Dauerschutz (9') gebildet sind.

22. Anwendung des Verfahrens zum Messen der Badhöhe des Elektrolyten nach Anspruch 1 bis 7 auf das Messen der Flüssigmetallhöhe in der Elektrolysezelle.

23. Anwendung des Verfahrens zum Messen der Badhöhe des Elektrolyten und des Metalls nach Anspruch 1 bis 7 und 22 auf die Dickenbestimmung des Elektrolyten durch Differenzbildung zwischen der gemessenen Höhe des Elektrolyten und der gemessenen Höhe des Metalls.