NO138606B - Fremgangsmaate ved uttapping av aluminium fra en elektrolysecelle for aluminiumfremstilling - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte ved uttapping av aluminium fra en elektrolysecelle for aluminiumfremstilling.

Description

For utvinning av aluminium ved elektrolyse av aluminiumoksyd (A1^ _0 3, Bauxitt) blir denne oppløst i en fluoridsmelte, som hovedsakelig består av kryolitt, Na-AIF^. Denne smelte er inne-sluttet i en celle, hvis innervegger utgjøres av amorft karbon. Ned i smeiten er det ovenfra neddykket anoder av amorft karbon. Det katodisk utskilte aluminium samler seg i flytende tilstand under fluoridsmelten på bunnen av cellen. Ved anoden oppstår det på grunn av den elektrolyttiske spaltning av aluminiumoksyd, oksygen som forbinder, seg med anodens karbon til CO dg C02. Elektrolysen finner sted i et temperaturområde på omtrent 940 til 975°C.

Virkemåten for en aluminium-elektrolysecelle med forut innbrente anoder vil fremgå av fig. 1, som skjematisk viser et vertikal-snitt i lengderetningen gjennom en del av en elektrolysecelle. Stålkaret 12, som er foret med en termisk isolasjon 13 av varme-bestandig og varmeoppdemmende material, f.eks. Chamotte samt med et lag karbon 11, inneslutter fluoridsmelten 10 (elektrolytten) . Det katodisk utskilte aluminium 14 legger seg på cellens karbonbunn 15. Overflaten 16 av det flytende alumium ut-gjør herunder cellens katodeside. I karbonforingen 11 er det (i dette tilfellet på tvers av cellens lengderetning) innlagt jernstenger 17, som fører den elektriske likestrøm sideveis ut fra cellens karbonforing 11. I fluoridsmelten 10 ér det. ovenfra neddykkes anoder 18 av amorft.karbon, som fører likestrøm til elektrolytten. Anodene ér over strømledersténger og gjennom låseinnretninger 20 fast forbundet med anodebjelken 21. Denne anodebjelke kan bestå av en eller flere strømskinner.

Strømmen flyter fra katodestengene 17 i en første celle til anodebjelken 21 i den påfølgende celle gjennom konvensjonelle, ikke inntegnede strømskinner. Fra anodebjelken 21 passerer strømmen gjennom strømlederstengene 19, anoden 18, elektrolytten 10, det flytende aluminium 14 og karbonforingen 11 til katodestengene 17. Elektrolytten 10 er dekket av én skorpe 22 av størknet smelte og et aluminiumoksydskikt ovenpå denne. Mellom elektrolytten 10 og den størknede skorpe 22 oppstår

det under drift et hulrom 25. Langs sideveggene av karbonforingen 11 danner det seg likeledes en skorpe av størknet elektrolytt i form av et randskikt 24. Tykkelsen av randskiktet 24 er medbestemmende for den horisontale utstrekning

av badet av flytende aluminium 14 og elektrolytten 10. Ved stigende temperatur avtar vanligvis tykkelsen av randskiktét 24, mens det tiltar ved fallende temperatur.

Den midlere avstand d fra anodens undersider 26 til overflaten 16 av flytende aluminium, og som også kalles interpolarav-standen, kan forandres ved hevning og senkning av anodebjelken 21 ved hjelp av løfteverket 27, som er montert på søyler 28. Dette virker på alle anoder. Hver anode kan imidlertid inn-reguleres separat ved hevning eller senkning, idet vedkommende låseorgan 2 0 åpnes, strømlederstangen 19 forskyves i forhold til anodebjelken 21 og låseorganet 20 til slutt trekkes til på nytt.. Som en følge av angrep fra det frigjorte oksygen under elektrolyseprosessen, forbrukes anodene på sin underside kontinuerlig med ca. 1.5 til 2 cm pr. dag (anodeavbrenning), alt etter celletypen, og samtidig stiger nivået av flytende aluminium 14 i omtrent samme grad som en følge av at det utskilles aluminium på katodesiden.

Når en anode er forbrukt, må den utskiftes med en ny. I praksis drives imidlertid cellen vanligvis slik at cellens anoder noen dager etter igangsetning ikke lenger oppviser samme -avbrennings-grad, og forbrukte anoder derfor må utveksles separat over et tidsrom på flere uker. Av denne grunn vil det vanligvis fore-ligge anoder med forskjellig driftsalder i en og samme celle, hvilket også vil fremgå av fig. 1.

Den horisontalflate som opptar samtlige anodeundersider.i en celle, kalles anodebordet.

Driftsprinsippet for en aluminium-elektrolysecelie med selv-aVbrennende anode (Søderberg-anode) er det samme som for en aluminium-elektrolysecelie med forut innbrente anoder.

I stedet for forut innbrente anoder kan det anvendes anoder

som ut fra fersk elektrodemasse i en stålmantel kontinuerlig innbrennes ved hjelp av cellevarmen under elektrolyseprosessen. Likestrøm tilføres.herunder gjennom stålbolter på anodesiden eller ovenfra gjennom vertikale stålbolter. Disse anoder opp-rettholdes ved innrysting av fersk elektrodemasse i stålkappen etter behov.

Ved gjennombrudd av den øvre elektrolyttskorpe 22 (den størknede badoverflate) kan det aluminiumoksyd 23 som befinner seg på skorpen, bringes ned i elektrolytten. Denne arbeidsoperasjon kalles for cellebetjening. I løpet av elektrolyseprosessen utarmes elektrolytten for aluminiumoksyd. Ved en nedre konsentrasjon på f.eks. 1 til 1.5% aluminiumoksyd i elektrolytten fremkommer det en såkalt anodeeffekt, som gir seg til kjenne ved en plutselig forhøyning av cellespenningen fra normalt 4-4.5 volt til f.eks. 20 volt og mer. Senest ved dette tilfellet må skorpen gjennomslås for hevning av A^O^-konsentrasjonen ved tilførsel av nytt aluminiumoksyd.

Cellen betjenés vanligvis periodisk under normal drift, også

når ingen anodeeffekt opptrer. Disse cellebetjeninger vil i det følgende bli betegnet som "normale cellebetjeninger".

De finner f.eks. sted hver annen til sjette time. Utover dette må, som ovenfor angitt, skorpen gjennombrytes ved hver oppstått anodeeffekt, således at A^O^-konsentrasjonen kan heves ved tilførsel av nytt A^O^,. hvilket også tilsvarer en cellebetjening. Under drift står således en anodeeffekt alltid i forbindelse med en cellebetjening, som man i motsetnina til en normal cellebetjening kan betegne som en "anodeeffektbetjening". Det elektrolyttisk frembragte aluminium 14, som samler seg på karbonbunnen 15 i cellen, tappes ut vanligvis en gang om dagen,.f.eks. ved hjelp av konvensjonelle sugeanordninger, hvorved nivået.av flytende aluminium 14 tilbakeføres til en optimal verdi for den foreliggende celletype. Denne verdi tilsvarer det ønskede metallnivå. Uttagning av det frembragte metall kalles også uttapping.

En karakteristisk verdi ved drift av en celle er cellens elektriske grunnspenning. Denne fastlegges for hyer celle under hensyntagen til cellens alder, tilstanden av karbonforingen.il, sammensetningen av smelteelektrolytten 10,samt cellestrømmens styrke og strømtetthet. For fastleggelse av grunnspenningen tas det dessuten også hensyn til den horisontale utstrekning av . katodeoverflaten 16., som påvirkes av tykkelsen av randskiktet 24.

På grunnlag av grunnspenningen kan også cellens grunnmotstand utledes ved hjelp.av følgende ligning.

hvor Rq er den ohmske grunnmotstand i Ohm, UQ grunnspenningen i volt, 1.65 er cellens EMK i volt og I den foreliggende strøm-styrkeverdi i ampere.

Den korrekte verdi av grunnspenningen tilsvarer en optimal inter-polaravstarid. Hvis cellen drives slik at den horisontale utstrekning av katodeoverflaten 16 forblir uforandret, vil vanligvis nivåstigningen av det flytende aluminium på.karbon bunnen tilsvare'avbrenningen på udersiden av anodene. Hvis man i dette tilfelle vil tappe ut metallet i cellen til det ønskede høydenivå, så er det tilstrekkelig å tappe ut nettopp så meget flytende metall som tilsvarer anodeavbrenningen. I praksis er den virkelige interpolaravstand tidvis, f.eks. ' mellom to uttapninger,, større eller mindre enn den optimale interpolaravstand. Disse avvik har hovedsakelig sin årsak i uregelmessig stigning av overflatenivået av det flytende aluminium på karbonbunnen, uregelmessig avbrenning av anodens undersider samt forandring av den horisontale utstrekning av katodeoverflaten 16 som en følge av forandret tykkelse for randskiktet 24. Hvis man i dette tilfellet tapper ut metall

fra en celle i en grad som akkurat tilsvarer anodeavbrenningen, oppnås ikke det optimale metallnivå i cellen, men en uttapping av cellen i for stor eller for liten grad, hvilket betyr for sterk eller for svak avtapning.

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for avtapning av aluminium

i samsvar med en forutgående automatisk bestemmelse av den metall-høyde som skal uttappes fra en celle for elektrolytisk utvinning av aluminium.

Oppfinnelsens fremgangsmåte tillater, under hensyntagning til randskiktets varierende tykkelse, anodeavbrenningen, den varierende interpolaravstand samt det ønskede metallnivå, å bestemme den metallhøyde som må uttappes for å gi cellen til det optimale metallnivå.

Oppfinnelsens fremgangsmåte for uttapning av aluminium fra en elektrolysecelle for aluminiumfremstilling ved elektrolyse av aluminiumoksyd oppløst.i en fluoridsmelte, hår" som særtrekk følgende prosesstrinn utført i rekkefølge: a) Momentanverdien av den ohmske cellemotstand beregnes med jevne tidsmellomrom^iomentanverdiene utjevnes over en bestemt tidsperiode og differansen mellom denne utjevnede motstandsverdi og en fastlagt grunnmotstand for hver celle beregnes, b) så snart 30 - 60 minutter etter en normal cellebetjening nevnte differens overskrider en forut bestemt grenseverdi for hver celle, heves eller senkes anodebjelken for tilpassing av den foreliggende motstandsverdi til den ohmske grunnmotstand^ c) forskjellen Z^B i anodebjelkens høydestilling utledes av to høydebestemmelser, hvorav den første foretas 30 -' 60 minutter etter den nærmest påfølgende cellebetjening etter en uttapning, og den annen foretas 30 - 60 minutter etter den siste normale cellebetjening før den neste uttapning, og d) den metallhøyde H (i mm) som skal uttappes, beregnes etter ligningen: der I er den midlere cellestrøm i kiloamper, t er den tid i timer som har gått mellom de påfølgende uttapninger, og f er en propors jonealitetsfaktor ( —) e) den beregnede metallhøyde ut frå den angitte ligning, uttappes.

De jevne tidsmellomrom som.(.sr angitt under a) , kan ligger mellom 2 sekunder og 5 minutter. I praksis har det vist seg fordelaktig med tidsmellomrom fra 10 sekunder til 1 minutt.

Den bestemte tidsperiode, som likeledes er nevnt under a), kan ligge mellom 10 minutter og 1 time. I praksis kan det med fordel velges en verdi på 10 minutter.

Oppfinnelsens fremgangsmåte kan anvendes så vel. ved en' enkelt celle som ved flere seriekoblede celler.

I det følgende skal en fordelaktig utførelse av oppfinnelsens fremgangsmåte bli beskrevet.

Fra en regnemaskin avfø.les med regelmessige mellomrom, f.eks. hvert tiende til sekstiende sekund, cellespenningen U og.cellens likestrøm I, og på. dette grunnlag beregnes cellens foreliggende motstand RmQ på grunnlag av ligningen:

hvor R er momentanverdien av den ohmske cellemotstand i Ohm,

mo

U er den momentane cellespenning i volt, 1.65 representerer cellens EMK i volt og I cellens likestrømsstyrke i ampere.

Samtidig avleser regnemaskinen, f.eks. ved hjelp av et potensiometer anbragt på anodebjelken, høydestillingen av cellens anodebjelke. Verdiene I, U og verdiene av anodebjelkens høydestilling innføres i regnemaskinen. De utregnede verdier for RmQ i regnemaskinen jevnes ut over en viss tidsperiode, f.eks.

10 minutter, og sammenlignes med jevne tidsmellomrom, f.eks. hvert tiende eller femtende minutt, med cellens grunnmotstand RQ-

Hvis regnemaskinen fastslår en differanse mellom den utjevnede verdi og R , og denne verdi overskrider en grenseverdi som på forhånd er innskrevet i regnemaskinen, så vil det utgå et ordre-signal fra regnemaskinen.om hevning eller senkning av anodebjelken, til cellens grunnmotstand atter er oppnådd. Verdiene av anodebjelkens høyde-stilling avleses av regnemaskinen ved hjelp av nevnte potensiometer før og etter hver sådan bevegelse hvoretter disse verdier innføres i regnemaskinen.

En celleregulering av denne art hat den fordel at reguleringen av cellemotstanden til den forut.fastlagte grunnmotstand, f.eks. minst 30 og høyst 60 minutter etter en normal betjening, sikrer at den. optimale, midlere interpolaravstand er oppnådd, og utgjør en forutsetning for den del av oppfinnelsens fremgangsmåte som vil bli beskrevet i det følgende.

Den metallhøyde som slra.1 uttappes fra. cellen, fastlegges på grunnlav av ligningen:

H er uttapningshøyden for cellen i millimeter, I er cellens midlere likestrøm i kiloampere, t tiden i timer mellom to påfølgende uttapninger, mens f er en proporsjonalitetsfaktor med dimensjon mm , og står for omregning av kileamper-kA • h

timer til millimeter anodeavbrenning. For f kan det vanligvis innsettes verdier fra 0.0056 til 0.0063.^B i millimeter angir

differansen mellom to høydestillinger for anodebjelken.

For beregning av differans enAB i anodebjelkens høydstilling utledes følgende to verdier av høydestillingen. Den første bestemmelse av høydestillingen foretas 30 til 60 minutter etter den nærmest påfølgende cellebetjening etter en uttapning, mens den annen høydebestemmelse foretas 30 til 60 minutter etter den siste normale cellebetjening før den neste uttapning. Tidspunktene for bestemmelse av høydestillingene behøver ikke

å foretas i samme tidsavstand fra sin tilhørende normalnetjening.

v- Ut fra disse to verdier fastlegges så dif f eransen B.

Fig. 2 anskueliggjør i et diagram disse bestemmelser av anode-bj_elkens høydestillinger. Henvisningstallet 50 betegner tidspunktet for en første uttapning, mens 51 betegner tidspunktet for den nærmest påfølgende normale cellebetjening. Ved tidspunktet 52, som ligger 30 til 60 minutter etter den første normale cellebetjening 51 foretas den første bestemmelse av anodebjelkens høydestilling. Ved 53 følger så dén neste uttapning. Ved tidspunktet 54 finner så den siste normale cellebetjening før uttapningen 53 sted. Ved tidspunktet 55 som ligger 30 til 60 minutter etter den normale cellebetjening 54,

foretas den annen bestemmelse av anodebjeikens høydestilling. Mellom tidspunktene 52 og 54 kan det ligge ytterligere normale cellebetjeninger eller anodeeffektbetjeninger. (ikke angitt i fig. 2).

Det bør beaktes at den motstandsverdi (R i Ohm) for cellen

mo

som innstilles 30 til 60 minutter etter en normalbetjening ved forskyvning av anodebjelken, ikke får avvike med mer enn ca. 1 • 10 Ohm fra grunnmotstanden (R i Ohm). Denne inn-skrenkning er nødvendig, da avviket av den virkelige interpolaravstand fra den optimale interpolaravstand ved over-skridelse av.den nevnte grenseverdi på - 1 • 10 Ohm ikke lenger kan settes ut av betraktning. Hvis grenseverdien ved tidspunktet for bestemmelse av anodebjelkens høydestilling ikke er overskredet, kan det dermed regnes med at de to høydebestemmelser er foretatt ved tilnærmet samme interpolaravstand. Bestemmelse av anodebjelkens høydestilling innenfor de nevnte bestemte tidsintervaller etter en normal betjening av cellen er viktig av den grunn av bauxitt-konsentrasjonen i en celle oppnår sin maksimale verdi under dette tidsavsnitt. Under denne tid er bauxitt-konsentrasjonens påvirkning av cellespenningen uten praktisk betydning.

Leddet Z\b i formelen H = I m -t. f +Z^B tar hensy Jn til forand-ringer av cellens randskikts—tykkelse. Alle andre verdier av A B angir en viss forandring av randskiktes tykkelse, som det således tas hensyn til ved bestemmelse av den metallhøyde som skal uttappes, i henhold til ovenfor angitte formel.

Opptrer det en anodeeffekt under den første bestemmelse av anodebjelkens høydestilling, og/eller hvis det samtidig foretas en uttapping, og/eller hvis cellen samtidig er utsatt for en påvirkning som forstyrrer høydebestemmelsen (f.eks. uavsiktlige bevegelser av anodebjelken) bør ikke denne bestemmelse av høyde-stillingen anvendes for dannelse av differansen Z^B. I dette tilfellet settes enten Ab vilkårlig lik null, eller også foretas høydebestemmelsen for anodebjelken 30 til 60 minutter etter . den nærmest påfølgende normalbetjening.

Hvis det under den annen bestemmelse av anodebjelkens høyde-stilling opptrer en anodeeffekt, og/eller hvis uttapning skal foretas ved dette tidspunkt, og/eller hvis det samtidig opptrer en cellepåvirkning som forstyrrer høydebestemmelsen, bør ikke denne verdi benyttes for differansebestemmelsen. /Vb settes i dette tilfellet vilkårlig lik null, eller det benyttes den høydestilling som er avlest og overført til regnemaskinen 30 til 60 minutter etter den nærmest forutgående normalbetjening. Når den metallhøyde som skal uttappes er utledet i henhold til oppfinnelsen, foretas uttapningen.

Uttapningens nøyaktighet avhenger av den foreliggende utrustning. For å øke uttapningens nøyaktighet kan f.eks. konvensjonelle sugeanordninger styres av en regnemaskin og herunder setter regnemaskinen igang uttapningsprosessen, kontrollerer den metall-høyde som skal uttappes, f.eks. ved samtidig senkning av anodebjelken under bibehold av konstant Ohmsk motstand i cellen, og

avbryter tappeprosessen så snart den bestemte uttapningshøyde

•i henhold til oppfinnelsen er tappet ut.

Fordelene ved oppfinnelsens fremgangsmåte ligger i at den

metallhøyde som skal tappas ut, frembringes automatisk, og at denne bestemmelse gir mer nøyaktige resultater enn kjente tiltak i henhold til teknikkens nåværende stilling. Hvis det alltid uttappes metallhøyder i henhold til oppfinnelsens beregninger,

oppnås et jevnt uttapningsforløp, hvorved en overuttapning

eller underuttapning av cellen stort sett unngås. Ved dette sikres en regelmessig celledrift, som vil bidra til forbedret strømutbytte og nedsatt elektrisk energiforbruk.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte ved uttapping av aluminium fra en elektrolysecelle for aluminiumfremstilling ved elektrolyse av aluminiumoksyd oppløst i en fluoridsmelte, karakterisert ved følgende prosesstrinn:

a) momentanverdien av den ohmske cellemotstand beregnes med jevne tidsmellomrom, momentanverdiene utjevnes over en bestemt tidsperiode og differansen mellom denne utjevnede motstandsverdi og en fastlagt grunnmotstand for hver celle beregnes, b) . såsnart nevnte differens 30 til 60 minutter etter en normal cellebetjening overskrider en forut bestemt grenseverdi for hver celle, heves eller senkes anodebjelken for tilpasning av den momentane motstandsverdi til den ohmske grunnmotstand, c) forskjellen B i anodebjelkens høydestilling utledes av to høydebestemmelser, hvorav den første foretas 30 til 60 minutter etter den nærmest påfølgende cellebetjening etter en uttapping, og den annen foretas 30 til 60 minutter etter den siste normale cellebetjening før den neste uttapping, d) den metallhøyde H (i mm): som skal uttappes, beregnes etter ligningen: der I er den midlere cellestrøm i kiloampere, t er den m tid i timer som har gått mellom de påfølgende uttapninger, og f er en proporsjonalitetsfaktor( — ), og kA . h e) den beregnede metallhøyde ut fra den angitte ligning uttappes.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakteri'sert ved at det ved metalluttapningén anvendes en regnemaskin som styrer.en sugeinnretning, setter igang uttapningen, kontrollerer den uttappede metallhøyde ved samtidig senkning av anodebjelken mens cellens ohmske motstand holdes konstant, samt avbryter uttapningen såsnart den fastlagte uttapningshøyde er uttappet.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at anodebjelkens høyde-stillinger utledes ved hjelp av et potensiometer anbragt på anodebjelken.