Regulierung einer Aluminiumelektrolysezelle

Abstract

 Verfahren zur automatischen Regulierung des Bades einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium aus in einer Kryolithschmelze gelöstem Aluminiumoxid. Der Wirkungsgrad der Aluminiumelektrolyse wird optimiert, indem jeweils in bestimmten Intervallen aus einer mehrere Parameter umfassenden Serie von Messwerten der individuelle Zustand der Elektrolysezelle analysiert und aufgrund des aktuellen Zustandes und unter Berücksichtigung der früheren Zustände die für das weitere Elektrolyseverfahren optimale Elektrolyttemperatur und die optimale AlF₃-Überschusskonzentration durch Berechnung und entsprechende Einstellung der für das weitere Elektrolyseverfahren benötigten Elektrolysesollspannung und AlF₃-Zufuhrrate geregelt werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Regulierung des Bades einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium aus in einer Kryolithschmelze gelöstem Aluminiumoxid.

[0002] Die technische Erzeugung von Primär- oder Hüttenaluminium geschieht üblicherweise durch eine Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid in einem im Wesentlichen aus einer Kryolithschmelze (Na₃AlF₆) bestehenden Elektrolyten. Der Elektrolyt oder das Bad befindet sich dabei in einer mit Kohlenstoff ausgekleideten Stahlwanne, wobei der Kohlenstoff als Kathode dient. Über der Wanne ist eine Vielzahl von vertikal beweglichen Kohlenstoff-Anoden angebracht. Die Elektrolyse zersetzt das Aluminiumoxid in Aluminium und Sauerstoff, so dass das Aluminiumoxid ständig als Rohstoff in den Elektrolyten eingebracht werden muss.

[0003] Zwischen Anode und Kathode wird eine Gleichspannung von typischerweise 2-5 V angelegt. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit von Kryolith bei 1000 °C beträgt 2.8 ± 0.02 Ω^-1. cm^-1. Bei Zugabe von Al₂O₃ sinkt die Leitfähigkeit ab, weshalb der Al₂O₃-Gehalt in der Schmelze zweckmässigerweise möglichst niedrig, d.h. beispielsweise kleiner als 4 Gew.%, eingestellt wird. Ungefähr 40 % der elektrischen Energie wird infolge des elektrischen Widerstandes im Bad in Wärme umgesetzt und ermöglicht die Aufrechterhaltung der Arbeitstemperatur des Elektrolyten. Der andere Teil der elektrischen Energie bewirkt die eigentliche Elektrolyse, also die Abscheidung des Aluminiums an der Kathode und des Sauerstoffs an der Anode. Da das flüssige Aluminium bei der Arbeitstemperatur mit einer Dichte von 2.3 g/cm³ spezifisch schwerer ist als der Kryolith mit einer Dichte von ca. 2.1 g/cm³, sammelt sich das Aluminium am Boden der Wanne zu einem Metallbad. Der Sauerstoff reagiert mit dem Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, so dass die Anode abbrennt und nach ein paar Wochen verbraucht ist. An der Oberseite des Bades bildet sich eine feste Kruste aus Kryolith und Tonerde, welche jeweils zum Nachdosieren der Tonerde durchstossen werden muss.

[0004] Aufgrund der Löslichkeit des Aluminiumoxids in geschmolzenem Kryolith kann die Schmelzflusselektrolyse des Aluminiumoxids (Tonerde) bei Zugabe von weiteren Schmelzmitteln bei Temperaturen von etwa 940 °C bis 980 °C durchgeführt werden. Als weitere Schmelzmittel enthält die Kryolitschmelze - neben dem Aluminiumoxid - den Schmelzpunkt erniedrigende Substanzen, wie beispielsweise AlF₃, LiF, CaF₂ und/oder MgP₂. Dabei kann durch die Zugabe von AlF₃ die Liquiduslinie des ternären Systems Kryolith/Al₂O₃/AlF₃ mit einer quadratischen Beziehung erniedrigt werden, wobei eine Zugabe von beispielsweise 10 Gew.-% AlF₃ eine Erniedrigung der eutektischen Schmelztemperatur um etwa 25 °C bewirkt. Wegen dieser Abhängigkeit der eutektischen Schmelztemperatur von der AlF₃-Konzentration ist das Bestreben naheliegend, mit hohen AlF₃-Konzentrationen zu arbeiten.

[0005] Die Verwendung eines Elektrolyten mit hoher AlF3-Konzentration und demzufolge tiefer eutektischer Schmelztemperatur zeigt zudem weitere Vorteile:

• durch die tiefere Elektrolyttemperatur sind die Elektrolytkomponenten chemisch weniger agrressiv, so dass die Lebensdauer der Elektrolysezelle verlängert wird. Zudem wird der Anodenverbrauch erniedrigt.
• durch die tiefere Elektrolyttemperatur verringert sich die Löslichkeit von Aluminium im Elektrolyten, was eine höhere Stromausbeute ergibt;

[0006] Durch die Zugabe von AlF₃ sinkt jedoch die spezifische elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten, d.h. der elektrische Badwiderstand wird erhöht. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten und der Elektrodenabstand bestimmen die Zellenspannung. Da die Elektrolysezellen mit konstanter Stromstärke gefahren werden, erhöht sich durch die Zugabe von AlF₃ somit die Elektrolyttemperatur, wobei durch die gegenüber der eutektischen Schmelztemperatur erhöhte Elektrolyttemperatur der Wirkungsgrad der Elektrolysezelle erniedrigt und damit die zur Herstellung von 1 kg Aluminium benötigte Energie erhöht wird.

[0007] Um den Wirkungsgrad der Elektrolysezellen zu optimieren, wird ein hoher Überschuss von AlF₃ bevorzugt. Dieser Überschuss wird als Mol- bzw. Gewichtsverhältnis von NaF zu AlF₃ unter Einbeziehung des Kryolithen oder als prozentualer Anteil des überschüssigen, freien AlF₃ ausgedrückt. Im Folgenden wird die zweite Variante gewählt. Üblicherweise wird heutzutage mit einem Überschussanteil von AlF₃ von mehr als 10 Gew.-% gearbeitet.

[0008] Bei Elektrolyten mit einem AlF₃-Gehalt von 10 Gew.-% und darüber treten im Allgemeinen Schwankungen in der AlF₃-Konzentration mit einer Wellenlänge von typischerweise mehreren Tagen, beispielsweise 10 bis 30 Tagen, auf. Dabei schwankt der AlF₃-Gehalt langsam innerhalb weiter Grenzen, beispielsweise im Bereich von 6 bis 20 Gew.-%. Mit diesen Schwankungen des AlF₃-Gehaltes sind entsprechend der oben beschriebenen Abhängigkeit auch Temperaturschwankungen, beispielsweise im Bereich von 930 bis 990 °C, verbunden.

[0009] Demnach bewirkt ein hoher AlF₃-Gehalt im Elektrolyten im Allgemeinen eine unstabile Elektrolyttemperatur, welche die Stromausbeute, d.h. den Wirkungsgrad, und die Lebensdauer der Elektrolysezelle herabsetzt.

[0010] Im Weiteren ergeben sich Elektrolyttemperaturschwankungen beispielsweise infolge einer Veränderung des Kathoden-Anoden-Abstandes wegen des unvermeidbaren Anodenverbrauches oder aufgrund von Schwankungen der Al₂O₃-Konzentration. Solche Schwankungen dauern typischerweise einige Minuten bis einige Stunden.

[0011] Durch Verdampfen und durch Reaktion mit in der Tonerde enthaltenem Na₂O erfolgt während der Aluminiumelektrolyse stets ein Verlust von AlF₃. Die Zugabe von AlF₃ wurde früher aufgrund von Tabellen, welche die zuzugebenden Einheiten in Abhängigkeit der Badtemperatur und dem einzustellenden AlF₃-Gehalt auflisteten, vorgenommen. Um den effektiven Zustand der Elektrolysezelle zu berücksichtigen und damit den Wirkungsgrad der Zellen zu verbessern, hat es sich gezeigt, dass eine optimale Regulierung und Stabilisierung der Elektrolysezellen die periodische, messtechnische Erfassung und Berücksichtigung der Zellenparameter bedingt.

[0012] EP-B1 0 455 590 beschreibt ein Verfahren zur Regulierung eines wenigstens bei 10 Gew.-% liegenden AlF₃-Gehaltes im Bad einer Elektrolysezelle zur Aluminiumherstellung, bei dem aufgrund einer Analyse des Zustandes der Aluminiumelektrolysezelle mit einer Modellrechnung die optimale Zeitverschiebung zwischen der Zugabe von AlF₃ und deren Wirkung im Elektrolyten ermittelt und die Zugabe von AlF₃ unter Vorgabe eines bestimmten AlF₃-Gehaltes in Berücksichtigung der Zeitverschiebung berechnet und dem Elektrolyten zugegeben wird.

[0013] Gemäss der Lehre von EP-B1 0 195 142 kann die Messung des AlF₃-Gehaltes in einem stationären Zustand der Elektrolysezelle durch eine Temperaturmessung ersetzt werden. Dabei gilt in einem Bereich von ± 10 °C um den Temperatur-Sollwert eine im Wesentlichen lineare Beziehung zwischen AlF₃-Konzentration und Elektrolyttemperatur.

[0014] Gemäss dem Stand der Technik wird zur Regulierung des AlF₃-Überschusses im Bad einer Elektrolysezelle zur Aluminiumherstellung entweder die AlF₃-Konzentration oder die Elektrolyttemperatur gemessen und als Verfahrensgrösse geregelt. Die Praxis hat nun gezeigt, dass die Regelung der AlF₃-Konzentration alleine noch keinen optimalen Wirkungsgrad einer Elektrolysezelle garantiert.

[0015] Vorliegender Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem bekannten Stand der Technik hinsichtlich des Wirkungsgrades verbessertes Verfahren zur automatischen Regulierung einer Aluminiumelektrolysezelle anzugeben.

[0016] Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Wirkungsgrad der Aluminiumelektrolyse optimiert wird, indem jeweils in bestimmten Intervallen aus einer mehrere Parameter umfassenden Serie von Messwerten der individuelle Zustand der Elektrolysezelle analysiert und aufgrund des aktuellen Zustandes und unter Berücksichtigung der früheren Zustände die für das weitere Elektrolyseverfahren optimale Elektrolyttemperatur und die optimale AlF3-Überschusskonzentration durch Berechnung und entsprechende Einstellung der für das weitere Elektrolyseverfahren benötigten Elektrolysesollspannung und AlF₃-Zufuhrrate geregelt werden.

[0017] Das erfindungsgemässe Verfahren löst somit das Problem der Kontrolle der Elektrolyttemperatur und der AlF₃-Überschusskonzentration in einer Aluminiumeletrolysezelle, wonach die AlF₃-Konzentration im Elektrolyten einen direkten Einfluss auf die Elektrolyttemperatur hat, und beide Verfahrensparameter die Stromausbeute und damit den Energieverbrauch pro Kilogramm produzierten Aluminiums beinflussen.

[0018] Hinsichtlich des erfindungsgemässen Verfahrens bezieht sich der Begriffe "optimal" auf die für eine vorgegebene Elektrolysezelle bestmögliche Elektrolyttemperatur bzw. AlF₃-Überschusskonzentration, welche wirtschaftlich den höchstmöglichen Wirkungsgrad erbringen.

[0019] Der individuelle Zustand der Elektrolysezelle zu einem bestimmten Zeitpunkt wird durch Analyse einer aus mehreren Parametern umfassenden Serie von Messwerten bestimmt. Dazu zählen beispielsweise die Elektrolyt- oder Badtemperatur, die Badzusammensetzung, die angelgte Elektrolysesollpannung, der Zeitplan für den Anodenwechsel usw. Aufgrund dieser Messwerte für den aktuellen Zustand der Elektrolysezelle und unter Berücksichtigung der früheren Zustände wird gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren die für die Erreichung des gewünschten Verlaufes der Elektrolyttemperatur und der AlF₃-Überschusskonzentration erforderliche Elektrolysesollspannung und die AlF₃-Zufuhrrate berechnet und entsprechend geregelt.

[0020] Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt die automatische Regulierung der Elektrolyttemperatur und der AlF3-Überschusskonzentration im Bad einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium aus in einer Kryolithschmelze gelöstem Aluminiumoxid bei gleichzeitiger Minimierung der Schwankungen des AlF₃-Gehaltes und der Elektrolyttemperatur,
wobei die Regulierung der AlF₃-Konzentration ohne Einbezug neutralisierender Zusätze, wie beispielsweise Soda oder Natriumfluorid, durchgeführt wird.

[0021] Die Berechnung der Zufuhrrate von AlF₃ geschieht bevorzugt dadurch, dass in vorbestimmten Intervallen n die Elektrolyttemperatur T_n und bevorzugt zusätzlich der prozentuale Anteil C_n an freiem AlF₃ im Elektrolyten gemessen werden, und bei normal arbeitender Zelle eine AlF₃-Zufuhrrate A_n+1 für das Intervall n+1 gemäss den nachfolgenden Verfahrensschritten berechnet und die entsprechende Menge an AlF₃ dem Elektrolyten während dem Intervall n+1 portionenweise oder kontinuierlich zugegeben wird:

a) Berechnung einer Standardzugabe F₀(t) in Funktion des Elektrolysenzellenalters t und des Nennstromes I_N, wobei F₀(t) den mittleren AlF₃-Bedarf pro Zeiteinheit für die im stationären Zustand bei einer vorgegebenen Elektrolyt-Solltemperatur T_soll arbeitende Elektrolysezelle bezeichnet;

b) Sofern ein C_n-Wert gemessen und der gemessene C_n-Wert innerhalb vorbestimmter Grenzwerte liegt, Berechnung einer ersten Korrektur F_n aufgrund der Abweichungen von T_n und C_n von entsprechenden, vorgegebenen Sollwerten T_soll und C_soll gemäss der Massgabe:

   wobei k_T und k_C für die verwendete Elektrolysezelle charakteristische, vorbestimmte Parameter bezeichnen; und sofern kein innerhalb vorgegebener Grenzwerte liegender C_n-Wert verfügbar ist, Berechnung einer ersten Korrektur F_n aufgrund der Abweichung von T_n vom vorgegebenen Sollwert T_soll gemäss der Massgabe:

   wobei k_L ein für die verwendete Elektrolysezelle charakteristischer, vorbestimmter Parameter bezeichnet;

c) Ermittlung der während dem Intervall n und dem Intervall n-1 gemessenen, mittleren Elektrolysespannung U_M;

d) Ermittlung der mittleren, während dem Intervall n und dem Intervall n-1 täglich zugegebenen AlF₃-Menge;

e) Für den Fall, dass

(i) die gemäss c) ermittelte, mittlere Elektrolysespannung U_M um nicht mehr als einen vorgegebenen Wert ΔU von einer Standardspannung Us abweicht, und

(ii) die gemäss d) ermittelte, mittlere tägliche Zugabe von AlF₃ geringer als ein vorgegebener Wert C_m ist, Berechnung einer zweiten Korrektur F_Trend gemäss der nachfolgenden Massgabe:

   wobei Δt die Zeitspanne zwischen der Messung n und der Messung n-1 in Tagen und k_Trend einen für die verwendete Elektrolysezelle charakteristischen, vorbestimmten Parameter bezeichnen; und
falls die Bedingungen (i) und (ii) nicht erfüllt sind, F_Trend = 0 gilt;

f) Berechnung einer neuen, für das während dem darauf folgenden Intervall n+1 gültige AlF₃-Zufuhrrate A_n+1 gemäss der nachfolgenden Massgabe:

g) Falls A_n+1 kleiner oder gleich einem vorgegebenem, oberen Grenzwert Ao und grösser oder gleich einem vorgegebenem, unteren Grenzwert A_U ist, und der während dem Intervall n gemessene Wert C_n kleiner als ein vorgegebener Maximalwert C_max ist, Zufuhr von AlF₃ gemäss dem Wert A_n+1 während dem nachfolgenden Intervall n+1, und falls A_n+1 grösser als A_o, Zufuhr von AlF₃ gemäss dem oberen Grenzwert A_o, und falls A_n+1 kleiner als A_U, oder C_n grösser oder gleich dem Wert C_max ist, Zufuhr von AlF₃ gemäss dem unteren Grenzwert A_U;

h) Periodische Wiederholung der Verfahrensschritte a) bis g) bis die Elektrolyse beendet wird.

[0022] Vorstehendes Verfahren zur Berechnung und Regulierung der AlF₃-Zufuhr gilt nur für die normal arbeitende Zelle. Demnach muss in jeder Periode n geprüft werden, ob die Zelle normal arbeitet, d.h. ob sich die Elektrolysezelle während der Periode n in einem innerhalb vorgegebener Parameter-Grenzwerte liegenden, normalen Zustand befindet. Bei Feststellung eines nicht normalen Zustandes wird durch Eingriffe eines Operators der Zustand der Elektrolysezelle solange verändert, bis ein normaler Zustand der Elektrolysezelle erreicht ist. Erst nach Erreichen eines normalen Zustandes wird die Berechnung und Zugabe von AlF₃ gemäss den vorbeschriebenen Verfahrensschritten a) bis h) weitergeführt.

[0023] Die Parameter k_T, k_C, k_L und k_Trend sind für eine gegebene Elektrolysezelle charakteristische Parameter, welche u.a. von der Grösse der Zelle, der Elektrolytmenge, von der Stromstärke und von der gewünschten Korrekturgeschwindigkeit allfälliger AlF₃- und Elektrolyttemperaturschwankungen abhängen. Die entsprechenden Parameterwerte können durch statistische Analysen der Abhängigkeiten der Temperaturwerte T_n und der AlF₃-Überschusskonzentration von der jeweils zugeführten AlF₃-Menge und von den jeweiligen Elektrolysespannungsänderungen bestimmt werden.

[0024] Der normal arbeitende Zustand einer für das erfindungsgemässe Verfahren eingesetzten Elektrolysezelle ist dann gegeben, wenn während einem vorgegebenen Zeitintervall Δt die folgende Bedingungen i) bis iv) allesamt erfüllt sind:

i) während dem Zeitintervall Δt die Elektrolyttemperatur T innerhalb eines Wertebereiches zwischen 920 °C < T < 990 °C liegt;

ii) der elektrische Badwiderstand stabil ist;

iii) die normale, d.h. kontinuierliche oder in vorbestimmten Abständen zu erfolgende Tonerdezufuhr in die Kryolithschmelze nicht unterbrochen ist;

iv) das Zellenalter wenigstens 30 Tage, bevorzugt zwischen 30 und 150 Tagen und insbesondere mehr als 100 Tage beträgt.

[0025] Das Zeitintervall Δt im Sinne von (i) bezeichnet zweckmässigerweise die Zeitspanne zwischen der letzten und der vorletzten Temperaturmessung, wobei Δt vorzugsweise etwa einen Tag dauert.

[0026] Im Rahmen der Erfindung gilt der elektrische Badwiderstand im Sinne von (ii) typischerweise als stabil, wenn das elektrische Badwiderstandsrauschen einen Wert von 0.5 µΩ während 30 Minuten pro Tag nicht überschreitet. Dabei ist das elektrische Badwiderstandsrauschen definiert als Differenz des während einem Zeitintervall von einer Minute gemessenen maximalen elektrischen Badwiderstandes vom während demselben Zeitintervall gemessenen minimalen elektrischen Badwiderstand.

[0027] Für nicht normal arbeitende Zellen, muss der Zustand der Elektrolysezelle durch Eingriffe eines Operators solange verändert werden, bis alle Bedingungen (i) bis (iv) erfüllt sind. Danach kann das erfindungsgemässe Verfahren wieder angewendet werden. Dabei kann die zeitverzögerte Wirkung nach einer AlF3-Zugabe gemäss dem in EP-B1 0 455 590 beschriebene Verfahren berücksichtigt werden. Befindet sich der Elektrolyt in einem nicht-normalen Zustand, in dem der Elektrolyt mit AlF₃ übersättigt ist, kann ein neutralisierendes Mittel, wie Soda oder NaF, zugegeben werden. Im Weiteren kann zur Einstellung eines normalen Zustandes auch die Elektrolysespannung angepasst werden.

[0028] Die Parameter für die tägliche Standardzugabe F₀(t) zum Ausgleich des täglichen AlF₃-Verlustes im Elektrolyten bedingen die ungefähre Kenntnis des mittleren AlF₃-Bedarfes pro Zeiteinheit bei einer stationär arbeitenden Elektrolysezelle mit einer beim Sollwert T_soll liegenden Elektrolyttemperatur und können durch Vorversuche oder durch die bekannten, tägi lichen Zugaben von AlF₃ während des vorhergehenden Elektrolyseverfahrens bestimmt werden. Die Standardzugabe ist abhängig vom Zellenalter.

[0029] Falls die Elektrolysezelle mit konstanter Stromstärke betrieben wird, kann die Standardzugabe F₀(t) nach folgender Massgabe berechnet werden:

[0030] Dabei bezeichnet t das Zellenalter in Tagen und τ eine vorbetimmte Zeitkonstante, deren Wert zwischen 150 und 350 Tage liegt. k_a und k_b bezeichnen Konstante, deren Wert vom Nennstrom, der geometrischen Abmessungen der Elektrolysezelle und der Kathode sowie vom Natriumfluorid- und Soda (Na₂CO₃) -Gehalt des Aluminiumoxids abhängen. Beispielhaft beträgt die Konstante k_a für eine Elelektrolysezelle mit einem Nennstrom von 130 KA zwischen 13 und 17 kg AlF₃/Tag, wobei der entsprechende Wert für die Konstante k_b typischerweise zwischen 20 und 25 kg AlF₃/Tag liegt.

[0031] Der Nennstrom bezeichnet die höchste, dauerhaft mögliche Stromstärke der Elektrolysezelle.

[0032] Die Elektrolyt-Solltemperatur T_soll bzw. der Sollwert des AlF₃-Gehaltes C_soll wird aufgrund von Erfahrungswerten oder durch Ermittlung eines optimalen Wertes aufgrund von Vorversuchen vorgegeben. Durch die Vorgabe der Solltemperatur wird auch der Sollwert des AlF₃-Gehaltes C_soll eindeutig vorbestimmt. Umgekehrt wird bei Vorgabe des Sollwertes C_soll auch die Solltemperatur T_soll eindeutig vorgegeben. Demnach richtet sich die Vorgabe für den AlF₃-Sollwert C_soll nach der als optimal erachteten Elektrolyt-Solltemperatur T_soll. Diese kann beispielsweise mit etwa 12 Gew.-% AlF₃ erhalten werden. Die Solltemperatur kann während dem Verfahren aufgrund von Änderungen der Elektrolyseparameter an sich neu vorgegeben werden. Üblicherweise wird jedoch eine konstante Solltemperatur T_soll während der ganzen Lebensdauer einer Elektrolysezelle bevorzugt.

[0033] Die Solltemperatur T_soll beträgt bevorzugt wenigstens 950 °C und höchstens 975 °C. Ganz bevorzugt liegt T_soll im Bereich 960 ± 3 °C.

[0034] Der Sollwert C_soll des prozentualen Anteils an freiem AlF₃ im Elektrolyten beträgt bevorzugt wenigstens 10 Gew.-% und höchstens 13 Gew.-%. Ganz bevorzugt liegt C_soll bei 12 ± 0.2 Gew.-%.

[0035] Die aktuelle Elektrolyttemperatur T_n während der Periode n kann auf verschiedene Weise und an verschiedenen Orten der Elektrolysezelle bestimmt werden. Prinzipiell kann die Elektrolyttemperatur durch direkte Temperaturmessung im Elektrolyten bestimmt werden. Wegen der kurzzeitigen Schwankungen wird jedoch eine Temperaturmessung in der Wanne, insbesondere in den Seitenwänden der Elektrolysezelle, oder im flüssigen Aluminium am Wannenboden bevorzugt. Üblicherweise geschieht die Stromzufuhr zur Kathode mittels in die mit Kohlenstoff ausgekleidete Stahlwanne eingeführte Stahlträger, so dass die Temperaturmessung besonders bevorzugt mittels in Ausnehmungen des Stahlträgers eingeführte Temperaturmessvorrichtungen vorgenommen werden kann.

[0036] Die Messung des aktuellen T_n-Wertes kann kontinuierlich oder in vorgegeben Zeitintervallen vorgenommen werden. Die Messung des aktuellen C_n-Wertes geschieht zweckmässigerweise in vorgegebenen Zeitintervallen. Die Messung in vorgegebenen Zeitintervallen wird für die Bestimmung beider Werte, d.h. für die T_n- und C_n-Werte, bevorzugt, wobei im Allgemeinen ein Intervall von 24 Stunden für die stabile Prozessführung ausreichend ist.

[0037] In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens erfolgt die Messung der C_n- und T_n-Werte simultan.

[0038] Die zur Berechnung von F_n benötigte Konstante k_T liegt im Bereich von 0.4 bis 1.3 kg AlF₃/°C und insbesondere bei 0.73 ± 0.02 kg AlF₃/°C. Die ebenfalls zur Berechnung von F_n benötigte Konstante k_C liegt im Wertebereich von 2.5 bis 7.0 kg AlF₃/°C und insbesondere bei 4.4 ± 0.1 kg AlF₃/°C. Die im Falle des Fehlens eines innerhalb gewisser, vorgegebener Grenzen liegenden C_n-Wertes zur Berechnung von F_n benötigte Konstante k_L liegt im Bereich von 0.9 bis 2.5 kg AlF₃/°C und insbesondere bei 1.46 ± 0.04 kg AlF₃/°C.

[0039] Die für die Bedingung (i) zur Berechnung von F_Trend genannte Abweichung ΔU liegt bevorzugt zwischen 0 und 0.2 V und insbesondere im Bereich 100 ± 5 mV. Die Standardspannung U_s ist vorbestimmt und kann dem Wert der Elektrolyse-Sollspannung entsprechen.

[0040] In einer weiteren bevorzugten Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens, wird für die Berechnung einer zweiten Korrektur F_Trend gemäss Verfahrensschritt (e) die folgende weitere und gegenüber den Bedingungen (i) und (ii) zusätzliche Bedingung angefügt:

(iii) seit der vorletzten Temperaturmessung T_n-1 ist kein Soda zugegeben worden.

[0041] Der vorgegebene Maximalwert C_max für den AlF₃-Gehalt im Elektrolyten liegt bevorzugt im Bereich von 14 bis 17 Gew.-% und liegt besonders bevorzugt bei 16 Gew.-%.

[0042] Die Zuführung des für das erfindungsgemässe Verfahren benötigten AlF₃ erfolgt beispielsweise portionenweise in bestimmten Zeitintervallen. Eine Anpassung der AlF₃-Zufuhr kann dabei durch Anpassung der intervallweise zugeführten AlF₃-Menge und/oder durch Veränderung des Zeitintervalls geschehen. Die Zufuhr von AlF₃ kann auch kontinuierlich mittels einer Dosiervorrichtung, vorzugsweise mittels einer programmgesteuerten Dosiervorrichtung, erfolgen.

[0043] Üblicherweise reicht zur Durchführung einer stabilen Elektrolyse die Messung der T_n- und C_n-Werte in Abständen von mehreren Stunden aus. Im Allgemeinen genügt eine tägliche Messung der T_n- und C_n-Werte und eine entsprechende Anpassung der AlF₃-Zufuhrrate.

[0044] Beispielhaft für eine Elektrolysezelle mit einem Nennstrom von 130 kA liegt der obere Grenzwert A_o für die AlF₃-Zufuhrrate A_n+1 im Bereich von 20 bis 60 kg AlF₃/Tag, bevorzugt zwischen 30 und 35 kg AlF₃/Tag und insbesondere im Bereich 33 ± 1 kg AlF₃/Tag. Ebenfalls beispielhaft für eine Elektrolysezelle mit einem Nennstrom von 130 kA liegt der untere Grenzwert A_U für die AlF₃-Zufuhrrate A_n+1 im Bereich von 0 bis 20 kg AlF₃/Tag, bevorzugt 0 bis 7 kg AlF₃/Tag und insbesondere im Bereich 3 ± 0.5 kg AlF₃/Tag.

[0045] Die Berechnung und Einstellung der Elektrolysesollspannung geschieht bevorzugt dadurch, dass in vorbestimmten Intervallen k die Elektrolyttemperatur T_k gemessen wird, und bei normal arbeitender Zelle die Elektrolysesollspannung U für das nachfolgende Intervall k+1 gemäss der folgenden Massgabe eingestellt wird:

• falls T_k kleiner als ein vorgegebener unterer Temperaturgrenzwert T_U ist, wird während der nachfolgenden Zeitspanne Δt_U,1 die Elektrolysesollspannung U um einen vorgegebenen Spannungserhöhungswert ΔU_E erhöht;
• falls T_k grösser oder gleich dem vorgegebenen unteren Temperaturgrenzwert T_U und kleiner als ein vorgegebener mittlerer Temperaturgrenzwert T_M ist, wird während der nachfolgenden Zeitspanne Δt_U,2 die Elektrolysesollspannung U um einen vorgegebenen Spannungserhöhungswert ΔU_E erhöht;
• falls T_k grösser als ein vorgegebener oberer Temperaturgrenzwert To ist, wird während der nachfolgenden Zeitspanne Δt_U,1 die Elektrolysesollspannung U um einen vorgegebenen Spannungsabsenkungswert ΔU_A verringert.

[0046] Die Temperaturgrenzwerte T_u, T_M und To sowie die Spannungserhöhungs- und Spannungsabsenkungswerte ΔU_E bzw. ΔU_A werden aufgrund der Eigenschaften der Elektrolysezelle, wie beispielsweise Grösse der Zelle, Elektrolytmenge, Nennstrom und von der gewünschten Korrekturgeschwindigkeit allfälliger AlF₃- und Elektrolyttemperaturschwankungen, vorgegeben.

[0047] Der untere Temperaturgrenzwert T_U liegt bevorzugt im Temperaturbereich von 945 bis 954 °C und insbesondere bei 950 ± 0.5 °C. Der mittlere Temperaturgrenzwert T_M liegt bevorzugt im Temperaturbereich von 955 bis 964 °C und insbesondere bei 955 ± 0.5 °C. Der obere Temperaturgrenzwert To liegt bevorzugt im Temperaturbereich von 965 bis 985 °C und insbesondere bei 975 ± 0.5 °C.

[0048] Der Spannungserhöhungswert ΔU_E liegt zweckmässigerweise im Bereich von 0 bis 170 mV und bevorzugt bei 120 ± 2 mV. Der Spannungsabsenkungswert ΔU_A liegt zweckmässigerweise im Bereich von 0 bis 80 mV und bevorzugt bei 60 ± 2 mV liegt.

[0049] Die Zeitintervalle Δt_U,1 und Δt_U,2 werden aufgrund der Eigenschaften der Elektrolysezelle vorgegeben. Die Zeitspanne Δt_U,1 liegt bevorzugt zwischen 35 und 50 Stunden und beträgt ganz bevorzugt 40 Stunden. Die Zeitspanne Δt_U,2 liegt bevorzugt zwischen 15 und 25 Stunden und beträgt ganz bevorzugt 20 Stunden.

[0050] Die Zeitintervalle n und k, d.h. das Zeitintervall für die Bestimmung der AlF₃-Zufuhrrate A_n+1 und das Zeitintervall k für die Bestimmung der künftigen Elektrolysesollspannung U, können gleich lang oder aber auch verschieden sein. Zudem können die Zeitintervalle k der Länge Δt_k (k ist dabei eine natürliche Zahl; Δt_k beschreibt Zeitdauer in Stunden) unterschiedlich lang sein. Beispielsweise kann die Intervalllänge Δt_k dem Wert Δt_U,1 und/oder Δt_U,2 entsprechen. Die Zeitintervalle n der Länge Δt_n (n ist dabei eine natürliche Zahl; Δt_n beschreibt Zeitdauer in Tagen) sind zweckmässigerweise, jedoch nicht zwingend, gleich lang.

Ansprüche

1. Verfahren zur automatischen Regulierung des Bades einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium aus in einer Kryolithschmelze gelöstem Aluminiumoxid,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wirkungsgrad der Aluminiumelektrolyse optimiert wird, indem jeweils in bestimmten Intervallen aus einer mehrere Parameter umfassenden Serie von Messwerten der individuelle Zustand der Elektrolysezelle analysiert und aufgrund des aktuellen Zustandes und unter Berücksichtigung der früheren Zustände die für das weitere Elektrolyseverfahren optimale Elektrolyttemperatur und die optimale AlF₃-Überschusskonzentration durch Berechnung und entsprechende Einstellung der für das weitere Elektrolyseverfahren benötigten Elektrolysesollspannung und AlF₃-Zufuhrrate geregelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in vorbestimmten Intervallen n die Elektrolyttemperatur T_n und bevorzugt zusätzlich der prozentuale Anteil C_n an freiem AlF₃ im Elektrolyten gemessen werden, und bei normal arbeitender Zelle eine AlF₃-Zufuhrrate A_n+1 für das Intervall n+1 gemäss den nachfolgenden Verfahrensschritten berechnet und dem Elektrolyten zugegeben wird:

a) Berechnung einer Standardzugabe F₀(t) in Funktion des Elektrolysenzellenalters t und des Nennstromes I, wobei F₀(t) den mittleren AlF₃-Bedarf pro Zeiteinheit für die im stationären Zustand bei einer vorgegebenen Elektrolyt-Solltemperatur T_soll arbeitende Elektrolysezelle bezeichnet;

b) Sofern ein C_n-Wert gemessen und der gemessene C_n-Wert innerhalb vorbestimmter Grenzwerte liegt, Berechnung einer ersten Korrektur F_n aufgrund der Abweichungen von T_n und C_n von entsprechenden, vorgegebenen Sollwerten T_soll und C_soll gemäss der Massgabe:

wobei k_T und k_C für die verwendete Elektrolysezelle charakteristische, vorbestimmte Parameter bezeichnen; und sofern kein innerhalb vorgegebener Grenzwerte liegender C_n-Wert verfügbar ist, Berechnung einer ersten Korrektur F_n aufgrund der Abweichung von T_n vom vorgegebenen Sollwert T_soll gemäss der Massgabe:

   wobei k_L ein für die verwendete Elektrolysezelle charakteristischer, vorbestimmter Parameter bezeichnet;

c) Ermittlung der während dem Intervall n und dem Intervall n-1 gemessenen, mittleren Elektrolysespannung U_M;

d) Ermittlung der mittleren, während dem Intervall n und dem Intervall n-1 täglich zugegebenen AlF₃-Menge;

e) Für den Fall, dass

(i) die gemäss c) ermittelte, mittlere Elektrolysespannung U_M um nicht mehr als einen vorgegebenen Wert ΔU von einer Standardspannung Us abweicht, und

(ii) die gemäss d) ermittelte, mittlere tägliche Zugabe von AlF₃ geringer als ein vorgegebener Wert C_m ist, Berechnung einer zweiten Korrektur F_Trend gemäss der nachfolgenden Massgabe:

wobei Δt die Zeitspanne zwischen der Messung n und der Messung n-1 in Tagen und k_Trend einen für die verwendete Elektrolysezelle charakteristischen, vorbestimmten Parameter bezeichnen; und falls die Bedingungen (i) und (ii) nicht erfüllt sind, F_Trend = 0 gilt;

f) Berechnung einer neuen, für das während dem darauf folgenden Intervall n+1 gültige AlF₃-Zufuhrrate A_n+1 gemäss der nachfolgenden Massgabe:

g) Falls A_n+1 kleiner oder gleich einem vorgegebenem, oberen Grenzwert A_o und grösser oder gleich einem vorgegebenem, unteren Grenzwert A_U ist, und der während dem Intervall n gemessene Wert C_n kleiner als ein vorgegebener Maximalwert C_max ist, Zufuhr von AlF₃ gemäss dem Wert A_n+1 während dem nachfolgenden Intervall n+1, und falls A_n+1 grösser als A_o, Zufuhr von AlF₃ gemäss dem oberen Grenzwert A_o, und falls A_n+1 kleiner als A_U, oder C_n grösser oder gleich dem Wert C_max ist, Zufuhr von AlF₃ gemäss dem unteren Grenzwert A_U;

h) Periodische Wiederholung der Verfahrensschritte a) bis g) bis die Elektrolyse beendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine normal arbeitende Elektrolysezelle dann vorliegt, wenn während einem vorgegebenen Zeitintervall Δt, welches vorzugsweise der Zeitspanne zwischen der letzten und der vorletzten Temperaturmessung entspricht, die folgende Bedingungen i) bis iv) allesamt erfüllt sind:

i) die Elektrolyttemperatur T innerhalb eines Wertebereiches zwischen 920 °C < T < 990 °C liegt;

ii) der elektrische Badwiderstand stabil ist;

iii) die normale, d.h. kontinuierliche oder in vorbestimmten Abständen zu erfolgende Tonerdezufuhr in die Kryolithschmelze nicht unterbrochen ist;

iv) das Zellenalter wenigstens 30 Tage, bevorzugt zwischen 30 und 150 Tage und insbesondere mehr als 100 Tage beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Bedingungen (i) und (ii) des Verfahrensschrittes (e) für die Berechnung einer zweiten Korrektur F_Trend, welche von Null verschieden ist, zusätzlich die Bedingung

(iii) seit der vorletzten Temperaturmessung T_n-1 ist kein Soda zugegeben worden, erfüllt sein muss.

5. . Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Solltemperatur T_soll wenigstens 950 °C und höchstens 975 °C, und bevorzugt 960 ± 3 °C beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert C_soll des prozentualen Anteils an freiem AlF₃ im Elektrolyten wenigstens 10 Gew.-% und höchstens 13 Gew.-%, und bevorzugt 12 ± 0.2 Gew.-% beträgt.

7. . Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Maximalwert C_max für den AlF₃-Gehalt im Elektrolyten im Bereich 14 bis 17 Gew.-% und insbesondere bei 16 Gew.-% liegt.

8. . Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen der C_n- und T_n-Werte simultan erfolgen.

9. . Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in vorbestimmten Intervallen k die Elektrolyttemperatur T_k gemessen wird, und bei normal arbeitender Zelle die Elektrolysesollspannung U für das nachfolgende Intervall k+1 gemäss der folgenden Massgabe eingestellt wird:

- falls T_k kleiner als ein vorgegebener unterer Temperaturgrenzwert T_U ist, wird während der nachfolgenden Zeitspanne Δt_U,1 die Elektrolysesollspannung U um einen vorgegebenen Spannungserhöhungswert ΔU_E erhöht;

- falls T_k grösser oder gleich dem vorgegebenen unteren Temperaturgrenzwert T_U und kleiner als ein vorgegebener mittlerer Temperaturgrenzwert T_M ist, wird während der nachfolgenden Zeitspanne Δt_U,2 die Elektrolysesollspannung U um einen vorgegebenen Spannungserhöhungswert ΔU_E erhöht;

- falls T_k grösser als ein vorgegebener oberer Temperaturgrenzwert To ist, wird während der nachfolgenden Zeitspanne Δt_U,1 die Elektrolysesollspannung U um einen vorgegebenen Spannungsabsenkungswert ΔU_A verringert.

10. . Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Temperaturgrenzwert T_U im Temperaturbereich von 945 bis 954 °C und bevorzugt bei 950 ± 0.5 °C liegt, der mittlere Temperaturgrenzwert T_M im Temperaturbereich von 955 bis 964 °C und bevorzugt bei 955 ± 0.5 °C liegt, und der obere Temperaturgrenzwert To im Temperaturbereich von 965 bis 985°C und bevorzugt bei 975 ± 0.5 °C liegt.

11. . Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungserhöhungswert ΔU_E im Bereich von 0 bis 170 mV und insbesondere bei 120 ± 2 mV liegt, und der Spannungsabsenkungswert ΔU_A im Bereich von 0 bis 80 mV und insbesondere bei 60 ± 2 mV liegt.

12. . Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne Δt_U,1 zwischen 35 und 50 Stunden gewählt wird, und bevorzugt 40 Stunden beträgt.

13. . Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne Δt_U,2 zwischen 15 und 25 Stunden gewählt wird, und bevorzugt 20 Stunden beträgt.