[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regulierung und Stabilisierung eines
wenigstens bei 10 Gew.-% liegenden AlF₃-Gehaltes im Bad einer Elektrolysezelle zur
Herstellung von Aluminium aus in einer Kryolithschmelze gelöstem Aluminiumoxid.
[0002] In einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium wird ein Bad bzw. ein Elektrolyt
verwendet, welches im wesentlichen aus Kryolith, einer Natriumaluminiumfluorverbindung
(3NaF.AlF₃) besteht. Diesem Kryoliten werden neben dem aufzulösenden Aluminiumoxid
insbesondere noch den Schmelzpunkt erniedrigende Substanzen hinzugefügt, beispielsweise
Aluminiumtrifluorid AlF₃, Lithiumfluorid LiF, Kalziumdifluorid CaF₂ und/oder Magnesiumdifluorid
MgF₂. So enthält ein Bad in einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium beispielsweise
6 bis 8 Gew.-% AlF₃, 4 bis 6 Gew.-% CaF₂, 1 bis 2 Gew.-% LiF, Rest Kryolith. Je nach
dem Gehalt der Zusätze wird derart der Schmelzpunkt des Bades in den Bereich von 940
bis 970°C, den industriell angewendeten Temperaturbereich, gesenkt.
[0003] Badzusätze haben jedoch nicht nur positive Auswirkungen, wie z.B. eine Erniedrigung
des Schmelzpunktes, sondern wirken sich oft auch negativ aus. Die Zugabe von Lithiumfluorid
beispielsweise erlaubt ohne besondere Metallbehandlung keine Folienqualitäten für
Kondensatoren.
[0004] Im rahmen der vorliegenden Erfindung interessieren nur Bäder mit zu einen Ueberschuss
von wenigstens 10 Gew.-% führenden Zusätzen von AlF₃, einer Lewis-Säure. Dieser Ueberschuss
wird als Mol- bzw. Gewichtsverhältnis von NaF zu AlF₃ unter Einbeziehung des Kryolithen
oder als prozentualer Anteil des überschüssigen, freien AlF₃ ausgedrückt. Im nachfolgenden
wird die zweite Variante gewählt, wie mit den obenstehenden Zahlenbeispielen bereits
angedeutet.
[0005] Mit der Zugabe von AlF₃ kann die Liquiduslinie des ternären Systems Kryolith-Aluminiumoxid-Aluminiumtrifluorid
mit einer quadratischen Beziehung erniedrigt werden. Eine Zugabe von 10 Gew.-% AlF₃
bewirkt eine Erniedrigung der Temperatur um etwa 25°C. Wegen der bekannten quadratischen
Abhängigkeit von der Konzentration ist das Bestreben naheliegend, mit höheren Aluminiumfluorid-Konzentrationen
zu arbeiten, insbesondere weil noch weitere Vorteile erkannt worden sind:
- Wegen der niedrigeren Temperatur sind die Badkomponenten weniger aggressiv, die Lebensdauer
der Elektrolysezelle kann dadurch verlängert werden. Weiter kann der Anodenverbrauch
niedriger gehalten werden, was sich zusätzlich auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt.
- Es löst sich weniger Aluminium im Elektrolyten, was eine höhere Stromausbeute bedeutet.
- Das schmelzflüssige Metall enthält weniger Natrium, welches die Lebensdauer der kathode
herabsetzt.
[0006] Es ist jedoch auch festgestellt worden, dass die Herabsetzung der Badtemperatur durch
einen hohen AlF₃-Gehalt nicht nur Vorteile wringt, sondern dass dadurch auch Nachteile
in Kauf zu nehmen sind:
- Die Löslichkeit der Tonerde im Elektrolyten wird erniedrigt.
- Die elektrische Leitfähigkeit des Bades nimmt mit zunehmendem AlF₃-Gehalt und abnehmender
Temperatur ab. Die Stabilität des erstarrten Seitenbords nimmt ab.
- Die Löslichkeit von Aluminiumkarbid nimmt mit zunehmendem AlF₃-Gehalt stark zu. Dadurch
wird in erster Linie die Dreiphasenzone (Kohlenstoffauskleidung, Elektrolyt, schmelzflüssiges
metall) beeinträchtigt, insbesondere wenn kein Schutz durch erstarrtes Elektrolyt.material
besteht. Weiter wandert gelöstes Aluminiumkarbid zur Anode und erniedrigt reagierend
die Stromausbeute.
- Natriumionen sind Ladungsträger des Elektrolysestroms, während die Aluminiumionen
an der Kathode reduziert werden. Deshalb entsteht in diesem Bereich ein hohes NaF/
AlF₃-Verhältnis, was zur Erstarrung von Elektrolytmaterial führen kann.
[0007] Neben diesen bekannten Nachteilen ist überdies festgestellt worden, dass bei einem
bei oder über 10 Gew.-% liegenden AlF₃-Gehalt im Bad Schwankungen mit einer Wellenlänge
von mehreren Tagen, beispielsweise 10 bis 30 Tagen, auftreten können. Dabei schwankt
der AlF₃-Gehalt langsam innerhalb weiter Grenzen, beispielsweise im Bereich von 6
bis 20 Gew.-%.
[0008] Mit diesen Schwankungen des AlF₃-Gehaltes sind entsprechend der oben erwähnten quadratischen
Beziehung auch Temperaturschwankungen, beispielsweise im Bereich von 930 bis 990°C
verbunden. Weiter hat ein bei oder über 10 Gew.-% liegender Aluminiumfluorid-Gehalt
Flussstandschwankungen im Bereich von 10 - 30 cm zur Folge. Beiniedrigeren, unterhalb
von 10 Gew.-% liegenden AlF₃-Gehalten sind keine derart ausgeprägten Schwankungen
festgestellt worden.
[0009] Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren der eingangs genannten
Art zu schaffen, mit welchem die Schwankungen des AlF₃-Gehaltes und damit der Badtemperatur
auch ohne Lithiumfluorid-Zusätze auf eine geringe Standardabweichung gebracht werden
können, für den AlF₃-Gehalt auf etwa 1 bis 2%. Gegensteuernde Zusätze mit neutralisierender
Wirkung, wie beispielsweise Soda oder Natriumfluorid, sollen nicht oder nur in Ausnahmefällen
angewendet werden müssen.
[0010] Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass während eines Zeitraums t₁
aus einer mehrere Parameter umfassenden Serie von Messwerten der individuelle Zustand
einer Aluminiumelektrolysezelle, insbesondere von deren kathodischer Kohlenstoffwanne,
analysiert, mit einer Modellrechnung die optimale Zeitverschienung zwischen der Zugabe
von AlF₃ und deren Wirkung im Elektrolyten ermittelt, die Zugaben von AlF₃ unter Vorgabe
eines bestimmten AlF₃-Gehaltes in Berücksichtigung der Zeitverschiebung berechnet
und AlF₃ portionenweise oder kontinuierlich zugegeben wird.
[0011] Während der Aluminiumelektrolyse erfolgt stets ein Verlust von AlF₃, einerseits durch
Verdampfen, was bei gekapselten Aluminiumelektrolysezellen die Umwelt nicht oder nur
in sehr geringem Ausmass beeinträchtigt, und andrerseits durch Reaktion mit in der
zugegebenen Tonerde enthaltenem Na₂O. Für die Zugabe von AlF₃ bestehen Tabellen, welche
die zuzugebenden Einheiten in Abhängigkeit der Badtemperatur und dem einzustellenden
AlF₃-Gehalt auflisten. Diese Tabellen können noch verfeinert werden, indem allgemeine
Korrekturfaktoren wie z.B. Zellenalter, Anzahl Anodeneffekte, Trend der Konzentration
berücksichtigt werden.
[0012] In der Praxis hat es sich jedoch gezeigt, dass noch so detaillierte Tabellen in den
meisten Fällen von der individuellen Wirklichkeit und den individuellen Bedürfnissen
einer Elektrolysezelle abweichen. Grundlegend ist deshalb die Erkenntnis, dass einer
Regulierung und Stabilisierung des AlF₃-Gehaltes eine individuelle Erfassung und Analyse
der Zellenparameter vorausgehen muss, die periodisch erneuert wird. Bei einem guten
Zellengang kann diese Berechnung der Zellenparameter in grösseren, bei schlechtem
Zellengang in kleinen Zeitabständen erfolgen. Weiter ist vom Erfinder gefunden worden,
dass zwischen der Zugane von Aluminiumtrifluorid AlF₃ und dessen Wirkung im Bad einige
Zeit verstreicht, beispielsweise etwa 3 Tage, was in der erfindungsgemäss angewendeten
Modellrechnung für die AlF₃-Zugabe berücksichtigt ist.
[0013] Die mehrtägige Zeitverzögerung zwischen der AlF₃-Zugabe und deren Wirkung hatte stets
zur Folge, dass wegen fehlender Reaktion wenigstens täglich weiter Aluminiumfluorid
zugegeben und dann der Zielwert regelmässig überschossen wurde. Als Folge davon musste
mit viel zum hohem AlF₃-Gehalt gefahren oder Soda Na₂CO₃ oder Natriumfluorid NaF in
grösseren Mengen als neutralisierendes Gegenmittel zugegeben werden, welche ihrerseits
auch zeitverzögert reagierten.
[0014] Diese überraschenden Effekte kann sich der Erfinder nur dadurch erklären, dass das
mit zunehmendem Zellenalter vermehrt in der Kohlenstoffauskleidung enthaltene NaF
vorerst mit zugenenem AlF₃ reagiert. Das in dem Kohlenstoff enthaltene Natriumfluorid
wirkt also als Puffer. Erst wenn eine Sättigung erfolg-t ist, wird die AlF₃-Konzentration
im Elektrolyten erhöht, wobei die Temperatur sinkt. Der Puffer gibt dadurch wieder
AlF₃ zurück, was zusammen mit dem inzwischen zusätzlich zugegebenen Aluminiumfluorid
zu einer über das Ziel hinausschiessenden Erhöhung der AlF₃-Konzentration führt.
[0015] Wie angedeutet erfolgen die Messung und Analyse des individuellen Zustands einer
Aluminiumelektrolyse und die Ermittlung der optimalen Zeitverschiebung nicht nur für
jede Zelle separat, sondern allenfalls auch in unterschiedlichen Zeitabständen. Bei
gesunden, normal arbeitenden Zellen erfolgt dies bevorzugt alle 1 bis 2 Monate, bei
schlechtem Ofengang in einem Abstand von 1 bis 5 Tagen ausser Programm wiederholt,
bis sich der Ofengang bessert, und die Intervalle wieder verlängert werden können.
Dank des individuellen, aktuellen Erfassens des Zellenzustandes kann auf allgemeine
Tabellen, welche weder dem Zellentyp noch dessen Zustand Rechnung tragen, verzichtet
werden.
[0016] Wie beispielsweise aus der EP-B1 0195142 an sich bekannt, kann die Messung des AlF₃-Gehaltes
durch eine Temperaturmessung ersetzt werden. Dies ist nicht nur einfacher, sondern
erfasst eine Temperaturabhängigkeit des AlF₃-Gehaltes zwangsläufig und kann direkt
verwertet werden.
[0017] Als wesentlichste Parameter für die erfindungsgemäss angewandte Modellrechnung dienen
die Flussmasse M und die täglichen AlF₃-Verluste v. Diese Parameter werden aus Messungen
der Konzentration c und den Zugaben z von AlF₃ im Elektrolyten während eines Zeitraums
t₁ von vorzugsweise 10 bis 60 Tagen, insbesondere 20 bis 30 Tagen berechnet. Der Zeitraum
t₁ ist einerseits so kurz, dass der individuelle Zustand einer Zelle aktuell erfasst
werden kann, aber andrerseits so lang, dass zufällige, kurzfristige Aenderungen ohne
Trend unberücksichtigt bleiben.
[0018] Die berechneten Flussmasse M und täglichen AlF₃-Verluste v werden in die Modellrechnung
aufgenommen und mit Zeitverschiebungen ZV von vorzugsweise 1 bis 10 ganzen Tagen durchgerechnet.
Der beste Parametersatz wird entsprechend an sich bekannter statistischer Kriterien
ausgewählt und die Zugabe z von AlF₃ unter Vorgabe eines AlF₃-Gehaltes c zwischen
10 und 15 Gew.-% berechnet. Die Vorgabe für den AlF₃-Gehalt c richtet sich nach der
als optimal erachteten Elektrolysetemperatur. Diese kann beispielsweise mit etwa 12
Gew.-% Aluminiumfluorid erhalten werden.
[0019] Der beste, die Zeitverschiebung ZV enthaltende Parametersatz wird für die nächsten
n Tage für die Zugabe z von Aluminiumfluorid verwendet. Dabei wird die folgende Formel
verwendet
wobei M die Flussmasse, c
s der Sollwert für den AlF₃-Gehalt, c
m den Momentanwert für den AlF₃-Gehalt und v den täglichen AlF₃-Verlust bedeutet.
[0020] Entspricht der Sollwert c
s exakt dem Momentanwert c
m, so müssen lediglich die Verluste ersetzt werden.
[0021] Der Zeitraum von n Tagen sollte in der Regel nicht grösser sein als der Zeitraum
t₁, während welchem die Grundlagen für die Ermittlung der Parameter gemessen wurden.
Der Zeitraum ist um die Zeitverschiebung ZV korrigiert.
[0022] Mit einer modifizierten Formel kann vorausgesagt werden, wie hoch nach der Modellrechnung
am Tag t
x der Gehalt c
x an Aluminiumfluorid sein soll. Durch eine Messung am betreffenden Tag t
x kann das Modell auf seine Tauglichkeit geprüft und allenfalls angepasst werden.
[0023] Wird nach der obenstehenden Formel für den Zusatz z von AlF₃ ein negativer Wert errechnet,
so ist das Bad mit Aluminiumfluorid übersättigt und braucht keine Zugabe mehr. Mit
dem erfindungsgemässen Verfahren sollte keine oder nur eine geringe Uebersättigung
mit Aluminiumfluorid auftreten. Falls diese vor dem natürlichen Einpendeln wegen des
AlF₃-Verlustes korrigiert werden will oder muss, wird ein ebenfalls zeitverzögert
wirkendes Gegenmittel, wie beispielsweise Soda oder Natriumfluorid zugegeben. Die
Zeitverzögerung wird ebenfalls in einer zellenspezifischen Modellvorrichtung berechnet.
Weiter kann eine Übersättigung mit Aluminiumfluorid durch Anpassung der Spannung korrigiert
werden.
[0024] Die Zugabe von Soda erfolgt vorzugsweise nach der Formel
[0025] Für die Ermittlung der optimalen Zeitverschiebung ZV für die AlF₃-Zugabe z können
auch verfeinerte, untertägige Werte eingegeben werden. Da die mit der Modellrechnung
ermittelte optimale Zeitverschiebung ZV für die Aluminiumfluoridzugabe bei in der
Aluminiumindustrie eingesetzten Elektrolysezellen in der Regel im Bereich von 2 bis
5 Tagen, insbesondere 3 Tagen, liegt, werden nach einer weiterentwickelten Ausführungsform
der Erfindung in diesem Zeitraum liegende untertägige Zeitverschiebungen ZV durchgerechnet
und zur Ermittlung des besten Parametersatzes aufgelistet. Schon durch die Einführung
einer Stelle nach dem Komma kann der grobe Raster für die Zeitverschiebung ZV auf
die in der Praxis erforderliche Feinheit gebracht werden.
[0026] Die Modellrechnung zur Ermittlung der optimalen Zeitverschiebung ZV und der Zugabe
z von Aluminiumfluorid kann durch die Einführung von zusätzlichen Parametern erweitert
werden:
- Flussstand. Offensichtlich ist die Elektrolytmasse nicht nur eine Funktion der Temperatur,
sondern insbesondere auch des Flussstands, mit andern Worten des Abstands von der
Aluminiumoberfläche zur Oberfläche des Elektrolyten.
- Thermische Bilanz der Zelle. Diese Bilanz sagt aus, wieviel Energie durch den Boden,
die Seitenwände, die Kapselung und die Elektroden abfliesst. Durch den Stromdurchfluss
wird nicht nur ein elektrochemischer Prozess aufrechterhalten, sondern durch elektrischen
Widerstand des Elektrolyten Wärme erzeugt.
- Spannungsabfall. Der Spannungsabfall im Elektrolyten hängt von der Anzahl der Ionen
und deren Beweglichkeit ab.
[0027] Im Prizip ist es unwesentlich, wie das benötigte Aluminiumfluorid zugeführt wird.
Herkömmlich wird das Aluminiumfluorid sackweise eingebracht, modernere Zellen arbeiten
mit Dosiergeräten, wobei zunehmend auch die Dichtstromförderung eingesetzt wird. Die
Dosiergeräte bzw. -vorrichtungen sind bevorzugt von einem Prozessrechner gesteuert
und geben das Aluminiumfluorid portionenweise oder kontinuierlich ab.
[0028] Mit dem erfindungsgemässen Verfahren können die Schwankungen der AlF₃-Konzentration
im Elektrolyten auf eine Standardabweichung von 1 bis 2% reduziert werden, was in
einem Konzentrationsbereich von 10 bis 15 Gew.-% Aluminiumfluorid eine vereinfachte
Prozessführung und eine namhafte Mehrproduktion von Aluminium bringt. Das Ueberschiessen
von Zielwerten kann verhindert werden, ebenso weitgehend die Zugabe eines Gegenmittels
wie Soda oder Natriumfluorid. Elektrolytzusätze, wie beispielsweise Lithiumfluorid,
welche sich bei bestimmten Verwendungen schädlich bemerkbar machen, sind nicht notwendig.
[0029] Die im Zusammenhang mit vorliegender Erfindung definierten Messgrössen und ihre Masseinheiten
sind die folgrenden:
c : AlF₃-Gehalt im Elektrolyten (Gew.-%)
t₁: Zeitraum (Tage)
z : AlF₃-Zugabe (kg/Tag
ZV: Zeitverschiebung (Tage)
M : Flussmasse (kg)
v : AlF₃-Verluste (kg/Tag)
z
s: Soda-Zugabe (kg/Tag
n : Tage
c
s: Sollwert AlF₃-Gehalt (Gew.-%)
Beispiel
[0030] In Fig. 1 ist der typische Zeitverlauf der AlF₃-Konzentration (Gew.-%) mit den entsprechenden
AlF₃-Zugaben in kg/Tag angegeben. Man erkennt die starken Schwankungen zwischen 5
und 15 % des AlF₃-Überschusses, hervorgerufen durch die verzögerte Reaktion der Elektrolysezelle
auf die AlF₃-Zugabe.
[0031] In Tabelle I sind die Ergebnisse der Berechnung der Modellparameter dargestellt.
Für den Zeitraum von 50 Tagen wurden für verschiedene Zeitverschiebungen (ZV = 1 bis
10 Tage) die AlF₃-Verluste (v in kg/Tag) bei vorgegebener Flussmasse von 6.000 kg
berechnet. Ausgewählt wird der Datensatz mit dem kleinsten Residuum (ZV = 3 Tage,
dc(0) = 1.14).
[0032] In Tabelle II ist die Berechnung der optimalen Zugabe zur Stabilisierung der AlF₃-Konzentration
angegeben.
Es bedeutet:
[0033] f: Flussstand (cm)
[0034] x: Metallstand (cm)
[0035] Tf: Flusstemperatur (°C)
[0036] z, z
s: AlF₃-, sodazugaben (kg/Tag)
[0037] c: AlF₃-Konzentration (Gew.-%)
[0038] In Fig. 2 ist der Zeitverlauf der AlF₃-Konzentration (Gew.-%) entsprechend Fig. 1
nach Einsatz der Modellberechnungen (ab Januar) dargestellt. Man erkennt die wesentlich
verbesserte zeitliche stabilität der Werte.
1. Verfahren zur Regulierung und Stabilisierung eines wenigstens bei 10 Gew.-% liegenden
AlF₃-Gehaltes (c) im Bad einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium aus
in einer Kryolithschmelze gelöstem Aluminiumoxid,
dadurch gekennzeichnet, dass
während eines Zeitraums (t₁) aus einer mehrere Parameter umfassenden Serie von Messwerten
der individuelle Zustand einer Aluminiumelektrolysezelle, insbesondere von deren kathodischer
Kohlenstoffwanne, analysiert, mit einer Modellrechnung die optimale Zeitverschiebung
(ZV) zwischen der Zugabe von AlF₃ und deren Wirkung im Elektrolyten ermittelt, die
Zugaben (z) von AlF₃ unter Vorgabe eines bestimmten AlF₃-Gehaltes (c) in Berücksichtigung
der Zeitverschiebung (ZV) berechnet und AlF₃ portionenweise oder kontinuierlich zugegeben
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse des individuellen
Zustandes einer Aluminiumelektrolysezelle und die Ermittlung der optimalen Zeitverschiebung
(ZV) bei normal arbeitender Zelle alle 1 bis 2 Monate, bei schlechtem Ofengang im
Abstand von 1 bis 5 Tagen ausser Programm, wiederholt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des AlF₃-Gehaltes
durch eine Temperaturmessung ersetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus Messungen
der Konzentration (c) und Zugaben (z) von AlF₃ im Elektrolyten während eines Zeitraums
(t₁) von 10 bis 60 Tagen, vorzugsweise 20 bis 30 Tagen, die Flussmasse (M) und die
täglichen AlF₃-Verluste (v) berechnet und in der Modellrechnung Zeitverschiebungen
(ZV), vorzugsweise 1 bis 10 ganze Tage, eingesetzt werden, der beste Parametersatz
entsprechend statistischer Kriterien ausgewählt und die Zugabe (z) von AlF₃ unter
Vorgabe eines AlF₃-Gehaltes zwischen 10 und 15 Gew.-% berechnet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe
(z) von AlF₃ für die nächsten n Tage unter Anwendung des besten, die Zeitverschiebung
(ZV) enthaltenden Parametersatzes nach der Formel
berechnet wird, wobei M die Flussmasse, c
s der Sollwert für den AlF₃-Gehalt, c
m den Momentanwert für den AlF₃-Gehalt und v den täglichen AlF₃-Verlust bedeutet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem negativen Zugabewert
(z) für AlF₃ mit Soda oder Natriumfluorid oder durch Anpassung der Spannung neutralisiert
wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Soda nach der Formel
zugegeben wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Modellrechnung
für die Ermittlung der optimalen Zeitverschiebung (ZV) für die AlF₃-Zugabe (z) verfeinerte
untertägige Werte eingegeben werden, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 5 Tagen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Flussstand
in der Aluminiumelektrolysezelle, deren thermische Bilanz und/oder Spannungsabfall
als Verfeinerung in die Modellrechnung zur Ermittlung der Zeitverschiebung (ZV) und
der Zugabe (z) von AlF₃ einbezogen werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, das: das AlF₃
sackweise oder mit einer von einem Prozessrechner gesteuerten Dosiervorrichtung zugegeben
wird.