Способ регулирования электролизера

Изобретение касается способа регулирования электролизера для получения алюминия путем восстановления из глинозема, растворенного в ванне расплавленного криолита. Изобретение включает формирование на внутренних стенках корпуса корки затвердевшего расплава криолита, определяют показатель В, называемый показателем развития корки и чувствительный к развитию указанной корки затвердевшего расплава криолита, и изменяют по меньшей мере одно из средств регулирования электролизера, таких как межполюсное расстояние (Н), и/или по меньшей мере одну операцию управления, такую как добавление AlF₃, в зависимости от полученного значения указанного показателя. Показатель можно определять на основании электрических измерений на электролизере и/или на основании измерений площади слоя жидкого металла. Изобретение позволяет эффективно регулировать электролизер при значениях силы тока, достигающих 500 кА, с электролитической ванной, содержащей более 11% AlF₃, и существенно сокращать число измерений содержания AlF₃ в ванне. 2 н. и 54 з.п. ф-лы, 1 табл., 8 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение касается способа регулирования электролизера для получения алюминия путем электролиза глинозема, растворенного в электролите, приготовленном на основе расплава криолита, в частности, по методу Холла-Эру.

Предшествующий уровень техники

Металлический алюминий получают в промышленном масштабе электролизом расплавов, а именно путем электролиза глинозема в виде раствора в ванне расплавленного криолита, называемой электролитической ванной, в частности, при помощи хорошо известного способа Холла-Эру. Электролитическую ванну помещают в корпус, называемый «корпусом электролиза» и содержащий стальной кожух, покрытый изнутри огнеупорными и/или изолирующими материалами, и катодную сборку (устройство), расположенную на дне корпуса. Аноды из углеродистого материала частично погружены в электролитическую ванну. Установку, состоящую из корпуса электролиза, анода или анодов и электролитической ванны, называют электролизером.

Ток электролиза, проходящий в жидкой электролитической ванне и в жидком слое алюминия через аноды и катодные элементы, вызывает реакции восстановления алюминия, а также обеспечивает поддержание в электролитической ванне температуры порядка 950°С благодаря эффекту Джоуля. В электролизер равномерно подают глинозем для того, чтобы компенсировать потребление глинозема при реакциях электролиза.

Производительность и выход по току электролизера зависят от нескольких факторов, таких как сила и распределение тока электролиза, температура ванны, содержание глинозема в растворе и кислотность электролитической ванны и т.д., взаимодействующих друг с другом. Например, температура плавления криолитной ванны снижается при наличии избытка трифторида алюминия (AlF₃) по отношению к номинальному составу (3 NaF· AlF₃). На современных заводах рабочие параметры устанавливают таким образом, чтобы получить выход по току, превышающий 90%.

Вместе с тем, на реальный выход по току электролизера в значительной мере влияют изменения его параметров. Например, повышение температуры электролита на десяток градусов Цельсия может снизить выход по току примерно на 2%, а понижение температуры электролита на десяток градусов Цельсия может понизить и без того низкую растворимость глинозема в электролите и привести к "анодному эффекту", то есть к анодной поляризации с резким скачком напряжения на клеммах электролизера и выделением большого количества фтористых и фтористо-углеродистых веществ и/или изолирующих веществ на поверхности катода.

Поэтому управление электролизером требует точного контроля за рабочими параметрами, такими как температура, содержание глинозема, кислотность и т.д. таким образом, чтобы поддерживать их в пределах заданных значений. Для решения этой задачи было разработано несколько способов регулирования. Эти способы, как правило, основаны либо на регулировании содержания глинозема в электролитической ванне, либо на регулировании ее температуры, либо на регулировании ее кислотности, то есть избытка AlF₃.

Техническая задача

Производители алюминия ведут постоянные поиски с целью повышения объема производства и производительности заводов по получению алюминия электролизом.

В частности, для повышения производительности таких заводов стремятся получить выход по току более 95% при работе с избытком AlF₃, превышающим 11% и достигающим 13-14%, что позволяет снизить рабочую температуру электролизеров (действительно, температура ликвидуса падает примерно на 5°С/%AlF₃) и, следовательно, уменьшить энергозатраты этих электролизеров. Однако в этой области химического состава резко понижается растворимость глинозема, что приводит к значительному повышению опасности возникновения анодного эффекта и осаждения изолирующих веществ на катоде.

С другой стороны, с целью повышения объема производства на заводах стремятся повысить производительность самих электролизеров и, соответственно, повысить силу тока электролиза. В настоящее время отмечается тенденция использования электролизеров с силой тока электролиза, достигающей или превышающей 500 кА. Повышение производительности электролизеров может быть достигнуто, как правило, либо путем увеличения допустимой силы тока электролиза для электролизеров известного типа или существующих на сегодняшний день, либо путем реализации электролизеров очень больших размеров. В первом случае повышение допустимой силы тока электролиза приводит к уменьшению массы электролитической ванны, что усугубляет эффект нестабильности. Во втором случае увеличение размера электролизеров не только повышает потребление глинозема, но также усиливает явления, порождающие неустойчивость и отклонения в работе электролизеров, что еще больше обостряет проблему управления электролизерами.

В связи с этим заявитель стремился к разработке способа регулирования работы электролизера, в частности, кислотности электролитической ванны (то есть содержания в ней AlF₃) и общего теплового режима электролизера, что обеспечивает устойчивое управление электролизерами, избыток AlF₃ в которых превышает 11%, а сила тока электролиза может достигать или превышать 500 кА, при этом выход по току может превышать 93% и даже 95%, причем пропадает необходимость частых корректировок содержания AlF₃.

Сущность изобретения

Объектом настоящего изобретения является способ регулирования электролизера, предназначенного для получения алюминия электролизом расплава, то есть путем пропускания тока через электролитическую ванну на основе расплава криолита, содержащую растворенный глинозем, в частности, при помощи способа Холла-Эру.

Способ регулирования в соответствии с настоящим изобретением содержит добавление глинозема в электролитическую ванну электролизера и отличается тем, что содержит определение величины В, называемой в настоящем изобретении «показателем развития корки» и чувствительной к развитию корки из отвержденной ванны, образующейся на боковых стенках корпуса, и изменение (корректировку) по меньшей мере одного из средств регулирования электролизера и/или по меньшей мере одной операции управления в зависимости от полученного значения указанного показателя.

Заявитель неожиданным образом заметил, что учет развития массы отвержденной ванны при регулировании электролизера позволяет уменьшить амплитуду и дисперсию (разброс) флуктуаций рабочих параметров электролизера, таких как кислотность.

Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения указанный показатель определяют на основании электрического измерения, выполняемого на электролизере с возможностью обнаружения изменений линий тока, индуцированных развитием корки. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения указанный показатель определяют на основании величины ΔRS, называемой в настоящем изобретении «приведенным изменением сопротивления» (от франц. "variation de la résistance spécifique"), которое определяют на основании сопротивления R электролизера.

Согласно другому варианту реализации настоящего изобретения указанный показатель определяют на основании определения площади слоя жидкого металла, выполняемого с возможностью обнаружения изменений площади жидкого металла, связанных с развитием корки.

Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения указанный показатель определяют на основании комбинации электрического измерения и измерения площади слоя металла.

Предпочтительно, настоящее изобретение может применяться для регулирования кислотности электролитической ванны. В частности, способ регулирования может содержать добавление в электролитическую ванну электролизера в течение заранее определенных интервалов времени р, называемых «периодами регулирования», количества Q(p) трифторида алюминия (AlF₃), определяемого суммой по меньшей мере одного базового члена Qo(p), соответствующего чистому среднему потреблению AlF₃ электролизером, и корректирующего члена Qi(p), включающего в себя по меньшей мере один член Qsol(p), называемый «зависящим от корки членом», который определяют на основании по меньшей мере одного показателя развития корки. Следовательно, количество Q(p) определяется формулой: Q(p) = Qo(p) + Qi(p) = Qo(p) + Qsol(p)+ ....

Заявитель заметил, что зависящий от корки член Qsol(p) позволяет существенно сократить число анализов по определению содержания AlF₃ в жидкой электролитической ванне, так как такие измерения сказываются на объеме производственных затрат и, как правило, приводят к увеличению числа погрешностей.

Предпочтительно можно комбинировать указанные изменения (корректировки) по меньшей мере одного средства регулирования электролизера и по меньшей мере одной операции управления.

Фигуры

Фиг. 1 - изображение в поперечном разрезе типового электролизера.

Фиг. 2 - принципиальная схема последовательности регулирования в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 3 и 4 - типичные функции, используемые для определения членов Q(р).

Фиг. 5 иллюстрирует способ определения приведенного изменения электрического сопротивления электролизера.

Фиг. 6 схематически иллюстрирует форму линий тока, проходящих в электролитической ванне между анодом и слоем жидкого металла.

Фиг. 7 иллюстрирует способ определения площади слоя жидкого металла.

Фиг. 8 иллюстрирует развитие (изменения) общих потребностей электролизера в AlF₃.

Подробное описание изобретения

Как показано на фиг. 1, электролизер (1) для получения алюминия согласно способу электролиза Холла-Эру в типовом исполнении содержит корпус (20), аноды (7), жестко соединенные при помощи средств (8, 9) крепления с анодной рамой (10), и средства (11) подачи глинозема. Корпус (20) содержит стальной кожух (2), элементы (3, 4) внутренней футеровки и катодную сборку (5, 6). Элементы (3, 4) внутренней футеровки, как правило, выполнены в виде блоков из огнеупорных материалов, которые могут быть термоизоляторами. Катодная сборка (5, 6) содержит токоотводные стержни (6), к которым прикрепляют электрические проводники для передачи тока электролиза.

Элементы (3, 4) футеровки и катодная сборка (5, 6) внутри корпуса образуют тигель, содержащий электролитическую ванну (13) и слой (12) жидкого металла в рабочем режиме электролизера, во время которого аноды (7) частично погружены в электролитическую ванну (13). Электролитическая ванна содержит растворенный глинозем и, как правило, полностью перекрыта слоем (14) глинозема.

Ток электролиза проходит в электролитической ванне (13) через анодную раму (10), средства (8, 9) крепления, аноды (7) и катодные элементы (5, 6). Целью подачи глинозема в электролизер является компенсирование практически непрерывного потребления глинозема электролизером, в основном, в результате восстановления металлического алюминия из глинозема. Подача глинозема происходит путем добавления глинозема в жидкую ванну (13) и, как правило, регулируется отдельно.

Металлический алюминий (12), получаемый в ходе электролиза, скапливается на дне корпуса, при этом между жидким металлом (12) и ванной (13) расплавленного криолита образуется достаточно четкая поверхность раздела. Положение этой поверхности раздела «ванна-металл» с течением времени меняется: ее уровень повышается по мере накопления металла на дне корпуса и понижается при извлечении жидкого металла из корпуса.

Несколько электролизеров, как правило, устанавливают в линию в помещениях, называемых электролизными цехами, и выполняют их последовательное электрическое соединение при помощи соединительных проводников (шин) в серию. Обычно электролизеры располагают таким образом, что они образуют две или несколько параллельных серий. Таким образом прохождение тока электролиза от одного электролизера к другому происходит в виде каскада.

В соответствии с настоящим изобретением предложен способ регулирования электролизера (1) для получения алюминия путем электролитического восстановления из глинозема, растворенного в электролитической ванне (13) на основе криолита, при этом указанный электролизер (1) содержит корпус (20), по меньшей мере один анод (7) и по меньшей мере один катодный элемент (5, 6), указанный корпус (20) содержит внутренние боковые стенки (3) и выполняет роль емкости для жидкой электролитической ванны (13), указанный электролизер (1) дополнительно содержит по меньшей мере одно средство регулирования указанного электролизера, содержащее подвижную анодную раму (10), на которой закреплен по меньшей мере один указанный анод (7), указанный электролизер (1) выполнен с возможностью пропускания через указанную ванну тока, называемого током электролиза и характеризуемого силой тока I, при этом, полученный указанным восстановлением алюминий образует на катодном элементе или катодных элементах (5, 6) слой, называемый «слоем (12) жидкого металла», указанный электролизер (1) содержит корку (15) отвержденной ванны на указанных стенках (3), причем указанный способ содержит операции управления указанным электролизером, включая добавление глинозема и добавление AlF₃ в указанную ванну, и отличается тем, что содержит:

- определение значения по меньшей мере одного показателя В, называемого «показателем развития корки», с возможностью обнаружения развития указанной корки (15) отвержденной ванны;

- корректировку по меньшей мере одного средства регулирования и/или по меньшей мере одной операции управления в зависимости от полученного значения одного или каждого показателя развития корки.

Изменения корки отвержденной ванны в основном выражаются изменениями толщины и, в меньшей степени, формы указанной корки.

Указанная корректировка по меньшей мере одного средства регулирования электролизера обычно содержит по меньшей мере одно изменение положения указанной подвижной анодной рамы (10) либо вверх, либо вниз с целью изменения "междуполюсного расстояния" (МПР), т.е расстояния между анодом и расплавленным металлом.

Указанная по меньшей мере одна операция управления обычно содержит добавление определенного количества Q AlF₃ в указанную электролитическую ванну (13). Указанная корректировка может содержать по меньшей мере одно изменение указанного количества Q в зависимости от полученного значения одного или каждого показателя развития корки.

Согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения способ регулирования отличается тем, что указанный по меньшей мере один показатель развития корки включает в себя показатель, называемый «ВЕ», который определяют на основании по меньшей мере одного электрического измерения на указанном электролизере (1) с возможностью обнаружения изменений линий тока, индуцированных развитием указанной корки. Предпочтительно, указанный показатель ВЕ определяют на основании по меньшей мере одного определения указанной силы тока I и по меньшей мере одного определения падения напряжения U на выводах указанного электролизера (1).

Согласно подварианту указанного варианта реализации указанный по меньшей мере один показатель развития корки ВЕ равен приведенному изменению сопротивления ΔRS, которое можно определить с помощью способа измерения, содержащего:

- определение по меньшей мере одного первого значения I1 указанной силы тока I и по меньшей мере одного первого значения U1 падения напряжения U на выводах указанного электролизера (1);

- расчет первого сопротивления R1 на основании по меньшей мере указанных значений I1 и U1;

- перемещение анодной рамы (10) на определенное расстояние ΔН из положения, называемого исходным, либо вверх (при этом ΔН является положительным), либо вниз (при этом ΔН является отрицательным);

- определение по меньшей мере одного второго значения I2 указанной силы тока I и по меньшей мере одного второго значения U2 падения напряжения U на выводах указанного электролизера (1);

- расчет второго сопротивления R2 на основании по меньшей мере указанных значений I2 и U2;

- расчет изменения сопротивления ΔR с использованием формулы ΔR = R2 - R1;

- расчет указанного приведенного (к величине перемещения анодной рамы) изменения сопротивления ΔRS с использованием формулы ΔRS = ΔR/ΔH.

Предпочтительно, способ измерения дополнительно содержит (по меньшей мере после определения значений I1, I2, U1 и U2) перемещение анодной рамы (10) для ее возврата в исходное положение и для восстановления первоначальной регулировки электролизера.

Указанные первое и второе сопротивления (R1 и R2) можно рассчитать по формуле R = (U - Uo)/I, где Uo является константой, обычно находящейся в пределах от 1,6 до 2,0 В. Например, R1 и R2 можно рассчитать как R1 = (U1 - Uo)/I1 и R2 = (U2 - Uo)/I2. Согласно еще одному варианту настоящего изобретения R1 и R2 можно рассчитать, используя средние значения, полученные на основании определенного числа значений напряжения U и силы тока I.

На практике проще задавать порядок перемещения анодной рамы (10) в течение определенного времени и измерять величину ΔН перемещения рамы.

Согласно данному варианту реализации настоящего изобретения способ регулирования предпочтительно содержит:

- определение приведенного изменения сопротивления ΔRS, предпочтительно применяя формулу ΔRS = ΔR/ΔH;

- корректровку по меньшей мере одного средства регулирования и/или по меньшей мере одной операции управления с использованием определенной функции указанного приведенного изменения сопротивления ΔRS.

Указанная корректировка может быть определенной функцией отклонения указанного приведенного изменения сопротивления ΔRS от его контрольного значения ΔPSo, то есть ΔRS-ΔPSo.

Как показано на фиг. 5, сопротивление R обычно измеряют при помощи средств (18) измерения силы I тока, проходящего в электролизере (где I равно сумме катодных токов Ic или анодных токов Ia), и средств (16, 17) измерения падения напряжения, возникающего на выводах электролизера (обычно падения напряжения, возникающего между анодной рамой и катодными элементами электролизера). Указанное сопротивление R обычно рассчитывают, используя отношение: R=(U-Uo)/I, где Uo является константой.

Сопротивление R зависит не только от удельного электрического сопротивления (от франц. résistivite) ρ электролитической ванны (13), расстояния Н между анодом или анодами (7) и слоем (12) жидкого металла и от площади Sa анода или анодов (7), но также от расширения (т.е. отклонения или искривления ) η линий токов (Jc, Js), устанавливающихся в указанной ванне, в частности, между анодом или анодами (7) и коркой (15) отвержденной ванны (линии Jc на фиг. 6). Заявитель решил использовать тот факт, что приведенное изменение электрического сопротивления ΔRS не только зависит от удельного сопротивления электролитической ванны, но и учитывает фактор расширения линий электрического тока, зависящий от наличия, размера и, в меньшей степени, от формы корки (15) отвержденной ванны на стенках корпуса.

Кроме того, заявитель отметил, что, в отличие от общепринятого мнения, расширение η по существу является решающим фактором, влияющим на электрическое сопротивление. Заявитель полагает, что вклад расширения в приведенное изменение электрического сопротивления обычно находится в пределах от 75 до 90%, что означает, что участие удельного электрического сопротивления является очень незначительным, обычно от 10 до 25% (или обычно 15%). При проведении испытаний на электролизерах на 500 кА заявитель наблюдал среднее значение ΔRS порядка 100 нОм/мм, которое уменьшается примерно на -3 нОм/мм при повышении температуры ванны на 5°С, а также при уменьшении содержания AlF₃ на 1%, и наоборот. Вклад удельного сопротивления в это изменение оценивается всего лишь в примерно -0,5 нОм/мм (или примерно 15% от общего значения), при этом вклад расширения, а именно -2,5 нОм/мм, становится доминирующим.

Возможно учитывать вклад расширения линий тока в измеряемое сопротивление (например, путем моделирования линий тока), что существенно повышает надежность приведенного изменения электрического сопротивления как показателя развития корки ВЕ (который сам по себе является показателем теплового состояния электролизера).

В другом предпочтительном варианте изобретения способ регулирования отличается тем, что указанный по меньшей мере один показатель развития корки включает в себя показатель, называемый «ВМ», который определяют на основании определения площади S указанного слоя (12) жидкого металла.

Согласно этому варианту реализации настоящего изобретения способ регулирования предпочтительно содержит:

- определение площади S слоя (12) жидкого металла;

- корректировку по меньшей мере одного средства регулирования и/или по меньшей мере одной операции управления с использованием определенной функции площади S.

Указанная корректировка может быть определенной функцией отклонения, называемого «отклонением площади металла», полученного значения этой площади S от ее заданного значения So (то есть S-So).

Площадь S, которая практически соответствует площади поверхности раздела «металл/ванна», приблизительно равна площади горизонтального поперечного сечения корпуса электролиза. Присутствие отвержденного электролита из ванны на стенках корпуса уменьшает эту площадь на величину, которая колеблется в зависимости от времени и условий работы электролизера.

В предпочтительном подварианте этого варианта изобретения площадь S можно определять на основании измерения объема Vm вылитого металла и соответствующего понижения ΔHm уровня Hm металла (см. фиг. 7). Говоря более конкретно, указанная площадь слоя металла может быть определена с помощью способа измерения, содержащего:

- извлечение некоторого количества жидкого металла из электролизера;

- определение объема Vm указанного количества металла, извлеченного из электролизера;

- определение изменения ΔHm уровня указанного слоя жидкого металла в указанном корпусе;

- определение площади S указанного слоя (12) жидкого металла при помощи формулы S = Vm/ΔHm.

Указанный объем Vm может быть определен путем измерения массы указанного количества жидкого металла, извлеченного из электролизера.

На практике аноды (7) обычно опускают одновременно с понижением уровня жидкого металла таким образом, чтобы поддерживать постоянным междуполюсное расстояние (МПР).

Указанная по меньшей мере одна операция управления может также содержать по меньшей мере одно добавление твердого или жидкого электролита ванны для того, чтобы повысить уровень указанной жидкой электролитической ванны (13) в указанном корпусе (20).

Указанные корректировки по меньшей мере одного средства регулирования электролизера и/или по меньшей мере одной операции управления предпочтительно могут комбинироваться.

Применение изобретения при регулировании кислотности ванны

Согласно варианту реализации настоящего изобретения предложен способ регулирования электролизера (1) для получения алюминия путем электролитического восстановления из глинозема, растворенного в электролитической ванне (13) на основе криолита, при этом указанный электролизер (1) содержит корпус (20), по меньшей мере один анод (7) и по меньшей мере один катодный элемент (5, 6), при этом указанный корпус (20) содержит внутренние боковые стенки (3) и выполняет роль емкости для жидкой электролитической ванны (13), указанный электролизер (1) дополнительно содержит по меньшей мере одно средство регулирования указанного электролизера, содержащее подвижную анодную раму (10), на которой закреплен по меньшей мере один указанный анод (7), указанный электролизер (1) выполнен с возможностью пропускания через указанную ванну тока, называемого током электролиза и характеризуемого силой тока I, полученный указанным восстановлением алюминий образует на катодном элементе или катодных элементах (5, 6) слой, называемый «слоем жидкого металла» (12), указанный электролизер (1) содержит корку (15) отвержденной ванны на указанных стенках (3), причем указанный способ содержит операции управления указанным электролизером, включая добавление глинозема и добавление AlF₃ в указанную ванну, и отличается тем, что содержит:

- включение в способ последовательности регулирования, содержащей ряд временных интервалов р заранее определенной длительности Lp, называемых в дальнейшем «периодами регулирования» или просто «периодами»;

- определение значения по меньшей мере одного показателя В, называемого «показателем развития корки», с возможностью обнаружения развития указанной корки (15) отвержденной ванны;

- определение количества Qo(p), называемого «базовым членом» и соответствующего средней чистой потребности электролизера в AlF₃;

- определение корректирующего члена Qi(р), включающего в себя по меньшей мере один член Qsol(p), называемый «зависящим от корки членом», который определяют на основании по меньшей мере одного или каждого показателя развития корки (15);

- определение количества Q(p) AlF₃, предназначенного для добавления в течение периода р и называемого «определенным количеством Q(p)», путем сложения корректировочного члена Qi(p) с базовым членом Qo(p), то есть Q(p)= Qo(p) + Qi(p);

- добавление в указанную электролитическую ванну в течение периода р действительного количества трифторида алюминия (AlF₃), равного указанному определенному количеству Q(p).

Интервалы (или «периоды») р предпочтительно имеют по существу одинаковую длительность, то есть длительность Lp периодов по существу одинакова для всех периодов, что облегчает применение настоящего изобретения. Указанная длительность Lp, как правило, составляет от 1 до 100 часов.

Член Qsol(p) является функцией изменений массы корки (15) из отвержденной ванны, образующейся на указанных стенках (3), при этом указанные изменения обычно выражаются изменениями толщины (и, в меньшей степени, формы) указанной корки.

В предпочтительном подварианте данного варианта реализации настоящего изобретения член Qsol(p) включает в себя по меньшей мере один член, называемый Qr(p), который может быть определен на основании электрического измерения на электролизере (1) с возможностью обнаружения изменений линий тока, индуцированных развитием указанной корки. Член Qr(p) предпочтительно определяют на основании по меньшей мере одного измерения указанной силы тока I и по меньшей мере одного измерения падения напряжения U на выводах указанного электролизера (1).

В предпочтительном подварианте данного варианта реализации настоящего изобретения способ содержит:

- определение по меньшей мере одного первого значения I1 указанной силы тока I и по меньшей мере одного первого значения U1 падения напряжения U на выводах указанного электролизера (1);

- расчет первого сопротивления R1 на основании по меньшей мере указанных значений I1 и U1;

- перемещение анодной рамы (10) на определенное расстояние ΔН из положения, называемого исходным, либо вверх (в этом случае ΔН является положительным значение), либо вниз (в этом случае ΔН является отрицательным);

- определение по меньшей мере одного второго значения I2 указанной силы тока I и по меньшей мере одного второго значения U2 падения напряжения U на выводах указанного электролизера (1);

- расчет второго сопротивления R2 на основании по меньшей мере указанных значений I2 и U2;

- расчет изменения сопротивления ΔR при помощи формулы ΔR = R2 - R1;

- расчет величины, называемой «приведенным изменением сопротивления» ΔRS, при помощи формулы ΔRS = ΔR/ΔH;

- определение члена Qr(p) с использованием определенной функции указанного приведенного изменения сопротивления ΔRS;

- определение корректирующего члена Qi(p) путем включения по меньшей мере члена Qr(p) в зависящий от корки член Qsol(p).

Предпочтительно, способ измерения дополнительно содержит (по меньшей мере после определения значений I1, I2, U1 и U2) перемещение анодной рамы (10) таким образом, чтобы возвратить ее в исходное положение и восстановить исходную регулировку электролизера.

Указанные первое сопротивление и второе сопротивление (R1 и R2) можно рассчитать при помощи формулы R = (U - Uo)/I, где Uo является константой, обычно составляющей от 1,6 до 2,0 В. Например, R1 и R2 можно получить при помощи формул R1 = (U1 - Uo)/I1 и R2 = (U2 - Uo)/I2. Согласно варианту настоящего изобретения R1 и R2 можно рассчитать, используя средние значения, полученные на основании определенного числа значений напряжения U и силы тока I.

Указанная определенная функция, которая обычно является убывающей, предпочтительно является ограниченной. Она предпочтительно является функцией разности между ΔRS и контрольным значением ΔPSo. На фиг. 3 показана типичная функция, используемая для определения члена Qr.

В упрощенном варианте настоящего изобретения член Qr(p) можно получить, используя простую функцию, такую как: Qr(p) = Kr Ч (ΔRS - ΔRSo), где Kr является константой, которую можно установить эмпирическим путем и значение которой обычно находится в пределах от -0,01 до -10 кг/час/нОм/мм, а еще чаще в пределах от -0,05 до -0,3 кг/час/нОм/мм (что в последнем случае соответствует примерно от -0,5 до -2 кг/период/нОм/мм для периодов длительностью 8 часов) для электролизеров на 300-500 кА.

Член Qr(p) предпочтительно ограничен минимальным значением и максимальным значением. Эти минимальное и максимальное значения могут быть отрицательными, нулевыми или положительными.

На практике возможно осуществить Nr измерений (то есть два или несколько измерений) ΔRS во время периода р. Значение ΔRS, используемое для расчета Qr(p), будет в этом случае средним для числа Nr измеренных значений ΔRS, за исключением, возможно, значений, считающихся выпадающими из общего ряда. Можно также использовать скользящее среднее значение по двум или нескольким периодам для сглаживания тепловых флуктуаций, связанных с эксплуатационным циклом. Эксплуатационный цикл определяют ритмичностью интервенций, т.е. операций обслуживания электролизера, например, для замены анодов или извлечения жидкого металла. Продолжительность эксплуатационного цикла, как правило, составляет от 24 до 48 часов (например, 4 периода по 8 часов).

В другом предпочтительном варианте способа в соответствии с настоящим изобретением член Qsol(p) включает в себя по меньшей мере один член, называемый Qs(p), который может определяться на основании по меньшей мере одного определения площади S(p) указанного слоя (12) жидкого металла. Член Qs(p) предпочтительно определяют на основании отклонения, называемого «отклонением площади металла», полученного значения указанной площади S(p) от ее заданного значения So.

Согласно предпочтительному подварианту данного варианта реализации способ содержит:

- извлечение некоторого количества металла из электролизера;

- определение объема Vm указанного количества жидкого металла, извлеченного из электролизера;

- определение изменения ΔHm уровня указанного слоя жидкого металла в указанном корпусе;

- определение площади S(p) указанного слоя (12) жидкого металла при помощи формулы S = Vm/ΔHm;

- определение члена Qs(p) с использованием определенной функции площади S(p) указанного слоя (12) жидкого металла;

- определение корректирующего члена Qi(p) путем включения по меньшей мере члена Qs(p) в зависящий от корки член Qsol(p).

Указанный объем Vm может быть определен измерением массы указанного количества жидкого металла, извлеченного из электролизера.

Указанная определенная функция, обычно являющаяся возрастающей, предпочтительно является ограниченной. Она предпочтительно является функцией разности между площадью S(p) слоя (12) жидкого металла и заданным значением So. На фиг. 4 показана типичная функция, используемая для определения члена Qs.

В упрощенном варианте настоящего изобретения член Qs(p) можно получать, используя простую функцию, такую как: Qs(p) = Ks Ч (S(p) - So), где Ks является константой, устанавливаемой эмпирическим путем и обычно находящейся в пределах от 0,0001 до 0,1 кг/час/дм², а еще чаще - от 0,001 до 0,01 кг/час/дм² (что соответствует в последнем случае примерно от 0,01 до 0,05 кг/период/дм² для периодов длительностью 8 часов) для электролизеров на 300-500 кА.

Член Qs(p) предпочтительно ограничен минимальным значением и максимальным значением. Эти минимальное и максимальное значения могут быть отрицательными, нулевыми или положительными.

Заявитель отметил, что корректирующие члены Qr(p) и Qs(p) в соответствии с настоящей заявкой являются эффективными показателями общего теплового состояния электролизера, учитывающими как жидкую электролитическую ванну, так и корку отвержденной ванны на стенках корпуса. Эти члены, взятые отдельно или в сочетании (комбинации), позволяют, в частности, существенно сократить число анализов на содержание AlF₃ в жидкой электролитической ванне. Заявитель заметил, что частота выполнения анализов на содержание AlF₃ может быть сокращена до одного анализа на электролизер примерно один раз в 30 дней. Члены Qr(p) и Qs(p), которые могут комбинироваться, позволяют производить анализы на содержание AlF₃ только в виде исключения или с целью определения статистической характеристики электролизера или серии электролизеров. Члены Qr(p) и Qs(p) обеспечивают также долгосрочное термическое регулирование толщины корки.

В предпочтительном варианте настоящего изобретения базовый член Qo(p) определяют с помощью члена Qint(p), называемого «интегральным» (или «самоадаптирующимся»), который отражает общую реальную потребность электролизера в AlF₃. Член Qint(p) рассчитывают на основании среднего значения Qm(p) реальных добавлений AlF₃, осуществленных в течение N последних периодов. Член Qint(p) учитывает потери AlF₃ в электролизере, происходящие во время нормальной работы электролизера в основном за счет абсорбции тиглем корпуса и выделений с отходящими газами. Этот член, среднее значение которого не является нулевым, позволяет, в частности, контролировать процесс старения корпуса, не прибегая к его моделированию, благодаря эффекту запоминания поведения электролизера во времени. Он также учитывает процесс старения каждого отдельного корпуса, который, как было замечено заявителем, существенно отличается от среднего старения однотипного поколения корпусов.

В связи с этим способ дополнительно содержит:

- определение среднего значения Qm(p) общих добавлений AlF₃ на период в течение N последних периодов;

- определение количества Qint(p), предпочтительно с использованием следующей формулы «сглаживания»: Qint(p) = (1/D) Ч Qm(p) + (1 - 1/D) Ч Qint(p - 1), где D является параметром сглаживания, устанавливающим временной горизонт сглаживания;

- определение базового члена Qo(p) с помощью формулы Qo(p) = Qint(p).

Значение горизонта D, позволяющее избежать тепловых и химических флуктуаций в среднесрочном и долгосрочном плане, равен Pc/Lp, где Рс является периодом, обычно составляющим от 400 до 8000 часов, а еще чаще - от 600 до 4500 часов, а Lp является длительностью периода. Таким образом, значение D обычно равно от 50 до 1000 периодов по 8 часов в случае применения данного варианта организации работы.

Член Qo(p) можно корректировать таким образом, чтобы учитывать влияние добавлений глинозема на действительный состав электролитической ванны. Для этого способ в соответствии с настоящим изобретением может дополнительно содержать:

- определение компенсирующего члена Qc1(p), соответствующего так называемому «эквивалентному» количеству AlF₃, содержащемуся в глиноземе, добавленном в электролизер в течение периода р;

- изменение члена Qo(p) путем вычитания члена Qc1(p) из указанного члена Qo(p), то есть с использованием формулы Qo(p) = Qo(p) - Qc1(p).

Член Qc1(p) соответствует так называемому «эквивалентному» количеству AlF₃, поступающему в электролизер посредством глинозема, добавляемого в электролизер в течение периода р, причем это количество может быть положительным или отрицательным. Этот член определяют путем установления химического баланса фтора и натрия, содержащихся в указанном глиноземе, на основании одного или нескольких химических анализов. Содержащийся в глиноземе натрий нейтрализует фтор и соответствует в этом случае отрицательному количеству AlF₃. Член Qc1(p) является положительным, если указанный глинозем «фторирован» (что происходит, когда его применяют для фильтрования отходящих из электролизера газов), и отрицательным, если глинозем является «свежим», то есть полученным непосредственно при помощи процесса Байера.

В предпочтительном варианте настоящего изобретения член Qm(p) рассчитывают с помощью отношения:

Qm(p) = <Q(p)> + <Qc1(p)>, где

<Q(p)>=(Q(p-N) + Q(p-N+1) + Q(p-N+2) + ... + Q(p-1))/N,

<Qc1(p)=(Qc1(p-N) + (Qc1(p-N+1) + Qc1(p-N+2) + ... + Qc1(p-1))/N, при этом N является константой.

Таким образом, член Qm(p) равен Q(p-1) + Qcl(p-1), если N=1; равен (Q(p-2) + Qcl(p-2) + Q(p-1) + Qc1(p-1))/2, если N=2; равен (Q(p-3) + Qc1(p-3) + Q(p-2) + Qc1(p-2) + Q(p-1) + Qc1(p-1))/3, если N=3 и т.д.

Значение параметра N выбирают в зависимости от времени прохождения реакции в электролизере, обычно в пределах от 1 до 100, предпочтительно от 1 до 20.

Таким образом, член Qm(p) учитывает общую подачу AlF₃, то есть «прямую» подачу при добавлениях AlF₃, и «непрямую» подачу при добавлениях глинозема.

В другом предпочтительном варианте настоящего изобретения определение Qi(p) содержит дополнительный корректирующий член Qc2(p), называемый «амортизирующим», который учитывает запаздывание реакции в электролизере при добавлениях AlF₃. Член Qc2 является членом априорной коррекции, который позволяет заранее учитывать эффект добавления AlF₃, в нормальных условиях проявляющийся только через несколько дней. Действительно, заявитель отметил чрезвычайный масштаб разницы между временной константой изменения температуры, которая является незначительной (порядка нескольких часов), и временной константой содержания AlF₃, которая является очень значительной (порядка нескольких десятков часов). Во время испытаний он обнаружил большое преимущество в том, чтобы предвосхищать изменение кислотности ванны электролизера при добавлении AlF₃, что позволяет эффективно устанавливать член Qc2.

Этот вариант может применяться путем включения в способ в соответствии с настоящим изобретением:

- определения дополнительного корректирующего члена Qc2(p), используя функцию, как правило убывающую и предпочтительно ограниченную, отклонения Qm(p) от Qint(p), то есть Qm(p) - Qint(p);

- добавления корректирующего члена Qc2 при определении Qi(p).

В упрощенном варианте настоящего изобретения член Qc2(p) может быть получен при помощи простого уравнения, такого как Qc2(p) = Kc2 Ч (Qm(p) - Qint(p)), где Кс2 является константой, как правило отрицательной, и может быть установлена эмпирическим путем, при этом она обычно находится в пределах от -0,1 до -1, предпочтительно от -0,5 до -1 для электролизеров на 300 -500 кА.

Член Qc2(p) предпочтительно ограничен минимальным значением и максимальным значением. Эти минимальное и максимальное значения могут быть отрицательными, нулевыми или положительными.

Для того, чтобы быстро привести интегральный член Qint(p) к количеству Q', соответствующему реальным потребностям электролизера в AlF₃, осуществление способа можно начать, просто приняв, что Qint(0) = Qtheo, где Qtheo соответствует общим теоретическим потребностям электролизера в AlF₃ в момент начала регулирования. Потребности электролизера в AlF₃ в основном определяются потерями за счет абсорбции стенками корпуса и при выделении фторсодержащих продуктов. Qtheo является функцией срока службы корпуса, который можно определять статистически для каждого типа электролизера.

Этот вариант может применяться путем включения в способ в соответствии с настоящим изобретением:

- определения количества Qtheo, соответствующего общей теоретической потребности электролизера в AlF₃ в момент начала регулирования; и

- запуска способа путем принятия Qint(0)=Qtheo.

На фиг. 8 показан член Qtheo(p) и принцип "функционирования" интегрального члена Qint(p) в виде типичных их значений.

В другом предпочтительном варианте настоящего изобретения определение Qi(p) включает в себя дополнительный корректирующий член Qt(p), являющийся функцией измеренной температуры электролитической ванны. Член Qt(p) также позволяет избежать регулярных измерений содержания AlF₃ в ванне.

Этот вариант может применяться путем включения в способ в соответствии с настоящим изобретением:

- определения средней температуры Т(р) электролитической ванны;

- определения дополнительного корректирующего члена Qt(p) с использованием определенной функции, которая как правило является возрастающей и предпочтительно ограниченной (то есть она ограничена максимальным значением и минимальным значением) и которая является функцией отклонения указанной температуры Т(р) от заданной температуры То;

- добавления корректирующего члена Qt(p) при определении Qi(p).

В упрощенном варианте настоящего изобретения член Qt(p) выражается простым уравнением, таким как Qt(p) = Kt Ч (T(p) - To), где Kt является константой, как правило положительной, которая может быть установлена эмпирическим путем и которая обычно находится в пределах от 0,01 до 1 кг/час/°С, а предпочтительно от 0,1 до 0,3 кг/час/°С (что в последнем случае соответствует примерно от 1 до 2 кг/период/°С для периодов длительностью по 8 часов) для электролизеров на 300 - 500 кА.

Член Qt(p) предпочтительно ограничен минимальным значением и максимальным значением. Эти минимальное и максимальное значения могут быть отрицательными, нулевыми или положительными.

Среднюю температуру Т(р) обычно определяют на основании измерений температуры, осуществляемых в течение периода р и предыдущих периодов р - 1 и т.д. для получения надежной величины, свидетельствующей о среднем состоянии электролизера.

Члены Qt(p) и Qc2(p) являются регулирующими членами, среднее значение которых во времени обычно стремится к нулю (то есть они в нормальных условиях в среднем являются ничтожными).

В другом предпочтительном варианте настоящего изобретения количество Qi(p) содержит дополнительный корректирующий член Qe(p), являющийся функцией отклонения измеренного избытка Е(р) AlF₃ от его заданного значения Ео.

Этот вариант может применяться путем включения в способ в соответствии с настоящим изобретением:

- измерения избытка E(p) AlF₃;

- определения дополнительного корректирующего члена Qe(p) с использованием определенной функции (которая обычно является возрастающей и предпочтительно ограниченной) отклонения измеренного избытка E(p) AlF₃ от его заданного значения Ео, то есть разности Е(р) - Ео;

- добавления корректирующего члена Qe(p) при определении Qi(p).

В упрощенном варианте настоящего изобретения член Qe(p) может быть получен с помощью простого уравнения, такого как: Qe(p) = Ke Ч (E(p) - Eo), где Ке является константой, которая может быть установлена эмпирическим путем и значение которой обычно находится в пределах от -0,05 до -5 кг/час/%AlF_3, а предпочтительно от -0,5 до -3 кг/час/%AlF₃ (что соответствует в последнем случае примерно от -20 до -5 кг/период/%AlF₃ для периодов длительностью 8 часов) для электролизеров на 300-500 кА.

Член Qe(p) предпочтительно ограничен минимальным значением и максимальным значением. Эти минимальное и максимальное значения могут быть отрицательными, нулевыми или положительными.

Заявитель нашел приемлемым применять член Qe(p) только в исключительном порядке и в течение короткого времени, когда тепловой режим электролизера выходит за пределы нормального рабочего диапазона, то есть когда значения температуры и значения регулирующих членов (Qr, Qs, ...) выходят за так называемые пределы безопасности.

В ходе исследований заявитель заметил, что корректирующий член Qe позволяет быстро осуществить возврат показателей (температура, Qr, Qs, ...) в нормальный рабочий диапазон.

Согласно другому варианту настоящего изобретения возможно также добавлять корректирующие члены, позволяющие учитывать возмущающие точечные явления.

В частности, корректирующий член Qi(p) может содержать так называемый "член анодного эффекта" Qea, чтобы учитывать влияние анодного эффекта на тепловой режим электролизера. Анодный эффект приводит, в частности, к значительным потерям AlF₃ при выбросах и, как правило, к перегреву электролитической ванны. Член Qea применяют в течение ограниченного времени при обнаружении анодного эффекта. Член Qea рассчитывают либо с помощью шкалы (расчетной таблицы), являющейся функцией энергии анодного эффекта (ЭАЭ), либо с помощью заранее установленного среднего значения. В первом случае член Qea получают с помощью функции, обычно возрастающей и предпочтительно ограниченной, энергии ЭАЭ.

Член Qea(p) предпочтительно ограничен минимальным значением и максимальным значением. Эти минимальное и максимальное значения могут быть отрицательными, нулевыми или положительными.

Член Q(p) соответствует добавлению чистого AlF₃ и обычно выражается в кг чистого AlF₃ на период (кг/период). Выражение "добавление действительного количества AlF₃" соответствует добавлению чистого AlF₃. В практике промышленного производства добавления AlF₃, как правило, осуществляют в виде промышленного AlF₃ со степенью чистоты менее 100% (обычно 90%). В этом случае добавляют количество промышленного AlF₃, достаточное для получения требуемого действительного количества AlF₃. Обычно добавляют количество промышленного AlF₃, равное требуемому действительному количеству AlF₃, поделенному на степень чистоты используемого промышленного AlF₃.

Выражение «общие добавления AlF₃» обозначает сумму действительных добавлений чистого AlF₃ и "эквивалентных" добавлений AlF₃ вследствие добавлений глинозема.

AlF₃ можно добавлять различными способами. Его можно добавлять вручную или механическим путем (предпочтительно с помощью средства точечного питания, такого как пробойный дозатор, обеспечивающий добавление определенных порций AlF₃, возможно автоматический). AlF₃ может добавляться вместе с глиноземом или параллельно с глиноземом.

На промышленных электролизерах иногда применяют добавления промышленной ванны и чистого криолита. Эти добавления оказывают влияние на состав электролитической ванны, которое необходимо учитывать при регулировании. Для этого способ регулирования может дополнительно содержать дополнительный корректирующий член Qb, чтобы учитывать изменение содержания чистого AlF₃ в результате таких добавлений.

Различные члены Q(p) предпочтительно определяют в ходе каждого периода р. Когда электролизер начинает работать в устойчивом режиме, достаточно определять количество Q(p), а также некоторые входящие в него члены через более продолжительные промежутки времени, например, один раз в два или три периода. Заявитель заметил, что некоторые из членов Q(p), такие как Qe(p), достаточно применять только в исключительном порядке и в течение ограниченного времени, что позволяет снизить стоимость их определения.

Чтобы избежать избытков добавления AlF₃, предпочтительно из соображений безопасности ограничивать Q(p) максимальным значением Qmax. Предпочтительно также ограничивать во времени применение регулирующих членов, если не представляется возможным определять их в каждом периоде.

Количество Q(p), как правило, определяют в каждом периоде. Если не представляется возможным рассчитывать один или несколько членов Q(p) в ходе данного периода, то можно сохранять значение этого или этих членов, применявшееся в ходе предыдущего периода, то есть значение этого члена или этих членов определяют, принимая его равным значению, применявшемуся в предыдущем периоде. Если один или несколько членов не могут быть рассчитаны в течение нескольких периодов, то можно взять значение этого или этих членов, применявшееся в последнем периоде, для которого оно могло быть рассчитано, и применять это значение в течение ограниченного числа Ns периодов (при этом Ns, как правило, равно 2 или 3). В данном последнем случае, если этот или эти члены по-прежнему не могут быть рассчитаны после Ns периодов, то можно применять заранее определенное фиксированное значение, называемое «запасным значением». Такие ситуации могут возникнуть, когда, например, не представляется возможным определить среднюю температуру ванны электролизера или когда невозможно определить эквивалентное количество AlF₃, содержащегося в глиноземе.

Член Q(p) может быть положительным, нулевым или отрицательным. В последнем случае принимают Q(p) = 0, то есть во время периода р AlF₃ не добавляют. Когда член Q(p) является отрицательным, можно также корректировать состав электролитической ванны (13) путем добавления «соды», то есть кальцинированной соды или карбоната натрия, называемого на английском языке «soda ash».

Как показано на фиг. 2, добавления AlF₃ можно осуществлять в любой момент во время периодов (или последовательностей) регулирования, которые могут соответствовать рабочим сменам, обеспечивая периодичность рабочих смен для бригад, занятых управлением и обслуживанием электролизеров. Количество Q(p) AlF₃, определяемое для периода р, может добавляться два раза или несколько раз во время этого рабочего периода. Предпочтительно, количество Q(p) добавляют в квази-непрерывном режиме при помощи пробойных дозаторов, обеспечивающих добавление заранее определенных порций AlF₃ в течение всего периода р.

Примеры применения изобретения

Нижеследующие примеры иллюстрируют расчеты, присущие способу регулирования в соответствии с настоящим изобретением. Эти расчеты являются характерными для электролизеров на 500 кА, испытания на которых были проведены заявителем. Длительность периодов составляет 8 часов.

Пример 1

Данный пример иллюстрирует использование дополнительных членов Qr и Qs в комбинации с базовыми членами Qint, Qc1, Qc2 и Qso1.

Значение Qtheo для 28 месяцев равно +31 кг/период. Средние потребности Q' для электролизера, определенные с помощью интегрального члена Qint, равны +39 кг/период.

Анализ глинозема показал значение 1,36% фтора и 5250 массовых частей на миллион (ч/млн) в расчете на Na₂O. Потребление глинозема электролизером в течение 8-часового периода составляет 2400 кг. В этом случае член Qc1 равен +22 кг/период в виде чистого эквивалентного добавления AlF₃.

При N = 12 сумма реальных добавлений AlF₃ на каждый из N последних периодов равна 44 кг/период. Отклонение реальных добавлений (44 кг/период) от средних потребностей (39 кг/период) составляет при этом +5 кг/период. В данном случае корректирующий член Qc2 равен -3 кг/период.

Измеренная температура равна 964°С, а заданная температура равна 953°С, что дает отклонение в +10,8°С. В этом случае корректирующий член Qt равен +18 кг/период.

Измеренное значение ΔRS равно 101,8 нОм/мм, а заданное значение ΔPSo равно 106,0 нОм/мм. В этом случае член Qr(p) равен +5 кг/период.

Измеренное значение S равно 6985 дм², а заданное значение равно 6700 дм². Член Qs(p) в этом случае равен +5 кг/период.

Количество AlF₃, добавляемое во время периода р, в этом случае равно: Q(p) = Qint(p) - Qc1(p) + Qc2(p) + Qt(p) + Qr(p) + Qs(p) = 39 - 22 - 3 + 18 + 5 + 5 + 42 кг. Члены Qr и Qs дают показательную коррекцию количества Q(p).

Испытания

Способ в соответствии с настоящим изобретением был использован для регулирования электролизеров с силой тока до 500 кА. Длительность периодов составляла 8 часов.

Испытания проводились для различных типов электролизеров. В таблице I приведены характеристики некоторых электролизеров, на которых проводились испытания, и полученные при этом типичные результаты. В случае А электролизеры регулировались с применением варианта реализации настоящего изобретения, в котором Q(p) определяли с использованием членов Qint(p), Qcl(p), Qc2(p) и Qt(p). В случае В электролизеры регулировались с применением варианта реализации настоящего изобретения, в котором Q(p) определяли с использованием членов Qint(p), Qc1(p), Qc2(p), Qt(p) и Qe(p). В случае С электролизеры регулировались с применением варианта реализации настоящего изобретения, в котором Q(p) определяли с использованием членов Qint(p), Qcl(p), Qc2(p), Qt(p), Q_R(p) и Qs(p).

Таблица I
	Случай А	Случай В	Случай С
Сила тока (кА)	300 кА	330 кА	500 кА
Анодная плотность (А/см2)	0,78	0,85	0,90
Масса жидкой ванны (кг/кА)	25	22	17
Избыток AlF3 (%)	11,8	11,8	13,2
Общее стандартное отклонение (σ %)	1,5	1,3	1,3
Разброс избытков AlF3 при ±2 σ %	8,8-14,8	9,2-14,4	10,6-15,8
Температура ванны (°С)	962	962	961
Общее стандартное отклонение (σ %)	6	6	3,5
Разброс температуры при ±2 σ %	950-974	950-974	954-968
Выход по току (%)	95,0	95,0	95,5

Результаты показывают, что способ регулирования в соответствии с настоящим изобретением позволяет эффективно управлять электролизерами, в которых избыток AlF₃ в ванне превышает 11%, а температура ванны близка к 960°С. Учет членов Qr(p) и Qs(p) при определении Q(p) позволяет эффективно и с невероятной стабильностью регулировать электролизеры с повышенными силой тока и анодной плотностью и с незначительной массой жидкой ванны.

Во время испытаний заявитель заметил, что способ регулирования в соответствии с настоящим изобретением позволяет с большой степенью стабильности контролировать содержание AlF₃ в электролизерах в течение нескольких месяцев, не прибегая к измерениям значений содержания AlF₃, которые в любом случае зачастую содержат значительные погрешности.

1. Способ регулирования электролизера (1) для получения алюминия путем электролитического восстановления из глинозема, растворенного в электролитической ванне (13) на основе криолита, при этом указанный электролизер (1) содержит корпус (20), по меньшей мере один анод (7) и по меньшей мере один катодный элемент (5, 6), указанный корпус (20) содержит внутренние боковые стенки (3) и выполняет роль емкости для жидкой электролитической ванны (13), указанный электролизер (1) дополнительно содержит по меньшей мере одно средство регулирования указанного электролизера, содержащее подвижную анодную раму (10), на которой закреплен по меньшей мере один указанный анод (7), при этом указанный электролизер (1) выполнен с возможностью пропускания через указанную ванну тока, называемого током электролиза и характеризуемого силой тока I, полученный указанным восстановлением алюминий образует на катодном элементе или катодных элементах (5, 6) слой, называемый слоем (12) жидкого металла, указанный электролизер (1) содержит корку (15) отвержденной ванны на указанных стенках (3), включающий операции управления указанным электролизером, добавления глинозема и добавления AlF₃ в указанную ванну, отличающийся тем, тем, что включает определение значения по меньшей мере одного показателя В, называемого показателем развития корки, с возможностью обнаружения развития указанной корки (15) отвержденной ванны, корректировку по меньшей мере одного средства регулирования и/или по меньшей мере одной операции управления в зависимости от полученного значения одного или каждого показателя развития корки.

2. Способ регулирования по п.1, отличающийся тем, что указанный по меньшей мере один показатель развития корки включает в себя показатель, называемый BE, который определяют на основании по меньшей мере одного электрического измерения на указанном электролизере с возможностью обнаружения изменения линий тока, индуцированных развитием указанной корки.

3. Способ регулирования по п.2, отличающийся тем, что указанный показатель BE определяют на основании по меньшей мере одного определения указанной силы тока I и по меньшей мере одного определения падения напряжения U на выводах указанного электролизера.

4. Способ регулирования по п.3, отличающийся тем, что указанный по меньшей мере один показатель развития корки BE равен приведенному изменению сопротивления ΔRS, которое определяют с помощью способа измерения, включающего определение по меньшей мере одного первого значения I1 указанной силы тока I и по меньшей мере одного первого значения U1 падения напряжения U на выводах указанного электролизера (1); расчет первого сопротивления R1 на основании, по меньшей мере, указанных значений I1 и U1, перемещение анодной рамы (10) на определенное расстояние ΔН из положения, называемого исходным, либо вверх, при этом ΔН является положительным, либо вниз, при этом ΔН является отрицательным, определение по меньшей мере одного второго значения I2 указанной силы тока I и по меньшей мере одного второго значения U2 падения напряжения U на выводах указанного электролизера (1), расчет второго сопротивления R2 на основании, по меньшей мере, указанных значений I2 и U2, расчет изменения сопротивления ΔR с использованием формулы ΔR=R2-R1, расчет указанного приведенного изменения сопротивления ΔRS с использованием формулы ΔRS=ΔR/ΔH.

5. Способ регулирования по п.4, отличающийся тем, что способ измерения дополнительно включает, по меньшей мере, после определения значений I1, I2, U1 и U2, перемещение анодной рамы (10) таким образом, чтобы вернуть ее в исходное положение и восстановить первоначальную регулировку электролизера.

6. Способ регулирования по п.5, отличающийся тем, что указанные первое и второе сопротивления рассчитывают при помощи формулы R=(U-Uo)/I, где Uo является константой.

7. Способ регулирования по п.6, отличающийся тем, что константа Uo находится в пределах от 1,6 до 2,0 В.

8. Способ регулирования по любому из пп.4-7, отличающийся тем, что указанная корректировка является определенной функцией отклонения указанного приведенного изменения сопротивления ΔRS от контрольного значения ΔRSo.

9. Способ регулирования по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что указанный по меньшей мере один показатель развития корки включает в себя показатель, называемый ВМ, который определяют на основании определения площади S указанного слоя (12) жидкого металла.

10. Способ регулирования по п.9, отличающийся тем, что указанную площадь слоя металла определяют с помощью способа измерения, включающего извлечение некоторого количества жидкого металла из электролизера, определение объема Vm указанного количества жидкого металла, извлеченного из электролизера, определение изменения ΔHm уровня указанного слоя жидкого металла в указанном корпусе, определение площади S указанного слоя (12) жидкого металла с помощью формулы S=Vm/ΔHm.

11. Способ регулирования по п.10, отличающийся тем, что указанный объем Vm определяют путем измерения массы указанного количества жидкого металла, извлеченного из электролизера.

12. Способ регулирования по любому из пп.9-11, отличающийся тем, что указанная корректировка является определенной функцией отклонения, называемого отклонением площади металла, полученного значения указанной площади S от заданного значения So.

13. Способ регулирования по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что указанная корректировка включает по меньшей мере одно изменение положения указанной подвижной анодной рамы (10) либо вверх, либо вниз таким образом, чтобы изменить междуполюсное расстояние МПР.

14. Способ регулирования по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что указанная корректировка включает по меньшей мере одно добавление твердого или жидкого электролита ванны для того, чтобы повысить уровень указанной жидкой электролитической ванны (13) в указанном корпусе (20).

15. Способ регулирования по любому из пп.1-14, отличающийся тем, что указанная корректировка включает по меньшей мере одно изменение указанного добавления AlF₃.

16. Способ регулирования электролизера (1) для получения алюминия путем электролитического восстановления из глинозема, растворенного в электролитической ванне (13) на основе криолита, при этом указанный электролизер (1) содержит корпус (20), по меньшей мере один анод (7) и по меньшей мере один катодный элемент (5, 6), при этом указанный корпус (20) содержит внутренние боковые стенки (3) и выполняет роль емкости для жидкой электролитической ванны (13), указанный электролизер (1) дополнительно содержит по меньшей мере одно средство регулирования указанного электролизера, содержащее подвижную анодную раму (10), на которой закреплен по меньшей мере один указанный анод (7), указанный электролизер (1) выполнен с возможностью пропускания через указанную ванну тока, называемого током электролиза и характеризуемого силой тока I, при этом полученный указанным восстановлением алюминий образует на катодном элементе или катодных элементах (5, 6) слой, называемый слоем (12) жидкого металла, при этом указанный электролизер (1) содержит корку (15) отвержденной ванны на указанных стенках (3), включающий операции управления указанным электролизером, добавления глинозема и добавления AlF₃ в указанную ванну, отличающийся тем, что включает включение в способ последовательности регулирования, содержащей ряд временных интервалов p заранее определенной длительности Lp, называемых периодами, определение значения по меньшей мере одного показателя В, называемого показателем развития корки, с возможностью обнаружения развития указанной корки (15) отвержденной ванны, - определение количества Qo(p), называемого базовым членом и соответствующего средней чистой потребности электролизера в AlF₃, определение корректирующего члена Qi(p), включающего в себя по меньшей мере один член Qsol(p), называемый зависящим от корки членом, который определяют на основании по меньшей мере одного или каждого показателя развития корки (15), определение количества Q(p) AlF₃, предназначенного для добавления в течение периода р и называемого определенным количеством Q(p), путем сложения корректировочного члена Qi(p) с базовым членом Qo(p), то есть Q(p)=Qo(p)+Qi(p), добавление в указанную электролитическую ванну в течение периода р действительного количества AlF₃, равного указанному определенному количеству Q(p).

17. Способ регулирования по п.16, отличающийся тем, что указанная длительность Lp указанных периодов является, по существу, одинаковой для всех периодов.

18. Способ регулирования по любому из пп.16-17, отличающийся тем, что указанная длительность Lp указанных периодов составляет от 1 до 100 ч.

19. Способ регулирования по любому из пп.16-18, отличающийся тем, что член Qsol(p) содержит по меньшей мере один член Qr(p), который определяют на основании по меньшей мере одного электрического измерения на указанном электролизере (1) с возможностью обнаружения изменений линий тока, индуцированных развитием указанной корки.

20. Способ регулирования по п.19, отличающийся тем, что член Qr(p) определяют на основании по меньшей мере одного измерения указанной силы тока I и по меньшей мере одного измерения падения напряжения U на выводах указанного электролизера (1).

21. Способ регулирования по п.20, отличающийся тем, что включает определение по меньшей мере одного первого значения I1 указанной силы тока I и по меньшей мере одного первого значения U1 падения напряжения U на выводах указанного электролизера (1), расчет первого сопротивления R1 на основании по меньшей мере указанных значений I1 и U1, перемещение анодной рамы (10) на определенное расстояние ΔН из положения, называемого исходным, либо вверх, при этом ΔН является положительным, либо вниз, при этом ΔН является отрицательным, определение по меньшей мере одного второго значения I2 указанной силы тока I и по меньшей мере одного второго значения U2 падения напряжения U на выводах указанного электролизера (1), расчет второго сопротивления R2 на основании по меньшей мере указанных значений I2 и U2, расчет изменения сопротивления ΔR при помощи формулы ΔR=R2-R1, расчет величины, называемой «приведенным изменением сопротивления» ΔRS, при помощи формулы ΔRS=ΔR/ΔH, определение члена Qr(p) с использованием определенной функции указанного приведенного изменения сопротивления ΔRS, определение корректирующего члена Qi(p) путем включения, по меньшей мере, члена Qr(p) в зависящий от корки член Qsol(p).

22. Способ регулирования по п.21, отличающийся тем, что дополнительно включает по меньшей мере после определения значений I1, I2, U1 и U2 перемещение анодной рамы (10) таким образом, чтобы вернуть ее в исходное положение и восстановить первоначальную регулировку электролизера.

23. Способ регулирования по любому из пп.21-22, отличающийся тем, что указанные первое и второе сопротивления рассчитывают с помощью формулы R=(U-Uo)/I, где Uo является константой.

24. Способ регулирования по п.23, отличающийся тем, что константа Uo составляет от 1,6 до 2,0 В.

25. Способ регулирования по любому из пп.21-24, отличающийся тем, что член Qr(p) получают при помощи функции Qr(p)=Kr×(ΔRS-ΔRSo), где Kr является константой, а ΔRSo - контрольным значением.

26. Способ регулирования по п.25, отличающийся тем, что Кг составляет от -0,01 до -10 кг/ч/нОм/мм.

27. Способ регулирования по любому из пп.21-26, отличающийся тем, что член Qr(p) ограничен минимальным значением и максимальным значением.

28. Способ регулирования по любому из пп.16-27, отличающийся тем, что член Qsol(p) содержит по меньшей мере один член Qs(p), который определяют на основании по меньшей мере одного определения площади S(p) указанного слоя (12) жидкого металла.

29. Способ регулирования по п.28, отличающийся тем, что включает извлечение некоторого количества металла из электролизера, определение объема Vm указанного количества жидкого металла, извлеченного из электролизера, определение изменения ΔHm уровня указанного слоя жидкого металла в указанном корпусе, определение площади S(p) указанного слоя (12) жидкого металла при помощи формулы S=Vm/ΔHm, определение члена Qs(p) с использованием определенной функции площади S(p) указанного слоя (12) жидкого металла, определение корректирующего члена Qi(p) путем включения по меньшей мере члена Qs(p) в зависящий от корки член Qsol(p).

30. Способ регулирования по п.29, отличающийся тем, что указанный объем Vm определяют измерением массы указанного количества жидкого металла, извлеченного из электролизера.

31. Способ регулирования по любому из пп.29 и 30, отличающийся тем, что член Qs(p) определяют на основании отклонения, называемого отклонением площади металла, полученного значения указанной площади S(p) от ее заданного значения So.

32. Способ регулирования по любому из пп.29-31, отличающийся тем, что член Qs(p) получают при помощи функции Qs(p)=Ks×(S(p)-So), где Ks является константой.

33. Способ регулирования по п.32, отличающийся тем, что Ks составляет от 0,0001 до 0,1 кг/ч/дм².

34. Способ регулирования по любому из пп.29-33, отличающийся тем, что член Qs(p) ограничен минимальным значением и максимальным значением.

35. Способ регулирования по любому из пп.16-34, отличающийся тем, что включает определение среднего значения Qm(p) общих добавлений AlF₃ на период в течение N последних периодов, определение количества Qint(p) при помощи формулы Qint(p)=(1/D)×Qm(p)+(1-1/D)×Qint(p-1), где D является параметром, устанавливающим временной горизонт, определение количества Qo(p) при помощи формулы Qo(p)=Qint(p).

36. Способ регулирования по п.35, отличающийся тем, что включает определение компенсирующего члена Qc1(p), соответствующего так называемому эквивалентному количеству AlF₃, содержащемуся в глиноземе, добавленном в электролизер в течение периода р, изменение члена Qo(p) путем вычитания члена Qc1(p) из указанного члена Qo(p), то есть с использованием формулы Qo(p)=Qo(p)-Qc1(p).

37. Способ регулирования по п.36, отличающийся тем, что член Qm(p) рассчитывают из отношения

Qm(p)=<Q(p)>+<Qc1(p)>,

где <Q(p)>=(Q(p-N)+Q(p-N+1)+Q(p-N+2)+...+Q(p-1)/N,

<Qc1(p)>=(Qc1(p-N)+Qc1(p-N+1)+Qc1(p-N+2)+...+Qc1(p-1)/N, где N является константой.

38. Способ регулирования по п.37, отличающийся тем, что N составляет от 1 до 100.

39. Способ регулирования по любому из пп.35-38, отличающийся тем, что параметр D равен Pc/Lp, где Рс составляет от 400 до 8000 ч.

40. Способ регулирования по любому из пп.35-39, отличающийся тем, что включает определение количества Qtheo, соответствующего общей теоретической потребности электролизера в AlF₃ в момент начала регулирования, запуск способа при Qint(0)=Qtheo.

41. Способ регулирования по любому из пп.35-40, отличающийся тем, что включает определение дополнительного корректирующего члена Qc2(p) с использованием функции отклонения Qm(p) от Qint(p), добавление корректирующего члена Qc2(p) при определении Qi(p).

42. Способ регулирования по п.41, отличающийся тем, что член Qc2(p) получают с использованием формулы Qc2(p)=Кс2×(Qm(p)-Qint(p)), где Кс2 является константой.

43. Способ регулирования по п.42, отличающийся тем, что Кс2 составляет от -0,1 до -1.

44. Способ регулирования по любому из пп.41-43, отличающийся тем, что член Qc2(p) ограничен минимальным значением и максимальным значением.

45. Способ регулирования по любому из пп.16-44, отличающийся тем, что включает определение средней температуры Т(р) электролитической ванны, определение дополнительного корректирующего члена Qt(p) с использованием определенной функции отклонения указанной температуры Т(р) от заданной температуры То, добавление корректирующего члена Qt(p) при определении Qi(p).

46. Способ регулирования по п.45, отличающийся тем, что член Qt(p) получают при помощи формулы Qt(p)=Kt×(Т(р)-То), где Kt является константой.

47. Способ регулирования по п.46, отличающийся тем, что Kt составляет от 0,01 до 1 кг/ч/°С.

48. Способ регулирования по любому из пп.45-47, отличающийся тем, что член Qt(p) ограничен минимальным значением и максимальным значением.

49. Способ регулирования по любому из пп.16-48, отличающийся тем, что включает измерение избытка Е(р) AlF₃, определение дополнительного корректирующего члена Qe(p) с использованием функции отклонения измеренного избытка Е(р) AlF₃ от его заданного значения Ео, добавление корректирующего члена Qe(p) при определении Qi(p).

50. Способ регулирования по п.49, отличающийся тем, что член Qe(p) получают при помощи формулы Qe(p)=Ке×(Е(р)-Ео), где Ке является константой.

51. Способ регулирования по п.50, отличающийся тем, что Ке составляет от -0,05 до -5 кг/ч/% AlF₃.

52. Способ регулирования по любому из пп.49-51, отличающийся тем, что член Qe(p) ограничен минимальным значением и максимальным значением.

53. Способ регулирования по любому из пп.16-52, отличающийся тем, что количество Q(p) содержит дополнительный член Qea(P), полученный с использованием функции энергии анодного эффекта ЭАЭ.

54. Способ регулирования по п.53, отличающийся тем, что член Qea(p) ограничен минимальным значением и максимальным значением.

55. Способ регулирования по любому из пп.16-54, отличающийся тем, что количество Q(p) ограничено максимальным значением Qmax.

56. Способ регулирования по любому из пп.16-55, отличающийся тем, что когда определенное значение члена Q(p) является отрицательным, то его значение принимают равным нулю, то есть в течение периода р AlF₃ не добавляют.