УЗЕЛ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ПРОБОЙНИКА ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПИТАНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ Российский патент 2001 года по МПК C25C3/14 

Изобретение относится к оборудованию для обслуживания электролизера и может быть использовано в технологическом процессе электролитического производства алюминия.

Одним из важнейших условий для полной автоматизации электролизного производства является внедрение систем автоматизированного питания глиноземом (АПГ), что наряду с высокими производственными показателями позволяет существенно снизить выбросы загрязняющих веществ: по пыли на 30 - 32%, твердым фторидам на 3 - 10%, фтористому водороду на 10 - 15% и смолистым веществам на 3% (Цветные металлы, N 6, 1999, с. 28) [1]. Наиболее сложно задача внедрения систем АПГ решается на электролизерах с верхним токоподводом, так как они имеют подвижный относительно поверхности расплава анодный кожух с секциями газосборного колокола, и практически невозможно организовать газоотсос от всего объема над электролизером, как для других типов (например, БТ, ОА).

Автоматизированное питание алюминиевых электролизеров глиноземом и добавками (АПГ) представляет собой периодическое пробивание корки электролита пневматическими пробойниками в заданных точках и дозированную подачу сырья в образовавшиеся отверстия. Перспективным режимом питания электролизера является поддержание отверстий в корке незарастающими при осуществлении импульсной подачи сырья (RU 2121529 C1, C 25 C 3/14, Концур, 10.11.98) [2]. Чтобы подавать глинозем порциями к расплаву, необходимо постоянно иметь отверстия в криолит-глиноземной корке под секцией газосборного колокола. Для АПГ изготавливают специальные секции газосборного колокола с отверстиями (отверстием) для пробойника и подачи глинозема. Однако они являются основным источником выброса анодных газов не только при слабой, но и при нормальной тяге в системе газоотсоса из-за поступления воздуха в пространство под секцией и выгорания анода (появления шеек).

Известно также устройство для продавливания корки электролита, содержащее установленный на анодном кожухе пневмоцилиндр со штоком, к которому присоединен пробойник [1, с. 35, рис. 5], [2]. Для герметизации использовано кольцо, в отверстии которого с зазором 5-8 мм перемещается пробойник, а внешняя поверхность кольца закреплена на секции. Однако такое исполнение имеет недостатки. Если изготовить уплотняющее кольцо с малым зазором, то шток пробойника при разных углах наклона секции "закусывает" кольцо и вырывает его из креплений либо заклинивается сам. Кроме того, возможно возникновение "короткого замыкания" с пробойником, который, двигаясь вниз, может касаться расплавленного металла. Особенно опасно это при анодных эффектах, когда напряжение достигает 40 - 90 вольт, а электрическая дуга между деталями возникает даже при небольшом погружении пробойника в электролит. В этом случае кольцо либо приваривается к штоку, либо мощная электрическая дуга повреждает кольцо и поверхность штока. Часто при возникновении анодных эффектов повреждаются пневмоцилиндры, установленные через изоляторы на анодном кожухе вместе с трубной разводкой сжатого воздуха (общей длиной 35 - 60 метров). Степень этой изоляции низка, потому что в условиях сильных магнитных полей все металлические предметы, стружка, окалина, собираются в зазорах и нарушают электрическую изоляцию. По этой причине стараются отключать систему АПГ при возникновении анодного эффекта, уменьшая тем самым эффективность ее работы и повышая трудозатраты на ликвидацию анодного эффекта.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является точечный питатель, содержащий установленный герметично в корпусе пневмоцилиндр со штоком, к которому через шарнир присоединен пробойник. При этом корпус выполнен из двух секций - верхней и нижней. Тело пневмоцилиндра пропущено через втулку, которая через имеющийся на ней фланец оперта на нижнюю часть корпуса и герметично связана с ней. По этой причине нижняя часть корпуса не сообщается с верхней частью, а для исключения короткого замыкания они электроизолированы друг от друга. Такое исполнение позволяет использовать втулку как элемент, являющийся одновременно для пробойника направляющим (для исключения боковых сил), герметизирующим и очищающим элементом (US 5045168, Dalen et al., C 25 C 3/14, 204/245, 03.09.1991; RU 2094539 C1, Норск Хюдро А.С., C 25 C 3/14, 27.10.1997 (патенты - аналоги) [3].

Однако описанному ближайшему аналогу [3] также свойственны недостатки, поскольку при выполнении зазора между пробойником и втулкой, как указано в патенте, "настолько малым, что предотвращается выход газа и пыли в верхнюю часть корпуса (окружающую среду)", возможен сильный абразивный износ частицами глинозема самой втулки, а невозможность самоустановки пробойника при его движении может значительно ослабить герметизацию в месте присоединения втулки к корпусу.

Технический результат изобретения состоит в повышении надежности работы пробойника при обеспечении герметичности и электрической изоляции системы АПГ в рабочем диапазоне температур.

Технический результат обеспечивается тем, что узел герметизации пробойника для систем автоматизированного питания алюминиевых электролизеров сыпучим сырьем, связанного штоком с пневмоприводом, содержит герметизирующий и направляющий элемент, корпус которого прикреплен по наружной поверхности к газосборному колоколу электролизера. Герметизирующий и направляющий элемент выполнен в виде самоустанавливающегося шарнира штока, образованного обоймами и уплотнительным кольцом, установленным с зазором для обеспечения возвратно-поступательного перемещения штока, а внешняя поверхность кольца и ответные ей поверхности обойм выполнены сферическими, при этом обоймы закреплены в корпусе через элементы из электроизоляционного материала.

Узел может характеризоваться тем, что корпус в донной части содержит по меньшей мере два хвостовика для образования затворов на основе сыпучего сырья, при этом один из них при взаимодействии с полостью в торцевой части секции газосборного колокола, а другой - с полостью в пробойнике, образованной со стороны присоединения штока.

Узел может также характеризоваться тем, что шток пробойника имеет по меньшей мере две электрически изолированные друг от друга части, связанные между собой муфтами с электроизоляционными прокладками.

На чертеже представлена конструкция узла герметизации пробойника для систем автоматизированного питания.

Шток 1 имеет верхнюю 2 и нижнюю 3 части. Верхняя часть соединена с пневмоцилиндром (на фигуре не показан), нижняя - с пробойником 4. Корпус 10 шарнира 11 прикреплен по наружной поверхности к газосборному колоколу 12 электролизера.

В корпусе 10 установлены обоймы 13 и уплотнительное кольцо 14, внутренняя поверхность которого имеет зазор, обеспечивающий возвратно-поступательное перемещение штока 1. Диаметр отверстия на 0,1 - 3,0 мм больше, чем диаметр штока 1 пробойника 4. Внешняя поверхность 15 кольца 14 и ответные ей поверхности обойм 13 выполнены сферическими.

Обоймы 13 закреплены в корпусе 10 через элементы 16, 17, 18 из электроизоляционного материала. Элемент 16 представляет собой втулку, элементы 17, 18 - шайбы, должны быть выполнены из термостойкого изоляционного материала с напряжением электрического пробоя при температуре 500^oC не ниже 100 В/мм. Таким требованиям удовлетворяют огнеупорный сжимаемый картон марки "U-1" производства фирмы "Пиротек" (Канада) и паронит марки "ПЭ" российского производства.

Наружная поверхность кольца 14 и ответная ей внутренняя поверхность обойм 13 выполнены сферическими для того, чтобы компенсировались изменения углов наклона секций газосборного колокола, выбирались неточности в монтаже оборудования и т. д. Кольцо имеет возможность самоустанавливаться с сохранением положения оси пробойника.

В верхнем положении пробойника 4 желательно полностью герметизировать питатель. Для этого корпус 10 в донной части содержит по меньшей мере два хвостовика 21, 22 для образования герметичных затворов на основе сыпучего сырья. При этом один хвостовик 21 образует затвор при взаимодействии с полостью 23 в торцевой части секции 24 газосборного колокола. Другой хвостовик 22 образует затвор с полостью 25 в пробойнике 4, образованной со стороны 26 присоединения штока 1.

Шток 1 пробойника 4 имеет по меньшей мере две электрически изолированные друг от друга части 2, 3, связанные между собой муфтами 27, 28 с электроизоляционными прокладками 29, 30.

Устройство функционирует следующим образом. При подаче питания на пневмоцилиндр шток 1 перемещает пробойник 4 для образования отверстия в корке. Пробойник совершает движение вниз в течение 2 - 3 с, задержка внизу составляет 1 - 2 с, движение вверх 1,5 - 3 с. В крайнем верхнем положении пробойник находится в течение 120 - 1400 с, а затем цикл повторяется.

Устройство реализует две ступени герметизации. Первая ступень, при любом положении пробойника, обеспечивается за счет прижима хвостовика 21 деталью 12 к полости 23, еще при монтаже заполненной глиноземом. Вторая ступень герметизации обеспечивается в верхнем положении пробойника при входе хвостовика 22 в соответствующую полость 25. Эта полость в процессе эксплуатации всегда заполнена глиноземной пылью, сажей и при утапливании хвостовика в углубление образуется "песочный затвор".

Чтобы предотвратить попадание электрических потенциалов электролизера на шток 3 пневмоцилиндра, он изолирован прокладками 29, 30 от пробойника 4, который контактирует с расплавом. Это решение позволяет также отказаться от многочисленных изолирующих прокладок на трубной разводке сжатого воздуха, где контроль качества изоляции весьма затруднен.

Пара "шток 1 - уплотняющее кольцо 14" работает в условиях значительных нагрузок, повышенных температур, сухого трения с участием глинозема. Интенсивность износа трущихся пар в присутствии абразива может быть снижена, если материалы пары выполнены с различной твердостью (см., например, М.А. Тылкин. Справочник термиста ремонтной службы. - М. : Металлургия, 1989) [4]. Для длительного сохранения допустимой величины зазора (герметичности) уплотняющее кольцо изготавливают из твердого материала, сохраняющего относительную износостойкость не ниже 40 ед. [4, с. 13] при температуре до 500^oC. На практике применимы термообработанные стали марок 95Х18, 50Г, 50Г2, 110Г13Л, а также стали для штампов горячего деформирования 4ХС, 6ХВГ и подобные материалы.

Изобретение относится к оборудованию для обслуживания электролизеров и может быть использовано в технологическом процессе получения алюминия. Узел герметизации пробойника для систем автоматизированного питания алюминиевых электролизеров сыпучим сырьем содержит пневмопривод со штоком, связанным с пробойником, имеет самоустанавливающийся шарнир штока, корпус которого прикреплен по наружной поверхности к газосборному колоколу электролизера. В корпусе установлены обоймы и уплотнительное кольцо. Внутренняя поверхность кольца установлена с зазором, обеспечивающим возвратно-поступательное перемещение штока, а внешняя поверхность кольца и ответные ей поверхности обойм выполнены сферическими, при этом обоймы закреплены в корпусе через элементы из электроизоляционного материала. Технический результат изобретения состоит в повышении надежности работы пробойника при обеспечении герметичности и электрической изоляции системы АПГ в рабочем диапазоне температур. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Узел герметизации пробойника для систем автоматизированного питания алюминиевых электролизеров сыпучим сырьем, связанного штоком с пневмоприводом, содержащий герметизирующий и направляющий элемент, установленный в корпусе, прикрепленном по наружной поверхности к газосборному колоколу электролизера, отличающийся тем, что герметизирующий и направляющий элемент выполнен в виде самоустанавливающегося шарнира штока, образованного обоймами и уплотнительным кольцом, установленным с зазором для обеспечения возвратно-поступательного перемещения штока, внешняя поверхность кольца и ответные ей поверхности обойм выполнены сферическими, при этом обоймы закреплены в корпусе через элементы из электроизоляционного материала. 2. Узел по п. 1, отличающийся тем, что корпус в донной части имеет по меньшей мере два хвостовика для образования затворов на основе сыпучего сырья, при этом один из них образован при взаимодействии с полостью в торцевой части секции газосборного колокола, а другой - с полостью в пробойнике, образованной со стороны присоединения штока. 3. Узел по любому из п.1 или 2, отличающийся тем, что шток пробойника имеет по меньшей мере две электрически изолированные друг от друга части, связанные между собой муфтами с электроизолированными прокладками.