СПОСОБ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ УСТАНОВКИ АНОДА ПРИ ЗАМЕНЕ АНОДОВ В ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ВАННЕ Российский патент 2009 года по МПК C25C3/06 C25C3/10 

Настоящее изобретение относится к способу установки положения при замене анодов в электролитической ванне и к оборудованию для выполнения этого способа/

Электролитические ванны типа Холла-Эру с предварительно спеченными анодами для производства алюминия во время работы требуют регулярной замены использованных анодов на новые. Такие предварительно спеченные аноды содержат предварительно спеченный или обожженный углеродный блок, к которому прикреплен подвесной кронштейн анода через ниппели, которые закреплены на углеродном блоке. Подвесной кронштейн анода и его ниппели изготовлены из металла. Комбинацию из углеродного блока и подвесного кронштейна анода обычно называют анодом, и анод закрепляют через подвесной кронштейн анода на верхней части конструкции электролитической ванны, более точно, на анодной балке, которая может проходить в продольном направлении электролитической ванны. В стандартной конструкции электролитической ванны используют две анодные балки, и определенное количество анодов может быть расположено рядом друг с другом вдоль каждой из балок. Часто каждая анодная балка может иметь 8-10 анодов. Углеродный материал в анодах расходуется в процессе электролиза, и его необходимо заменять, до того как обнажится металл ниппелей. Этот процесс занимает приблизительно 28 дней, и в электролизном цеху, где расположено несколько десятков электролитических ванн, может возникнуть острая проблема замены использованных анодов и установки новых анодов. При выполнении этой операции важно как можно более правильно устанавливать по высоте нижнюю сторону нового анода, который погружают вместо использованного анода. Это необходимо потому, что расстояние между полюсами (расстояние между анодом и катодом) представляет собой важный параметр в электролитической ванне.

В настоящее время эту операцию все чаще выполняют с использованием траверсного крана, установленного на рельсах, которые проходят вдоль рядов электролитических ванн и обычно установлены над ними. Указанная операция является одной из наиболее трудоемких и часто выполняемых операций во время работы электролитических ванн, и различные представители данной отрасли промышленности разработали улучшения для упрощения и рационализации этой работы, фокусируясь на обеспечении безопасности и рабочих условиях операторов. Известный способ определения высоты вставки нового анода состоит в размещении анода на столе рядом с удаленным анодом, отметки мелом общего контрольного уровня на подвесном кронштейне анода. Измерительный стенд используют как вспомогательный инструмент для выполнения этой операции.

В американском патенте №4,221,641 описаны способ и установка для замены электродов в электролитической ванне для производства алюминия. Этот способ включает транспортировку использованного анода из электролитической ванны на первый уровень над ванной, который регистрируется, так что измеряется длина электрода, новый электрод опускают, при этом детектируют расстояние от второго уровня, параллельного первому уровню, для измерения длины нового электрода, измеряют расстояния между указанными уровнями, и новый электрод дополнительно опускают со второго уровня на расстояние, которое равно пути транспортирования использованного анода минус расстояние между двумя указанными уровнями. Для определения уровня имеется рычаг, который активируют с помощью электродов и который также имеет детектор для детектирования движения рычага. Детектор состоит из луча света и приемника, и луч света прерывают экраном, установленным на рычаге. Детектор представляет собой детектор оптико-механического типа с подвижными частями, которые могут легко изменять свое положение с течением времени и/или требуются значительные усилия по техническому обслуживанию/проверке для обеспечения мобильности и правильного функционирования компонентов. Этот принцип измерений основан на использовании счетчика с приращением помимо ограничивающих переключателей, когда подсчитывается относительное перемещение крана.

Настоящее изобретение представляет способ и оборудование для замены анодов на электролизном заводе, которые обеспечивают очень точную установку положения анодов и являются более надежными в условиях воздействия пыли, износа и механических напряжений, чем решения предшествующего уровня техники. Кроме того, данное решение требует незначительных проверок и имеет хороший интерфейс пользователя для оператора, который управляет краном.

Эти и другие преимущества могут быть достигнуты с помощью изобретения в соответствии с пунктами 1-10 формулы изобретения.

Настоящее изобретение будет более подробно описано ниже со ссылками на чертежи и примеры, где:

на фиг.1a-b показаны блок-схемы с основными деталями измерительного оборудования, с анодом и без анода;

на фиг.2 показана блок-схема выполнения процесса измерений.

Как указано выше, одна из целей настоящего способа состоит в обеспечении более точной вставки анодов путем более точного измерения расстояния с использованием улучшенного оборудования, в котором измерение расстояния выполняют с помощью лазера. Это исключает случайные ошибки измерения подъема анода, и при этом меньше вероятность неправильной работы благодаря выбранной технологии соединения. Используемые принципы измерения и последовательность операций устраняют ошибки измерения, связанные с вертикальным отклонением моста крана и случайного люфта в грубой конструкции.

По сравнению с измерением вручную, с использованием измерительного стенда и контрольного уровня, с помощью предложенного способа замена анодов является менее трудоемкой, поскольку не требуется оператор в цеху для вставки анода и для установки положения высоты анода, и высоту вставки анода устанавливают более точно, что является важным для работы электролитической ванны.

Как показано на фигуре 1а, измерительное оборудование состоит из лазерного блока 3, установленного внутри герметичного корпуса 4 с вертикальной защитной трубой 5. Луч 7 лазера выходит через трубу в направлении отражающей метки 6, установленной на захвате 2 анода. В этих условиях лазерный блок измеряет точное расстояние. Герметичный корпус, защитная труба и избыточное давление, которое подают в корпус 4 через трубу 8 подачи воздуха, предотвращают попадание фтористой пыли и газов на линзы блока. Такая комбинация обеспечивает точное измерение без возникновения случайных ошибок измерения. Кабели для связи с ПЛК (программируемый логический контроллер) выходят из корпуса.

Подъемное устройство, подъемник анода, установлено на поворотной тележке комбинированного крана, который позволяет поднимать выжженный анод из электролитической ванны и заменять его новым анодом. Подъемник анода управляется гидравлически, то есть анод и подвесной кронштейн анода поднимают и опускают в ванну с помощью гидравлической силы.

Подъемник анода оборудован захватом анода. Он представляет собой устройство захвата, которое закреплено на подъемнике анода. С его помощью выполняют захват подвесного кронштейна 10 анода, который закреплен на аноде 11 (см. фиг.1b). Обычно подвесной кронштейн анода имеет отверстие в верхней части, которое может быть захвачено устройством захвата. Такие устройства захвата могут содержать один или больше штифтов, которые могут входить в отверстие подвесного кронштейна.

ПЛК (PLC) - программируемый логический контроллер. ПЛК может управлять выходными сигналами (О) с помощью входных сигналов (I) и логически построенной программы. ПЛК состоит из нескольких микропроцессоров. Процессор ПЛК расположен на кране, а несколько децентрализованных стоек входа/выхода расположены на подвижных тележках крана и в кабине оператора. Децентрализованные стойки входа/выхода соединены с процессором ПЛК с помощью высокоскоростных каналов передачи данных, которые имеют очень хорошую защиту от шумов. Это исключает необходимость использования множества сигнальных кабелей, которые могут быть подвержены шумам и сигналам ошибок.

В связи с этим лазерное измерительное оборудование позволяет измерять расстояние между лазерным блоком и отражающей меткой. Точность такой комбинации составляет приблизительно 1 мм. Лазерный блок, используемый в этом примере, имеет RS-232 для связи с децентрализованными стойками. Лазерный блок целесообразно устанавливать внутри герметичного корпуса с избыточным давлением, который прикреплен к защитной трубе с фланцами, например, диаметром 50 мм и длиной приблизительно 2,5 м. Луч лазера установлен так, что он выходит из корпуса через трубу вниз, в направлении отражающей метки на захвате анода.

Передача данных с помощью RS-232 (передача знаков АСКОИ (ASCII, Американский стандартный код обмена информацией) из порта в порт) представляет собой способ передачи данных, который точно передает сигналы из лазерного блока в ПЛК.

PanelView (не показана) представляет собой систему визуализации на экране, которая связана с ПЛК, с использованием того же способа передачи данных, который применяют для децентрализованных стоек входа/выхода. Эта система визуализации позволяет считывать все сохраненные значения, как описано ниже, что позволяет оператору крана, находящемуся в кабине, считывать эти значения.

Световая панель (не показана) состоит из световой колонны с 5 источниками света разных цветов. Эта световая панель имеет 2 функциональных режима. Режим 1 используют при удалении анода, и он обозначает последовательность измерений, этап за этапом. Режим 2 - обозначение установки положения при вставке анода. Он указывает, когда анод установлен слишком высоко, слишком низко или в правильном положении. Его работа основана на алгоритме, который запрограммирован в ПЛК.

1) Блокировка ПЛК (блокировка ПЛК в программе ПЛК)

Производят блокировку последовательности операций так, чтобы всегда обеспечивалось устранение механического свободного хода. Это выполняет оператор с использованием рычага управления для подъема анода в режиме ПОДЪЕМ ЭТАП 1 в течение минимум 2 секунд и с одновременным использованием переключателя СОХРАНИТЬ ИЗМЕРЕННОЕ ЗНАЧЕНИЕ до того, как положение захвата анода будет сохранено в ПЛК.

Когда рычаг управления для подъемника анода находится в положении ПОДЪЕМ ЭТАП 1, гидравлический агрегат обеспечивает с помощью соответствующих клапанов приложение к подъемнику анода подъемной силы, равной приблизительно 60-70% веса выжженного анода.

2) Интегрированное решение ПЛК

В результате установки ПЛК выполняется передача сигналов между лазерным блоком и ПЛК с очень хорошей защитой от шумов, при этом передача сигналов выполняется надежно и не возникают случайные ошибки измерений.

3) Визуализация

Простая визуализация показывает последовательность операций и позволяет надежно устанавливать положение нового анода.

В данном примере управление краном выполняют с помощью ПЛК с децентрализованными стойками входа/выхода с развитой логикой. Лазерное оборудование для измерения расстояния связано с децентрализованными стойками входа/выхода. Лазерный блок и одна из децентрализованных стоек должны быть установлены на подъемнике анода, поскольку лазерный блок передает измеренные значения в процессор ПЛК через децентрализованную стойку входа/выхода с развитой логикой. При передаче измеренных значений между лазерным блоком и ПЛК важно обеспечить как можно лучшую защиту от шумов, возникающих из-за электромагнитных и электростатических помех, а также защитить оборудование от колебаний температуры, чтобы исключить сигналы ошибки. Это обеспечивается с помощью выбранной конструкции ПЛК.

Лазерное измерительное оборудование с лазерным блоком, как указано выше, расположено внутри пыленепроницаемого корпуса 4 (электротехническое обозначение IP 56) на поворотной тележке подъемника анода. Корпус имеет трубу 5 с фланцем диаметром 50 мм и длиной приблизительно 2,5 м, которая установлена на корпусе и проходит вниз в направлении к отражающей метке 6. Отражающая метка 6 закреплена на захвате 2 анода. Лазерное измерительное оборудование измеряет расстояние между фиксированной точкой в этом герметичном корпусе (место установки) на подъемнике анода через трубу, вниз в направлении к отражающей метке на захвате анода. Герметичный корпус находится под избыточным давлением и содержит длинную трубу, такую как указана выше, в результате чего мощные восходящие потоки воздуха (горячий воздух со значительным количеством газа, содержащего фтор и пыль, при замене анода) не попадают на линзы лазерного блока. Эта важная деталь предотвращает ошибки при измерениях. Описанный принцип лазерного измерения представляет собой центральную часть настоящего изобретения, поскольку он не подвержен механическому износу и для него не требуется техническое обслуживание.

Панель визуализации PanelView 550 установлена внутри тележки крана, что позволяет последовательно считывать все результаты измерений и этапы. Управление ее работой осуществляют с помощью ПЛК.

Функциональная световая панель установлена перед оператором и содержит 5 индикаторных ламп. Такой функциональный дисплей имеет 2 режима работы. Это позволяет оператору отслеживать функции, связанные со вставкой анодов, в частности высоту установки нового анода (дополнительная информация приведена в описании функций).

Оператор осуществляет управление с помощью рычага управления, установленного с левой стороны, который позволяет выполнять 3 этапа движения вверх захвата анода.

ПОДЪЕМ ЭТАП 1: прикладывается подъемная сила к захвату анода, составляющая приблизительно 60-70% от веса выжженного анода; относительно низкая скорость подъема. Эта сила используется, когда необходимо измерить высоту захвата анода, используя лазерное оборудование.

ПОДЪЕМ ЭТАП 2: прикладывается подъемная сила к захвату анода, составляющая приблизительно 300% от веса выжженного анода (сила отрыва при удалении анода); та же скорость, что и на ПОДЪЕМ ЭТАП 1.

ПОДЪЕМ ЭТАП 3: прикладывается подъемная сила к захвату анода, составляющая приблизительно 200% от веса выжженного анода; высокая скорость для быстрой обработки анода.

На том же рычаге управления, указанном выше, на его передней стороне, установлен переключатель в виде нажимной кнопки. Его используют для включения режима СОХРАНИТЬ ПОЛОЖЕНИЕ ЗАХВАТА АНОДА.

Описание функций, см. фиг.2

Все описанные функции выполняет оператор, находящийся в кабине крана. Оператор вначале устанавливает значения смещения на PanelView, то есть насколько выше требуется вставить новый анод по отношению к выжженному аноду (обычное значение установки составляет 20 мм). Оператор управляет краном таким образом, что он захватывает подвесной кронштейн анода (анод) захватом анода. Затем он поднимает выжженный анод, управляя подъемником анода в положении ПОДЪЕМ ЭТАП 1 с помощью рычага управления (см. фиг.2а). При этом осуществляется подъем с помощью подъемника анода с заданной силой, которая составляет приблизительно 60-70% от веса анода (постоянная сила). Это приводит к устранению люфта. Когда подъем выполнен, оператор нажимает переключатель СОХРАНИТЬ ПОЛОЖЕНИЕ на рычаге управления. Положение захвата анода сохраняется в ПЛК, если режим ПОДЪЕМ ЭТАП 1 был включен непрерывно в течение 2 секунд. Если оператор использует ПОДЪЕМ ЭТАП 2, то положение захвата анода не будет сохранено в ПЛК. При этом выполняется важная функция блокировки в ПЛК, которая устраняет свободный ход и обеспечивает отклонение крана приблизительно в одинаковой степени для всех измерений. ПЛК подтверждает выполнение этой операции в соответствии с данным способом включения желтого света индикатора на световой панели. Это означает, что измерение А было выполнено. Захват анода высвобождается, и выжженный анод удаляют из электролитической ванны.

Выжженный анод помещают вниз на контрольный уровень (плиту для проверки), см. фиг.2b. Анод поднимают, используя режим подъемника анода ПОДЪЕМ ЭТАП 1, то есть к подъемнику анода снова прикладывается подъемная сила, составляющая приблизительно 60-70% от веса анода. Выжженный анод не будет при этом подниматься от контрольного уровня, но конструкция крана будет расположена так же, как и при подъеме анода из электролитической ванны. В результате устраняется свободный ход крана. Во время подъема оператор нажимает переключатель СОХРАНИТЬ ПОЛОЖЕНИЕ на рычаге управления. Это положение сохраняется в ПЛК, если режим ПОДЪЕМ ЭТАП 1 будет активным в течение 2 секунд. ПЛК подтверждает правильное выполнение процедуры зеленым световым индикатором на световой панели. Это означает, что измерение В было выполнено.

Старый анод затем помещают в контейнер для отходов. Новый анод закрепляют на захвате анода. Затем его устанавливают на том же контрольном уровне, что и выжженный анод, см. фиг.2с. Анод поднимают, используя режим ПОДЪЕМ ЭТАП 1, то есть подъемник анода снова обеспечивает подъемную силу, составляющую приблизительно 60-70% от веса анода. Во время подъема оператор нажимает переключатель СОХРАНИТЬ ПОЛОЖЕНИЕ на рычаге управления. Это положение сохраняют в ПЛК, если режим ПОДЪЕМ ЭТАП 1 будет активным в течение 2 секунд. ПЛК подтверждает правильное выполнение операций красным световым индикатором на световой панели. Это означает, что измерение С было выполнено. Все измерения на этом заканчиваются.

ПЛК рассчитывает высоту вставки нового анода, используя следующую формулу - см. фиг.2d:

D=A-B+C-X

D представляет требуемое положение нового анода.

А представляет положение выжженного анода в электролитической ванне.

В представляет положение выжженного анода на контрольном уровне.

С представляет положение нового анода на том же контрольном уровне.

Х представляет дополнительную высоту нового анода в ванне по отношению к выжженному аноду.

Новый анод вставляют в ванну в положении анода = D (+/- допуск, обычно +/-3 мм - допуск можно регулировать, используя панель оператора).

Индикаторная панель затем переключается в Режим 2 для индикации. Оператор устанавливает анод в ванну в соответствии со световым индикатором в Режиме 2, то есть если загораются желтые световые индикаторы (1 или 2 желтых световых индикатора), это означает, что анод установлен слишком высоко, а если загораются красные световые индикаторы (1 или 2 красных световых индикатора), это означает, что анод установлен слишком низко. Анод имеет правильное положение установки по высоте, если загорается зеленый световой индикатор, то есть положение анода установлено с допуском D +/-3 мм. Когда анод установлен в ванне и загорелся зеленый световой индикатор, анод фиксируют с помощью зажима анода. Последовательность операций на этом завершается, и оборудование можно использовать для замены анода в другой ванне.

Дополнительная высота установки нового анода необходима для исключения деформации анода. Дополнительная высота означает, что анод не будет отбирать "полную мощность" и его можно постепенно нагревать до того, как через него будет подан полный ток.

Изобретение относится к способу и оборудованию, предназначенным для замены анодов в электролитической ванне, в которых используют кран с захватом анода для подъема использованных анодов и для вставки новых анодов. Новый анод вставляют на высоте, соответствующей высоте, рассчитанной на основе высоты удаленного анода, причем высоту удаленного анода и высоту нового анода измеряют по отношению к общему контрольному уровню. Измерительное оборудование на основе лазера устанавливают на кране между точкой, которая является неподвижной по высоте во время выполнения операции, и точкой на захвате анода, которая перемещается вместе с анодом, и при этом измеряют указанные значения высоты. Измеренные значения обрабатывают с помощью системы на основе программируемого логического контроллера (ПЛК), которая более точно определяет высоту вставки нового анода в соответствии с определенным алгоритмом. Обеспечивается точная установка положения анодов, более высокая надежность работы в условиях воздействия пыли, износа и механических напряжений. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ установки анода при замене анодов в электролизере Холла-Эру с обожженными анодами для получения алюминия, включающий использование крана с захватом для подъема отработанных анодов и установки новых анодов, причем захват воздействует на подвесной кронштейн анодов в заданной, фиксированной точке, а новый анод устанавливают на высоту, соответствующую высоте, рассчитанной на основе высоты отработанного анода, при этом высоту отработанного анода и высоту нового анода измеряют по отношению к общему контрольному уровню, отличающийся тем, что между точкой на кране, являющейся неподвижной по высоте во время выполнения операций, и фиксированной точкой на захвате анода, перемещающегося вместе с анодом, устанавливают измерительное оборудование, имеющее лазер, посредством которого измеряют значения высоты, измеренные значения обрабатывают посредством системы на основе программируемого логического контроллера (ПЛК) и определяют высоту установки нового анода.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что высоту установки нового анода определяют в соответствии с алгоритмом, определяемым следующей формулой:
D=A-B+C-X,
где D - требуемое положение нового анода:
А - положение отработанного анода в ванне;
В - положение отработанного анода на общем контрольном уровне;
С - положение нового анода на общем контрольном уровне;
X - дополнительная высота для установки нового анода по отношению к отработанному аноду.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед измерением указанной высоты устраняют свободный ход захвата анода и связанных с ним механических конструкций крана путем приложения к захвату анода первой подъемной силы, которая меньше, чем вес отработанного анода.

4. Оборудование для установки анода при замене анодов в электролизере Холла-Эру с обожженными анодами для получения алюминия, содержащее кран с захватом анода для подъема отработанных анодов и установки новых анодов, причем захват воздействует на подвесной кронштейн анода в заданной фиксированной точке, при этом с помощью захвата новый анод устанавливается на высоте, соответствующей высоте, рассчитанной с учетом высоты отработанного анода, причем высота отработанного анода и высота нового анода измерена относительно общего контрольного уровня, отличающееся тем, что между точкой на кране, являющейся неподвижной по высоте во время выполнения операций, и точкой на захвате анода, перемещающемся вместе с анодом, установлено измерительное оборудование, имеющее лазер, посредством которого измеряются значения высот и передаются сигналы данных в программируемый логический контроллер (ПЛК) для обработки измеренных, сохраненных значений и определения высоты установки нового анода.

5. Оборудование по п.4, отличающееся тем, что измерительное оборудование, имеющее лазер, содержит лазерный блок, выполненный с возможностью одновременного излучения лазерного луча и детектирования отраженного лазерного луча, причем лазерный блок установлен на кране в месте, стационарном по высоте, а отражательное устройство для отражения лазерного луча установлено на захвате анода.

6. Оборудование по п.5, отличающееся тем, что лазерный блок установлен в пылезащищенном герметичном корпусе с обращенным вниз отверстием, к которому прикреплена труба, через которую проходит лазерный луч.

7. Оборудование по п.6, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью подачи сжатого воздуха в корпус лазерного блока для установления избыточного давления воздуха и исключения попадания пыли внутрь корпуса через трубу.

8. Оборудование по п.7, отличающееся тем, что программируемый логический контроллер (ПЛК) установлен с возможностью сохранения переданных измеренных значений и обработки их после блокировки для устранения свободного хода захвата анода.

9. Оборудование по п.8, отличающееся тем, что блокировка включает приложение к захвату анода подъемной силы, равной 60-70% от веса отработанного анода, причем эта сила должна быть приложена, по меньшей мере, в течение 2 с перед тем, как результат измерения может быть сохранен.

10. Оборудование по любому из пп.8 и 9, отличающееся тем, что дисплей, световой сигнал или аналогичное устройство визуализирует завершение последовательности операций и блокировки с возможностью сохранения измеренных значений.