УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ХОДОМ ПРОБОЙНИКА В СИСТЕМЕ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ Российский патент 2010 года по МПК C25C3/14 

Изобретение относится к устройству управления ходом пробойника системы точечного питания электролизера, предназначенного для получения алюминия.

Использующееся обычно оборудование позволяет подавать глинозем и/или электролит в одну или множество точек питания на электролизер: эти продукты вводят в расплав электролита через отверстие, сделанное пробойным механизмом, который периодически опускается и разрушает корку или поддерживает отверстие открытым.

Ход пробойного механизма обычно имеет фиксированную длину и определяется механической системой, которая обеспечивает его вертикальное перемещение.

Такое устройство имеет недостатки. Действительно, в зависимости от твердости корки и уровня свободной поверхности электролита может случиться так, что ход пробойного механизма будет недостаточным для того, чтобы разрушить корку и позволить ввести глинозем. Напротив, если этот ход слишком большой, то может случиться так, что рабочий конец пробойного механизма, называемый также пробойником, останется в расплаве электролита на слишком долгое время. Было также установлено, что пробойник может проникнуть глубоко в электролит. В таком случае пробойник уносит с собой часть затвердевшего расплава в виде отложения, которое становится все больше с каждым опусканием пробойного механизма. Продолжительный контакт между пробойником и электролитом ухудшает свойства пробойника из-за высокой температуры и агрессивного химического характера расплава.

Кроме того, поскольку пробойник направляется кожухом, отложение затвердевшего расплава на пробойнике может, несмотря на наличие скребка, образовать утолщение, которое помешает пробойнику полностью подняться в кожух. Это в результате приводит к остановке пробойника в устройстве, вызывающей закупорку отверстия для запитывания глиноземом и/или электролитом.

Это явление забивания и остановки может также вызвать поломку и/или износ пробойника, механические удары из-за повышения напряжений в силовом цилиндре, управляющем движением пробойного механизма, а также повреждение материала, служащего электрической изоляцией, вследствие тепловых ударов и боковых усилий, которые возникают, когда затвердевший расплав встречает скребок. В таком случае устройство больше не может работать.

Управление проникновением пробойника в электролит также становится трудным из-за изменения уровня электролита, происходящего, в частности, в результате операций, проводимых на электролизной ванне, и в результате изменения расстояния между анодами и металлом, вызванного, в частности, регулированием сопротивления электролизной ванны.

Устройства питания, позволяющие подавать глинозем в электролизер, производящий алюминий, в частности, по способу Холла-Эру, описаны в документах FR 2483965, FR 2614320, US 4563255 и WO 0106039.

Каждый из документов FR 2483965 и WO 0106039 описывает устройство, позволяющее установить электрический контакт для поднятия пробойника, когда он приходит в контакт с электролитом. Однако в этих документах не указываются средства для установления такого контакта.

Документ US 4563255 описывает устройство того же типа, что и предыдущие, более конкретно предусматривая структуру электрической цепи для обнаружения контакта пробойника с электролитом, но не указывает точных средств установления контакта на пробойнике, так как этот контакт представлен просто в виде схемы на уровне силового цилиндра, приводящего в действие пробойник.

В документе FR 2614320 предлагается обнаруживать контакт между пробойником и расплавом электролита посредством электрической цепи, соединяющей шток пробойника с основой катода. Однако, в этом документе электрическая цепь соединяется со штоком пробойника посредством трущегося электрического контакта, который может подвергаться флуктуациям: такой скользящий контакт не позволяет с надежностью обеспечить замыкание электрического контакта на шток пробойника. Следовательно, контакт пробойника с расплавом электролита не обнаруживается с определенностью и вовремя, и пробойник может остаться погруженным в расплав электролита на большее время, чем требуется, что вызывает упомянутое выше явление забивания.

Настоящее изобретение направлено на преодоление этих проблем, предлагая устройство особенно строгого управления расстоянием хода пробойника, позволяющее точно обнаружить момент контакта пробойника с расплавом, благодаря установлению очень надежного электрического контакта между электрической цепью и пробойником.

Объектом настоящего изобретения является устройство управления ходом пробойника в системе питания электролизера, предназначенного для получения алюминия, причем указанный электролизер содержит электролитический расплав, покрытый коркой, при этом пробойник поддерживается штоком, прикрепленным к штоку привода, обеспечивающего вертикальное перемещение пробойника между верхним положением, в котором он находится над коркой, и нижним положением, которое предназначено для пробивания корки и приведения в контакт с расплавом, причем устройство содержит средства обнаружения электрического контакта между пробойником и расплавом, при этом эти средства содержат электрическую цепь, способную осуществить электрическое измерение между пробойником и точкой электролизера, принятой за контрольную электрическую точку, и немедленно воздействовать на привод, чтобы вызвать вертикальное перемещение пробойника вверх, когда достигнуто заданное значение результата электрического измерения, отличающееся тем, что указанная электрическая цепь соединена с пробойником, штоком пробойника или штоком привода соединительными средствами, способными создавать точечный контакт в по меньшей мере одной точке между цепью и пробойником, штоком пробойника или штоком привода, причем эти соединительные средства подвергаются действию упругих средств, толкающих их соответственно в направлении пробойника, штока пробойника или штока привода.

Устройство согласно изобретению позволяет осуществить электрическое измерение, такое как измерение напряжения или измерение тока между пробойником, штоком пробойника или штоком привода и расплавом особенно надежным и точным образом. Можно установить электрический контакт только с одной из этих деталей, получая достаточное качество измерения. Электрический контакт устанавливается предпочтительно на пробойнике или на штоке пробойника, так как эти детали прочно соединены друг с другом с прекрасной электрической непрерывностью. Таким образом, поскольку контакт, установленный между электрической цепью и одной из указанных выше деталей, является особенно точечным и надежным из-за усилия, прикладываемого упругими средствами, можно незамедлительно воздействовать на привод, управляющий ходом пробойника, чтобы заставить последний подняться в верхнее положение и не допустить, чтобы он оставался слишком долго погруженным в расплав электролита. Это позволяет избежать накопления отложений затвердевшего расплава на этом пробойнике и не вызывает указанных выше явлений забивания и остановки. Таким путем предотвращается также повышение механического напряжения в приводе и, как следствие, механические удары. Наконец, существенно снижаются опасности повреждения и износа пробойника, а также напряжений термического происхождения и повреждения периферийных материалов, таких как изоляционные материалы, которые могут быть следствием этого.

В предпочтительном варианте реализации изобретения соединительные средства выполнены в виде детали из проводящего материала, сечение которой уменьшается в направлении контакта со штоком пробойника, причем указанная деталь подвергается действию указанных упругих средств.

Таким образом, из-за особой формы детали из проводящего материала контакт между электрической цепью и пробойником, штоком пробойника или штоком привода является особенно точечным.

Согласно одному варианту реализации деталь из проводящего материала имеет сферическую опорную головку, такую как шарик или носовой конус со сферическим концом.

Согласно другому варианту реализации соединительные средства выполнены в виде цилиндра с осью, образующей угол (предпочтительно - прямой угол) с осью пробойника, его штока или штока привода.

Согласно еще одному варианту реализации соединительные средства выполнены в виде детали с общей формой опорной головки, содержащей выемку, ограниченную двумя сходящимися выпуклыми поверхностями, способными опираться в двух точках на пробойник, его шток или шток привода.

Преимущественно соединительные средства выполнены в виде металлической детали, например, из стали или из меди, или проводящей неметаллической детали, например, из карбида кремния. Реализуемый таким образом электрический контакт особенно надежен. Кроме того, такой материал, как сталь, особенно устойчив к высоким температурам и к коррозионной атмосфере, преобладающей над расплавом электролита.

Предпочтительно, твердость детали из проводящего материала, измеренная шаром из карбида вольфрама весом 3000 кг, составляет в пределах между 285 и 370 единиц по шкале твердости Бринелля, что соответствует твердости по Роквеллу от 30 до 40 HRC. Такая твердость позволяет избежать повреждения штока пробойника, обеспечивая эффективный электрический контакт.

Преимущественно упругие средства выполнены в виде спиральной пружины. Предпочтительно, эта пружина оказывает давление, меньшее или равное 50 Н. Контакт между электрической цепью и штоком пробойника, таким образом, особенно надежен, при недопущении износа штока пробойника.

В предпочтительном варианте реализации изобретения деталь из проводящего материала и спиральная пружина установлены внутри патрона, выполненного из проводящего материала, причем деталь из проводящего материала выходит с одного конца патрона, а конец патрона, противоположный шарику, снабжен контактным соединением.

Предпочтительно также, чтобы патрон ввинчивался в отверстие с внутренней резьбой, сделанное в кожухе, окружающем шток. Такая компоновка обеспечивает легкий монтаж, удобную замену в случае износа или повреждения, а также регулирование давления, оказываемого деталью из проводящего материала на пробойник, шток пробойника или шток привода, в зависимости от степени ввинчивания патрона в отверстие с внутренней резьбой в кожухе. Такая компоновка позволяет оборудовать существующие устройства пробивания путем незначительных модификаций. Таким образом, деталь из проводящего материала крепко удерживается в надежном и уверенном контакте с пробойником, штоком пробойника или штоком привода.

Преимущественно устройство согласно изобретению содержит две детали из проводящего материала, находящиеся напротив друг друга, упирающиеся в пробойник, его шток или шток привода с одной и другой его стороны. В этом случае надежность электрического контакта оптимальна. Кроме того, противоположно направленные давления двух патронов уравновешиваются и предотвращают отклонение штока.

В предпочтительном варианте реализации изобретения точка электролизера, взятая за контрольную точку, находится на катоде.

Изобретение станет более понятным из последующего описания при обращении к приложенным схематическим чертежам, на которых:

- фиг.1 является схематическим видом в разрезе электролизера, предназначенного для получения алюминия по способу Холла-Эру,

- фиг.2 является видом в разрезе устройства пробивания, оборудованного устройством согласно одном варианту реализации изобретения, в котором пробойник находится в нижнем положении,

- фиг.3 является видом в частичном разрезе устройства пробивания, оборудованного устройством согласно одному варианту реализации изобретения, в котором пробойник находится в верхнем положении,

- фиг.4 является видом в разрезе в увеличенном масштабе патрона устройства согласно предпочтительному варианту реализации устройства по изобретению.

На фиг.1 показан электролизер 1, предназначенный для получения алюминия по способу Холла-Эру. Этот электролизер 1 содержит катод 2, образованный множеством катодных блоков, ванну расплавленного алюминия 3, расплав электролита 4, сверху которого находится корка 5, образованная твердым электролитом и глиноземом, аноды 6, погруженные в электролит, анодную шину 7, которая распределяет электрический ток по анодам, катодные стержни 8, которые заделаны в катодных блоках 2 и которые позволяют электрическому току выходить из катода 2, по меньшей мере одну катодную шину, которая собирает ток с катодных стержней 8, и анодное устройство 10, на котором обычно крепится устройство управления согласно изобретению, показанное на фиг.1 схематично, рядом с системой 12 питания глиноземом и/или электролитом.

Как следует из фиг.2, установка содержит пробойник 13, поддерживаемый штоком 14. Пробойник 13 может быть прикреплен к штоку 14, например, завинчиванием или же он может образовывать единую деталь со штоком 14. Этот пробойник 13 может перемещаться вертикально между верхним положением (см. фиг.3), в котором он находится над коркой 5, и нижним положением, в котором он пробил корку и вошел в контакт с электролитическим расплавом 4, как показано на этой фигуре. Восходящим или нисходящим вертикальным перемещением пробойника 13 управляет привод, образованный здесь силовым цилиндром 15 двойного действия, снабженным поршнем 16, шток 17 которого соединен с штоком 14 пробойника 13 посредством соединительного узла 18.

Шток 14 установлен внутри кожуха 30, внутри которого установлен направляющий патрубок 11. Снаружи кожуха 30 находится труба 34 с проложенными элементами 35, образующими электрическую изоляцию. На конце кожуха 30 установлен элемент-скребок 36.

Устройство управления содержит средства обнаружения электрического контакта между пробойником 13 и электролитическим расплавом 4 в виде электрической цепи 19, способной измерять электрическое напряжение между пробойником 13 и точкой 20 электролизера, взятой за опорный (контрольный) потенциал, причем на данной фигуре эта точка 20 находится на катоде 2. Эта электрическая цепь 19 обычно включает в себя сопротивление 21, вольтметр 22 и соединительные проводники 9, 9'.

Согласно изобретению измерительная цепь 19 соединена со штоком 17 силового цилиндра, со штоком 14, несущим пробойник, или с самим пробойником 13 соединительными средствами 23, способными создавать надежный и точечный контакт 24 между цепью 19 и указанными штоками или пробойником. Фиг.2 иллюстрирует один предпочтительный вариант реализации, в котором указанный точечный контакт находится на штоке 14, несущем пробойник.

Как более ясно видно из фиг.4, соединительные средства 23 могут быть выполнены в виде металлической детали, обычно стальной, сечение которой уменьшается в направлении контакта 24 со штоком 14 пробойника 13, в частности, в виде шарика, какой показан на фиг.4, и которая подвергается действию упругих средств 25, представленных на фиг.4 в виде спиральной пружины, толкающей их в направлении штока 14 пробойника 13.

Как показано на фиг.4, шарик 23 и пружина 25 могут быть установлены внутри патрона 26, сделанного из проводящего материала, такого как сталь или медь, конец которого, противоположный шарику, снабжен контактным соединением 27. Патрон 26 имеет наружную резьбу 29 и таким образом ввинчен в отверстие с внутренней резьбой, проделанное в стенке кожуха 30, окружающего шток 14. Таким образом, патрон прочно закреплен относительно штока 14, и контакт 24, установленный между шариком 23 и штоком 14, является особенно надежным и постоянным.

На фиг.3 показана часть устройства согласно изобретению, в которой пробойник 13 находится в верхнем положении, причем нижнее положение представлено пунктирными линиями. Второй патрон 31, также содержащий шарик и спиральную пружину, ввинчен в кожух 30, окружающий шток 14 пробойника 13, напротив первого патрона 26. Таким образом, противоположно направленные давления патрона 26 и патрона 31 гасятся и предотвращают отклонение штока 14.

Таким образом, при работе пробойник 13 опускается из своего верхнего положения к корке 5 и электролитическому расплаву 4 под действием силового цилиндра 15. Во время этого опускания шарик находится в надежном контакте с подвижным штоком 14 пробойника 13 благодаря упругим средствам 23, которые толкают его к штоку 14. Вольтметр не обнаруживает в этот момент какого-либо значительного напряжения, так как цепь 19 не замкнута. Когда пробойник 13 пробивает корку 5 и входит в контакт с электролитическим расплавом 4, вольтметр 22 обнаруживает превышение порогового напряжения вследствие точечного контакта 24 между измерительной цепью 19 и штоком 14 посредством шарика 23. Тогда можно незамедлительно воздействовать управляющим устройством 32 по линии 33 на исполнительный механизм, обычно пневматический, силового цилиндра 15 с тем, чтобы поднять пробойник 13. Таким образом, пробойник остается в контакте с электролитическим расплавом 4 или погруженным в него лишь на крайне ограниченное время.

Устройство согласно изобретению позволяет, таким образом, избежать повторных отложений затвердевшего расплава на пробойнике и возникающих в результате этого явлений забивания и остановки, дает определенное преимущество по сравнению с устройствами управления согласно предшествующему уровню техники.

Само собой разумеется, изобретение не ограничено единственным вариантом реализации этого устройства управления, описанным выше в качестве примера, а напротив, этим оно охватывает все его варианты.

Так, например, можно будет, в частности, обнаруживать контакт пробойника с расплавом с помощью другого электрического измерения, такого как измерение тока.

Изобретение относится к устройству управления ходом пробойника системы питания электролизера для получения алюминия с расплавом электролита, покрытым коркой. Устройство содержит пробойник, поддерживаемый штоком, прикрепленным к штоку привода, обеспечивающего вертикальное перемещение пробойника между верхним положением, в котором он находится над коркой, и нижним положением, предназначенным для пробивания корки и вхождения в контакт с расплавом, средства обнаружения электрического контакта между пробойником и расплавом, и эти средства содержат электрическую цепь для измерения сигнала между пробойником и точкой электролизера, взятой за контрольную электрическую точку, и немедленного воздействия на привод для обеспечения вертикального перемещения пробойника вверх при достижении заданного значения сигнала, электрическая цепь соединена с пробойником или штоком пробойника соединительными средствами, обеспечивающими точечный контакт в по меньшей мере одной точке между цепью и пробойником или штоком пробойника под воздействием упругих средств, толкающих их соответственно в направлении пробойника или штока пробойника. Обеспечиваются возможность точного обнаружения момента контакта пробойника с расплавом, исключение забивания пробойника коркой электролита. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство управления ходом пробойника (13) системы питания (12) электролизера (1), предназначенного для получения алюминия, причем указанный электролизер (1) содержит электролитический расплав (4), покрытый коркой (5), пробойник (13) поддерживается штоком (14), прикрепленным к штоку привода (15), обеспечивающего вертикальное перемещение пробойника между верхним положением, в котором он находится над коркой (5), и нижним положением, предназначенным для пробивания корки (5) и вхождения в контакт с расплавом (4), причем устройство (11) содержит средства обнаружения электрического контакта между пробойником (13) и расплавом (4) и эти средства содержат электрическую цепь (19), способную осуществлять электрическое измерение между пробойником (13) и точкой (20) электролизера, взятой за контрольную электрическую точку, и немедленно воздействовать на привод, чтобы вызвать вертикальное перемещение пробойника вверх, когда достигнуто заданное значение результата электрического измерения, отличающееся тем, что указанная электрическая цепь (19) соединена с пробойником (13) или штоком (14) пробойника (13) соединительными средствами, способными создавать точечный контакт (24) в по меньшей мере одной точке между цепью (19) и пробойником (13) или штоком (14) пробойника (13), причем эти соединительные средства (23) подвергаются действию упругих средств (25), толкающих их соответственно в направлении пробойника (13) или штока (14) пробойника (13).

2. Устройство (11) по п.1, отличающееся тем, что соединительные средства (23) выполнены в виде детали из проводящего материала, сечение которой уменьшается в направлении контакта с пробойником (13) или штоком (14) пробойника (13), причем указанная деталь подвергается действию указанных упругих средств (25).

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что деталь из проводящего материала имеет сферическую опорную головку, такую, как шарик (23) или носовой конус со сферическим концом.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что соединительные средства выполнены в виде цилиндра с осью, образующей угол с осью пробойника или его штока.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что соединительные средства выполнены в виде детали с общей формой опорного ролика, содержащего выемку, ограниченную двумя сходящимися выпуклыми поверхностями, способными опираться в двух точках на пробойник или его шток.

6. Устройство по одному из пп.1-5, отличающееся тем, что соединительные средства (23) выполнены в виде металлической детали, например, из стали или из меди, или проводящей неметаллической детали, например, из карбида кремния.

7. Устройство по одному из пп.1-5, отличающееся тем, что упругие средства (25) выполнены в виде спиральной пружины.

8. Устройство по одному из пп.2-5, отличающееся тем, что деталь из проводящего материала и упругие средства установлены внутри патрона (26), выполненного из проводящего материала, причем деталь из проводящего материала выступает с одного края патрона, а край патрона, противоположный краю, содержащему деталь из проводящего материала, снабжен контактным соединением (27).

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что патрон (26) имеет наружную резьбу (29).

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что патрон (26) ввинчен в отверстие с внутренней резьбой, сделанное в стенке кожуха (30), окружающего шток (14).

11. Устройство по п.7, отличающееся тем, что пружина создает усилие, меньшее или равное 50 Н.

12. Устройство по любому из пп.2-5, отличающееся тем, что твердость детали из проводящего материала составляет в пределах между 285 и 370 единицами по шкале твердости Бринелля.

13. Устройство по любому из пп.2-5, отличающееся тем, что оно содержит две детали (23) из проводящего материала, расположенные напротив друг друга, упирающиеся в пробойник или его шток (14) с одной и другой его стороны.