Способ и реализующее его устройство определения уровней электролита и металла в электролизере для получения алюминия Российский патент 2018 года по МПК C25C3/20 

Предлагаемое техническое решение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия, и может быть использовано при определении уровней металла и электролита в электролизере в процессе его эксплуатации. Изобретение позволяет проводить оперативный мониторинг количества металла и электролита в каждом отдельном электролизере для обеспечения его эффективной стабильной работы.

В настоящее время широко используется способ определения уровня металла и электролита в электролизере, основанный на погружении стального лома в расплав до упора в подину. Высота слоев металла и электролита определяется по застывшей на стальном ломике корочке электролита. Различают слои металла и электролита по пережиму и цвету корочки (Справочник металлурга по цветным металлам. М.: Металлургия, 1971 г., стр. 287).

Способ прост в реализации (поэтому широко применяется на заводах в настоящее время) Реализация способа требует привлечения ручного труда, исключает возможность автоматизации, дает большие погрешности.

Известно техническое решение (аналог) «СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЕЙ РАСПЛАВОВ МЕТАЛЛА И ЭЛЕКТРОЛИТА НА ЭЛЕКТРОЛИЗЕРЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ» (патент №2 425 178, Опубликован: 27.07.2011, Бюл. №21) В способе измерения уровней расплавов металла и электролита на электролизере для производства алюминия определяют положение подошвы анода относительно фланцевого листа электролизера путем размещения под анодом рабочего органа измерительного устройства уровней расплава, прижима его к подошве анода, последующего перевода измерительного устройства в горизонтальное положение, причем положение подошвы анода определяют с помощью строительного уровня и замерной рейки, а уровень расплава металла определяют как разность положения подошвы анода относительно фланцевого листа электролизера и межполюсного расстояния анода, а уровень расплава электролита определяют как сумму величины погружения рабочего органа измерительного устройства в расплав металла и межполюсного расстояния анода за вычетом уровня расплава металла.

Данный способ как и способ ломика и мерной линейки может быть реализован с привлечением ручного труда, исключает возможность автоматизации, дает большие погрешности.

Задачей предлагаемого технического решения является автоматизация процесса измерения, повышение точности измерения уровней расплавов в электролизере, а также увеличение срока службы предлагаемого устройства.

Известно также техническое решение (прототип), «Устройство для определения уровней металла и электролита в электролизере для получения алюминия» (Патент №2 398 054, опубл. 27.08.2010. Бюл. №24) Устройство содержит узел крепления термостойкого стержня, состоящий из крепежной втулки с прижимным винтом и диском, жестко закрепленным на втулке, узел настройки устройства, включающий вилку, одним концом прикрепленную шарниром к диску, а другим жестко закрепленную, например, сваркой на трубке из немагнитного материала. Трубка снабжена уровнемером, а внутри трубки установлен регулирующий стержень, на одном торце которого жестко, например сваркой, закреплена ручка, рабочая поверхность которой отрихтована, а на противоположном торце выполнена фиксирующая головка. Регулирующий стержень и вилка имеют резьбу, соединяющую стержень с вилкой с возможностью регулирования положения стержня вдоль оси. В вилке свободно установлен фиксатор, выполненный в виде пластины П-образной формы, причем контактная поверхность фиксатора выполнена соответственно профилю диска.

Основным недостатком устройства - прототипа является использование ручного труда для выполнения процесса измерения в цехах с высокой степенью запыленности сырьем и загазованности продуктами электролиза, к недостатку устройства следует отнести периодическую настройку устройства по уровнемеру, что значительно усложняют работу электролизника и обуславливает увеличение погрешности измерения.

Задачей предлагаемого технического решения является автоматизация процесса измерения и повышение точности измерения уровней расплавов электролита и алюминия в электролизере.

Для решения поставленной задачи в заявляемом «Способе измерения уровней электролита и металла в электролизере для получения алюминия» включающем погружение в расплав электрода дополнительно верхний конец электрода выполненного из материала с высокой проводимостью подключают через проводник, намотанный на барабан рулетки, на вход измерительного блока, а боковую поверхность электрода формируют в виде развернутой по вертикали шестерни, зубцы которой стыкуются с зубцами шестерни редуктора приводимого в движение шаговым двигателем, который перемещает электрод по высоте. Нижнюю часть электрода погружаемого в расплав покрывают стойким к агрессивной среде расплава изоляционным материалом (например изоляционные трубки МКРР-110) оставляя свободным наконечник электрода, погружаемый в расплав с заданной скоростью (V), на выходе буферного усилителя формируется импульсный сигнал dU_эл, по которому определяют момент скачкообразного изменения потенциала электрода при касании наконечником электрода расплава электролита (X_r), а затем расплава алюминия (Z_Al) и с учетом исходного положения высоты электрода относительно верхней плоскости угольного катодного блока H_xb вычисляют высоту расплава электролита h_эл=V X_r-H_xb и высоту расплава алюминия h_Al=VZ_Al-H_xb.

Существенное отличие заявляемого технического решения от прототипа состоит в том, что верхний конец электрода выполненного из материала с высокой проводимостью подключают через проводник, намотанный на барабан рулетки, на вход измерительного блока, а боковую поверхность электрода формируют в виде развернутой по вертикали шестерни, зубцы которой стыкуются с зубцами шестерни редуктора приводимого в движение шаговым двигателем, который перемещает электрод по высоте. Данное техническое решение решает задачу прохождения измерительной части электрода через корку электролита и исключает его деформацию и разрушение.

Вторым существенным отличием является то, что нижнюю часть электрода изолируют стойким к агрессивной среде расплава изоляционным материалом до наконечника электрода погружаемого в расплав с заданной скоростью (V), определяют момент скачкообразного изменения потенциала электрода при касании наконечником электрода расплава электролита (X_r), а затем расплава алюминия (Z_Al) и с учетом исходного положения высоты электрода относительно верхней плоскости угольного катодного блока Н_хь вычисляют высоту расплава электролита

h_эл=V X_r-H_xb

и высоту расплава алюминия

h_Al=VZ_Al-H_xb

Данное техническое решение решает задачу измерения разности потенциалов при контакте металлического наконечника с расплавом электролита и металла, а следовательно и точное измерение их высоты.

Результатом предлагаемого технического решения является снижение трудоемкости процесса измерения, повышение точности измерения высоты расплава электролита и металла в электролизерах для производства алюминия, что позволит стабилизировать технологический процесс, повысить производительность электролизеров и улучшить экологию.

Реализующее способ устройство включает узел крепления термостойкого стержня, дополнительно в стальном кожухе из нержавеющей стали (3) с кронштейном (4) для жесткого крепления к стальному борту катодного узла с торцов электролизной ванны с фиксацией положения в пределах 90° относительно торца катодного узла размещены механические и электронные устройства. Механические устройства включают: измерительный стержень (13), из нержавеющей стали подключенный верхним концом, через проводник, намотанный на барабан рулетки (12), на вход измерительного блока (11), а нижний к металлическому наконечнику (18), погружаемому в расплав. По середине стержня (13) из нержавеющей стали установлена шестерня редуктора (14), зубцы которой стыкуются с зубцами стержня. Вертикальность комбинированного стержня фиксируется направляющими изоляционными вставками (16) на средней вставке установлен концевой выключатель 17.

Основным подвижным рабочим элементом устройства является измерительный стержень (13), совершающий в процессе работы возвратно-поступательные движения. Фиксаторы в виде направляющих изоляционных вставок (16) выполнены из пластин из изолирующего материала.

В представленной формуле изобретения заявлены следующие отличительные от прототипа признаки:

- устройство выполнено из стального кожуха из нержавеющей стали с кронштейном для жесткого крепления к стальному борту катодного узла с торцов электролизной ванны с фиксацией положения в пределах 90° относительно торца катодного узла;

- внутри стального кожуха размещены механические устройства: измерительный стальной стержень из нержавеющей стали, перемещение которого жестко ограничено по вертикали, верхний конец которого подключен к электронной схеме измерения через провод барабана рулетки, а нижний конец выполнен в виде металлического наконечника погружаемого в расплав;

- посредине длины стержня из нержавеющей стали установлена шестерня редуктора приводимого в движение шаговым двигателем, зубцы шестерни редуктора стыкуются с зубцами на боковой поверхности стержня;

- вертикальность комбинированного стержня фиксируется направляющими изоляционными вставками на средней вставке установлен концевой выключатель;

- электронное устройство включает преобразователь постоянного напряжения 4-5 В в напряжение для питания: буферного усилителя, микроконтроллера, драйвера шагового двигателя, передатчика Wi-Fi.

Устройство, реализующее способ, представлено на фиг. 1-3.

На фиг. 1 представлен разрез электролизера с самообжигающимся анодом, где введены следующие обозначения: анодный узел - 1, газосборный колокол - 2, стальной кожух из нержавеющей стали 3 с кронштейном 4 для жесткого крепления к стальному борту электролизной ванны 6 с фиксацией положения в пределах 90° относительно торца катодного узла, корка электролита - 5, подовые угольные блоки - 7, настыль и гарнисаж - 8, электролит - 9, расплав алюминия - 10.

На фиг. 2 представлен разрез устройства измерения уровней электролита и металла в электролизере для получения алюминия, где введены следующие обозначения: стальной герметичный кожух - 3, электронный измерительный блок - 11, с подключением питания от рабочего напряжения U_э электролизера кнопкой - 11_п, барабан рулетки -12, измерительный стержень из нержавеющей стали - 13 боковая поверхность которого выполнена в виде развернутой шестерни, зубцы которой состыкованы с шестерней редуктора, управляемой шаговым двигателем - 14, измерительная часть стержня опускаемого в расплав покрыта термостойким изоляционным материалом (например, изоляционные трубки МКРР-110) - 15, фиксаторы в виде направляющих изоляционных вставок - 16, концевой выключатель - 17, контактный наконечник - 18.

На фиг. 3 приведена функциональная схема электронного измерительного блока, где приняты следующие обозначения: кнопка включения устройства - 11п; шаговый двигатель с редуктором - 14, концевой выключатель - 17; контактный наконечник - 18; преобразователь постоянного напряжения - 19; микроконтроллер - 20; драйвер - 21; модуль Wi-Fi - 22; индикатор - 23; буферный усилитель - 24; тактовый генератор - 25; кнопка сброса 26; устройство управления - 27;.

Измерение уровней электролита и металла в электролизере для получения алюминия с использованием предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

Измерительное устройство, размещенное, в стальном кожухе из нержавеющей стали 3 с кронштейном 4 (Фиг. 1), для жесткого крепления к стальному борту катодного узла с торцов электролизной ванны поворачивают на 90° относительно торца катодного узла и включают посредством кнопки 11_п, преобразователь 19 постоянного напряжения электролизера Uэ в напряжение (U_пит) для питания: микроконтроллера - 20, модуля Wi-Fi - 22, буферного усилителя - 24, (Фиг. 3), драйвера 21 шагового двигателя с редуктором - 14, зубцы шестерни редуктора состыкованы с зубцами измерительного стержня из нержавеющей стали -13. При готовности к измерению, микроконтроллер - 20 вырабатывает сигнал готовности к проведению измерения и через модуль Wi-Fi - 22 передает сигнал готовности на пульт системы управления технологическим процессом. При получении сигнала готовности система управления технологическим процессом по модулю Wi-Fi - 22 передает сигнал разрешения на измерение. При получении разрешающего сигнала микроконтроллер - 20 формирует управляющий сигнал для драйвера 21 шагового двигателя с редуктором 14. Шаговый двигатель с редуктором - 14 перемещает измерительный стержень - 13 по вертикали вниз. Измерительный стержень - 13 (Фиг. 2), погружаемый в расплав с заданной скоростью (V), прокалывает контактным наконечником - 18 корку электролита - 5 (Фиг. 1) и опускается до поверхности расплава электролита - 9, на выходе буферного усилителя - 24 формируется импульсный сигнал dU_эл, далее опускаясь вниз наконечник измерительного стержня касается поверхности расплава алюминия - 10, на выходе буферного усилителя - 24 формируется импульсный сигнал dU_Aл.

Микроконтроллер - 20 определяет момент скачкообразного изменения потенциала на выходе измерительного стержня при касании наконечником стержня расплава электролита (X_r), а затем расплава алюминия (Z_Al) и с учетом исходного положения высоты электрода относительно верхней плоскости угольного катодного блока H_xb вычисляет высоту расплава электролита

h_эл=V X_r-H_xb

и высоту расплава алюминия

h_Al-VZ_Al-H_xb,

Полученные значения высоты расплава электролита и алюминия передают через модуль Wi-Fi - 22 на пульт системы управления технологическим процессом. Шаговый двигатель отключается при срабатывании концевого выключателя 17 и срабатывает реверс для подъема измерительного стержня 13, шаговым двигателем с редуктором 14 в исходное положение.

Наличие в предлагаемом техническом решении перечисленных выше признаков, отличных от признаков ближайшего аналога, взятого за прототип, позволяет сделать вывод о его соответствии условию патентоспособности «новизна».

С целью определения «уровня техники» был проведен поиск по патентной и научно-технической литературе. Проведенный анализ показал, что на момент подачи заявки на изобретение неизвестны способ и устройство, характеризуемое всей совокупностью признаков, изложенных в формуле изобретения, хотя отдельные признаки, вынесенные в ограничительную часть формулы, известны. Использование в заявляемом решении новой совокупности известных и неизвестных признаков позволяет создать устройство более высокого уровня, которое способно эффективно работать в реальных условиях электролизных цехов.

Вышесказанное позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения условиям патентоспособности «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».

Изобретение относится к способу и устройству для определении уровней металла и электролита в электролизере для получения алюминия в процессе его эксплуатации. Способ включает погружение в расплав электрода с последующим определением высоты слоя металла и слоя электролита, при этом электрод подключают на вход измерительного блока и погружают в расплав с заданной скоростью (V), определяют момент скачкообразного изменения потенциала упомянутого электрода при касании наконечником электрода расплава электролита (X_r), а затем расплава алюминия (Z_Al), с учетом исходного положения высоты электрода относительно верхней плоскости угольного катодного блока H_xb вычисляют высоту расплава электролита h_эл=VX_r-H_xb и высоту расплава алюминия h_Al=VZ_Al-H_xb и полученные значения высоты расплава электролита и алюминия передают через модуль Wi-Fi на пульт системы управления технологическим процессом. Устройство имеет герметичный кожух из нержавеющей стали с кронштейном для жесткого крепления к борту катодного узла с торцов электролизной ванны с возможностью фиксации положения упомянутого кожуха в пределах 90° относительно торца катодного узла, электронный измерительный блок и механическое устройство, размещенные в кожухе, при этом электронный измерительный блок содержит микроконтроллер для выработки сигнала готовности к проведению измерения, модуль Wi-Fi для передачи сигнала готовности к проведению измерения и сигнала разрешения измерения, буферный усилитель для формирования импульсного сигнала скачкообразного изменения потенциала электрода при касании наконечником электрода расплава электролита (X_r), а затем расплава алюминия (Z_Al), драйвер шагового двигателя, устройство управления и преобразователь постоянного напряжения электролизера Uэ в напряжение (U_пит) для их питания, механическое устройство включает редуктор с шестерней, управляемой шаговым двигателем, который перемещает электрод по высоте, электрод выполнен из нержавеющей стали с наконечником и размещен в упомянутом кожухе с возможностью регулирования положения вдоль оси, причем верхний конец упомянутого электрода соединен с входом измерительного блока проводником, намотанным на барабан рулетки, а нижний его конец - с наконечником, погружаемым в расплав, боковая поверхность электрода выполнена в виде развернутой шестерни, зубцы которой состыкованы с шестерней редуктора, размещенной посредине электрода, а часть электрода, опускаемая в расплав, выполнена с покрытием из термостойкого изоляционного материала, оставляя свободным от покрытия наконечник электрода. Обеспечивается повышение точности измерения, стабилизация технологического процесса и повышение производительности электролизера. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения уровней электролита и металла в электролизере для получения алюминия, содержащем анодный узел, стальной кожух с размещенными в нем катодным узлом с угольными катодными блоками и электролизной ванной, включающий погружение в расплав электрода с последующим определением высоты слоя металла и слоя электролита, отличающийся тем, что электрод подключают ко входу измерительного блока и погружают в расплав с заданной скоростью (V), определяют момент скачкообразного изменения потенциала упомянутого электрода при касании наконечником электрода расплава электролита (X_r), а затем расплава алюминия (Z_Al), с учетом исходного положения высоты электрода относительно верхней плоскости угольного катодного блока H_xb вычисляют высоту расплава электролита

h_эл=VX_r-H_xb

и высоту расплава алюминия

h_Al=VZ_Al-H_xb

и полученные значения высоты расплава электролита и алюминия передают через модуль Wi-Fi на пульт системы управления технологическим процессом.

2. Устройство для измерения уровней электролита и металла в электролизере для получения алюминия, имеющем анодный узел, стальной кожух с размещенными в нем катодным узлом с угольными катодными блоками и электролизной ванной, содержащее электрод, отличающееся тем, что оно снабжено герметичным кожухом из нержавеющей стали с кронштейном для жесткого крепления к борту катодного узла с торцов электролизной ванны с возможностью фиксации положения упомянутого кожуха в пределах 90° относительно торца катодного узла, электронным измерительным блоком и механическим устройством, размещенными в кожухе, при этом электронный измерительный блок содержит микроконтроллер для выработки сигнала готовности к проведению измерения, модуль Wi-Fi для передачи через него сигнала готовности к проведению измерения, сигнала разрешения измерения и полученных значений высоты расплава электролита и алюминия на пульт системы управления технологическим процессом, буферный усилитель для формирования импульсного сигнала скачкообразного изменения потенциала электрода при касании наконечником электрода расплава электролита (X_r), а затем расплава алюминия (Z_Al), шаговый двигатель, драйвер шагового двигателя и преобразователь постоянного напряжения электролизера Uэ в напряжение (U_пит) для их питания, механическое устройство содержит редуктор с шестерней, управляемой шаговым двигателем, который перемещает электрод по высоте, электрод выполнен из нержавеющей стали с наконечником и размещен в упомянутом кожухе с возможностью регулирования положения вдоль оси, причем верхний конец упомянутого электрода соединен с входом измерительного блока проводником, намотанным на барабан рулетки, а нижний его конец - с наконечником, погружаемым в расплав, боковая поверхность электрода выполнена в виде развернутой шестерни, зубцы которой состыкованы с шестерней редуктора, размещенной посредине электрода, а часть электрода, опускаемая в расплав за исключением его наконечника, выполнена с покрытием из термостойкого изоляционного материала.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что оно снабжено направляющими изоляционными вставками для фиксации вертикальности электрода.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что на средней изоляционной вставке установлен концевой выключатель для ограничения предела опускания электрода в расплав.