Анодное устройство алюминиевого электролизера с обожженными анодами

Анодное устройство алюминиевого электролизера с обожженными анодами

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к электролитическому получению алюминия, в частности к конструкции анодного устройства, оснащенного устройством для перемещения обожженных анодов.

Известно, что в процессе электролиза имеют место технологические операции, связанные с подъемом или опусканием обожженных анодов. Как правило, в процесс перемещения анодов вовлекаются анодные шины, на которых жестко закреплены обожженные аноды. Для этой цели в зарубежной и отечественной алюминиевой промышленности применяются устройства для перемещения анодных шин различной конструкции с применением подъемных механизмов, например домкратов различной грузоподъемности в зависимости от мощности электролизера.

Так, по патенту СССР №301002 «Анодное устройство алюминиевого электролизера» (C 22 d 3/02, от 04.07.66 г., заявитель - французская фирма «Пешинэ-Компани Де Продюи Шимик Э Электрометаллюржик») известно устройство перемещения анодов с одним приводом, установленным в одном из торцов электролизера и соединенным с системой двуплечих рычагов, закрепленных на несущей балке и соединенных с анодной ошиновкой. Между собой рычаги соединены горизонтальными тягами, длина которых равна расстоянию между точками соединения анодных шин с рычажным механизмом.

Основными недостатками приведенного устройства рычажного типа является следующее:

- возникновение горизонтальной составляющей нагрузки, в результате чего анодные шины вместе с закрепленными на них анодами совершают горизонтальные перемещения вдоль электролизера. Эти перемещения обусловлены тем, что плечи рычагов, соединенные с анодными шинами, вращаясь вокруг точки закрепления, описывают дугу, при этом разница в положении точки рычага в крайних верхнем и нижнем положениях составляет величину горизонтального перемещения точки и, следовательно, всей анодной шины с анодным массивом;

- горизонтальные тяги с двумя точками крепления на силовой балке не обеспечивают надежную работу всего механизма как при опускании анодного массива (работа на «сжатие»), так и при его подъеме (работа на «растяжение»). Для работы на «сжатие» тяги должны обладать достаточной продольной устойчивостью, чтобы исключить их изгиб от усилий, возникающих при разрушении электролитной корки по периметру анодного массива;

- невозможность использования данного устройства в электролизерах повышенной мощности из-за значительного увеличения габаритов электролизера, а следовательно, увеличения длины тяги;

- невозможность использования систем автоматического питания сырьем вследствие конструктивных особенностей силовой балки, снабженной громоздкой системой усиливающих элементов, расположенных внутри балки;

- наличие одного домкрата на обе анодные шины, расположенные по продольным сторонам электролизера, обеспечит работоспособность устройства только при условии использования сверхмощных домкратов.

Известно техническое решение по международной заявке WO №2004/079227 (F 16 H 25/20, от 26.02.2004 г.), направленное на совершенствование конструкции домкрата, в которой приведено также устройство для перемещения анодного массива, оснащенное двумя домкратами, расположенными с одного торца электролизера, каждый из которых оснащен приводом. Каждая продольная тяга состоит из отдельных звеньев, соединенных между собой шарнирно, и оснащена четырьмя двуплечими рычагами. В представленном в международной заявке устройстве сделана попытка исправить ряд недостатков, перечисленных в патенте СССР №301002, а именно:

- увеличено в два раза количество рычагов для сокращения длины отдельных звеньев продольной тяги;

- каждая продольная система тяг снабжена домкратом с приводом;

- анодные шины жестко связаны в единый силовой токопроводящий контур.

Но, реально, с точки зрения работоспособности устройства для перемещения анодного массива, ситуация только ухудшилась по следующим причинам:

- снижена надежность работы системы продольных тяг и двуплечих рычагов, имеющей четыре точки фиксации на балке при наличии одного силового токопроводящего контура. Это связано с тем, что процесс электролиза не стабилен по площади катода, а значит, условия работы рычажных групп могут изменяться в зависимости от их положения по продольной стороне электролизера. В результате возможно отклонение анодной шины от горизонта, что в целом может привести к разбалансировке работы всей рычажной системы. Также для предупреждения возникновения избыточных поперечных нагрузок на отдельные звенья продольной тяги авторы предложили соединять звенья шарнирно, что еще в большей степени способствует неравномерности распределения нагрузок на отдельные звенья тяги и двуплечие рычаги;

- установка по обеим продольным сторонам домкратов с приводом не позволяет синхронизировать работу продольных тяг, что при наличие жесткого единого силового токопроводящего контура может привести к его перекосу.

Также известно «Устройство для перемещения анодных шин алюминиевого электролизера с обожженными анодами» по патенту РФ на полезную модель №44324 (С 25 С 3/10, от 05.11.2004 г., патентообладатель - ОАО «СибВАМИ»). Данное устройство снабжено двумя домкратами с общим приводом, установленными жестко на одном торце балки-коллектора, а также рычажным механизмом, включающем двуплечие рычаги, закрепленные на балке-коллекторе, горизонтальные тяги, шарнирно связанные с домкратами и двуплечими рычагами, и вертикальные тяги, шарнирно связанные с анодными шинами и двуплечими рычагами и выполненные с возможностью регулирования по длине.

По технической сущности, конструктивному исполнению, наличию сходных, существенных признаков данное решение выбрано в качестве ближайшего аналога.

Данное известное устройство предусмотрено для электролизеров средней мощности, когда анодные шины замкнуты в один контур. Применительно к мощным электролизерам это устройство имеет ряд существенных недостатков, в какой-то степени аналогичных перечисленным выше, а именно:

- наличие одного силового токопроводящего контура является причиной возникновения значительных растягивающих напряжений в анодных шинах;

- шарнирное соединение отдельных звеньев продольной тяги предназначено для компенсации и перераспределения поперечных нагрузок, неравномерно изменяющихся в отдельных звеньях продольной тяги, но в то же время вносит дисбаланс в работу двуплечих рычагов, а значит, анодной шины в целом;

- наличие ограничивающих направляющих предупреждает только от горизонтального перемещения анодного массива вдоль электролизера;

- вертикальная установка домкрата значительно увеличивает высоту анодного устройства над уровнем рабочей площадки (отметки пола) корпуса электролиза;

- винт домкрата соединен с продольными тягами посредством двуплечего рычага. При движении винта рычаг совершает движение по дуге вокруг неподвижной оси, а винт перемещается строго прямолинейно. При такой компоновке значительно возрастают радиальные нагрузки на винт домкрата, и возможно заклинивание механизма;

- применения системы автоматического управления перемещением анодных шин затруднено в силу невозможности контроля за взаимным положением отдельных звеньев продольной тяги и двуплечих рычагов, положение которых определяется выравниванием нагрузок за счет их перераспределения.

Задачей предлагаемого изобретения является создание в анодном устройстве электролизера с обожженными анодами надежного работоспособного устройства по перемещению анодного массива, а также улучшение условий его обслуживания.

Техническим результатом является обеспечение синхронности работы всех узлов устройства по перемещению анодного массива, что позволит плавно и точно управлять положением анодов в электролизере, а значит, повысить технико-экономические показатели электролиза.

Технический результат достигается тем, что в анодном устройстве алюминиевого электролизера с обожженными анодами, содержащем балку-коллектор, анодную ошиновку с анодными шинами, ограниченными направляющими, два домкрата, жестко установленных на одном торце балки-коллектора и снабженных общим приводом, рычажный механизм с двуплечими рычагами, закрепленными на балке-коллекторе, горизонтальные тяги, шарнирно связанные с домкратами и двуплечими рычагами, и вертикальные тяги, шарнирно связанные с анодными шинами и двуплечими рычагами и выполненные с возможностью регулирования по длине, анодная ошиновка выполнена в виде не менее двух силовых контуров, образованных анодными шинами и жестко соединенными с ними поперечными балками, при этом каждый из контуров снабжен двумя горизонтальными тягами с возможностью регулирования по длине и двумя парными узлами ограничения перемещения анодных шин, состоящими из направляющих и ползунов и расположенными по продольным сторонам каждого силового контура, при этом горизонтальные тяги силовых контуров, расположенные по одной продольной стороне электролизера, жестко связаны между собой, а домкраты установлены на балке-коллекторе горизонтально и связаны с горизонтальными тягами шарнирно посредством компенсационных тяг. Каждый узел ограничения перемещения анодных шин может быть выполнен в виде двух металлических профилей, один из которых жестко закреплен на балке-коллекторе, а другой - на анодной шине, при этом узлы ограничения перемещения анодных шин снабжены прокладками из материала с низким коэффициентом трения, например из текстолита. К тому же соединение горизонтальных тяг силовых контуров между собой выполнено жестко, но с возможностью регулирования по длине, причем регулирование как горизонтальных тяг, так и вертикальных может осуществляться талрепами, при этом привод домкратов снабжен системой контроля нагрузки на двигатель (на фиг.1, 2 не показано), а анодное устройство, в целом, снабжено системой автоматического управления перемещением анодных шин (на фиг.1, 2 не показано).

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Проблема сокращения величины растягивающих напряжений, возникающих в продольных силовых токопроводящих балках, всегда имела место в электролизерах с обожженными анодами. Но наиболее актуально эта проблема встала в мощных электролизерах, когда по продольным сторонам крепится до 20 анодов и более. В электролизерах малой и средней мощности эту проблему можно было решить без разрыва силового контура, как, например, это предложено в техническом решении по А.С. СССР №337433 «Анодная самонесущая рама алюминиевого электролизера» (C 22 d 3/02, от 14.04.70 г.), где для компенсации растягивающих напряжений предлагается продольные балки снабдить снизу регулируемыми растяжками из высокопрочной проволоки или прутков, создающими сжимающие напряжения, обратные по знаку растягивающим напряжениям, воздействующим на балку со стороны анодного массива.

Авторами предлагаемого изобретения были рассмотрены различные варианты решения данной проблемы. Расчеты показали, что на мощных электролизерах, принимая во внимание их длину (более 16 м) и количество обожженных анодов по продольной стороне, наиболее рационально разорвать силовой контур как минимум на два силовых контура. Такое решение обеспечивает высокую работоспособность устройства для перемещения анодного массива, а также технологическую стабильность процесса электролиза.

В мощных электролизерах общая масса устройства для перемещения с анодным массивом достаточно велика, поэтому для обеспечения работоспособности устройства необходимы, как минимум, два домкрата, по одному на каждую продольную сторону. Два жесткие последовательные силовые контура, оснащенные двумя домкратами, могут эффективно и бесперебойно работать лишь в условиях синхронизации работы домкратов, что обеспечивается установкой общего привода.

С ростом веса устройства для перемещения с анодным массивом возрастает величина радиальных нагрузок на винт домкрата. Для их снижения авторы предлагают, во-первых, установить домкраты горизонтально, во-вторых, домкраты снабдить компенсационной тягой, шарнирно соединенной с силовым контуром и винтом домкрата.

Введение в заявляемое устройство узла ограничения перемещением анодных шин, оснащенного ползуном, позволяет преобразовать паразитные горизонтальные усилия, провоцирующие продольное перемещение анодных шин, в кинетическую энергию их вертикального перемещения.

Основное требование технологии ведения электролиза - это поддержка оптимального межполюсного расстояния, что обеспечивается точностью выставления горизонта в силовых токопроводящих контурах. Точность монтажа устройства для перемещения анодного массива обеспечивается наличием в устройстве трех узлов:

- узлов регулировки длины вертикальных тяг;

- узлов регулировки длины горизонтальных тяг;

- узлов ограничения перемещения анодных шин.

Плавность регулировки межполюсного расстояния обеспечивается наличием системы автоматического управления перемещением анодных шин.

Ближайший аналог и предлагаемое техническое решение характеризуются следующими общими признаками:

- наличие двух домкратов, жестко установленных на одном торце балки коллектора;

- наличие общего привода;

- наличие рычажного механизма, включающего двуплечие рычаги, горизонтальные и вертикальные тяги;

- двуплечие рычаги закреплены на балке-коллекторе;

- горизонтальные тяги шарнирно связаны с домкратами и двуплечими рычагами;

- вертикальные тяги шарнирно связаны с анодными шинами и двуплечими рычагами;

- вертикальные тяги выполнены с возможностью регулирования по длине;

- анодные шины снабжены ограничивающими направляющими.

В представленной авторами формуле изобретения заявляются следующие отличительные от прототипа признаки:

- анодная ошиновка содержит не менее двух силовых контуров, образованных анодными шинами и жестко соединенными с ними поперечными балками;

- каждый контур снабжен двумя горизонтальными тягами и двумя парными узлами ограничения перемещения анодных шин;

- горизонтальные тяги выполнены с возможностью регулирования по длине;

- горизонтальные тяги силовых контуров, расположенные по одной продольной стороне электролизера, жестко связаны между собой;

- горизонтальные тяги силовых контуров, расположенные по одной продольной стороне электролизера, жестко связаны между собой с возможностью регулирования по длине;

- для регулировки длины вертикальных и горизонтальных тяг могут быть использованы талрепы;

- узлы ограничения перемещения анодных шин состоят из направляющих и ползунов и расположены по продольным сторонам каждого силового контура;

- узел ограничения перемещения анодных шин снабжен прокладками из материала с низким коэффициентом трения, например из текстолита;

- домкраты установлены на балке-коллекторе горизонтально;

- домкраты связаны с горизонтальными тягами шарнирно посредством компенсационных тяг;

- привод домкрата снабжен системой контроля нагрузки на двигатель;

- анодное устройство снабжено системой автоматического управления перемещением анодных шин.

Наличие в предлагаемом техническом решении перечисленных выше признаков, отличных от признаков ближайшего аналога, 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 принципиально отдельные признаки объекта защиты известны:

- горизонтальная установка домкратов известна из целого ряда технических решений, а именно: патент РФ №2224052 «Анодное устройство электролизера с обожженными анодами» (С 25 С 3/12, от 27.05.2002 г.), патент РФ №2006529 «Анодное устройство электролизера с обожженными анодами» (С 25 С 3/12, от 16.07.1992 г.), патент СССР №3301002 «Анодное устройство алюминиевого электролизера» (C 22 d 3/02, от 04.07.1966 г.);

- использование рычажного механизма для перемещения анодных шин известно из следующих источников: А.С. №876793 «Электролизер с обожженными анодами» (С 25 С 3/10, от 10.03.80 г.), патента РФ №2006529, патента РФ №2224052, патента СССР №301002;

- регулирование длины вертикальной тяги известно из А.С. СССР №876793;

- расположение домкратов на одном торце электролизера известно из патента РФ №44324 «Устройство для перемещения анодных шин алюминиевого электролизера с обожженными анодами» (С 25 С 3/10, от 05.11.2004 г.), патента СССР №301002, из международной заявки WO №2004/079227 (F 16 H 25/20, от 26.02.2004 г.).

В процессе поиска и сравнительного анализа не выявлено решений, характеризующихся идентичными или эквивалентными признаками предлагаемому решению, а именно:

- анодные шины выполнены в виде не менее двух силовых контуров;

- каждый контур снабжен двумя горизонтальными тягами с возможностью регулирования по длине;

- парный узел ограничения перемещения анодных шин состоит из направляющих и ползунов;

- горизонтальные тяги силовых токопроводящих контуров, расположенные по одной продольной стороне электролизера, жестко связаны между собой, как вариант, жестко связаны с возможностью регулирования по длине;

- использование компенсационной тяги, шарнирно связанной с винтом домкрата и горизонтальной тягой, для компенсации радиальных нагрузок на винт домкрата.

Учитывая вышеизложенное и принимая во внимание то, что использование совокупности известных и неизвестных признаков, характеризующих предлагаемое техническое решение в объеме, представленном в формуле изобретения, позволяет выйти на новый уровень в разработке перспективных конструкций анодного устройства, точнее устройств для перемещения анодных шин мощных электролизеров, можно сделать вывод о соответствии предлагаемого решения условию патентоспособности «изобретательский уровень».

На фиг.1 показано заявляемое анодное устройство, в части устройства для перемещения анодных шин, выполненное в аксонометрии. На фиг.2 показан фрагмент заявляемого анодного устройства (левый ближний угол фиг.1) для пояснения конструкции узла ограничения перемещения анодных шин. На фиг.1, 2 отсутствуют система контроля нагрузки на двигатель (п.7 формулы изобретения) и система автоматического управления перемещением (п.8 формулы изобретения), так как выбор системы контроля нагрузки на двигатель и системы автоматического управления не являются признаками, принципиально влияющими на работоспособность анодного устройства в целом.

Предлагаемое анодное устройство алюминиевого электролизера включает балку-коллектор 1, на одном торце которой жестко горизонтально установлены два домкрата 2, снабженные общим приводом 3, а по продольным сторонам балки-коллектора закреплены двуплечие рычаги 4. Анодная ошиновка содержит два силовых контура, образованных анодными шинами 5, жестко соединенными с поперечными балками 6. Анодные шины, являющиеся продольной стороной силовых контуров, снабжены парными узлами ограничения перемещения анодных шин, каждый из которых состоит из направляющих 7 и ползунов 8, снабженных прокладками из материала с низким коэффициентом трения 9. Рычажный механизм устройства для перемещения анодных шин включает в себя горизонтальные тяги 10, снабженные талрепами 11 для регулировки их длины, двуплечие рычаги 4, вертикальные тяги 12, шарнирно закрепленные на анодных шинах и двуплечих рычагах и снабженные талрепами 13 для регулировки их длины. Горизонтальные тяги 10, установленные по одной стороне электролизера, жестко связаны между собой (на фиг.1 показан вариант их соединения через талреп 14, наличие которого облегчает монтаж устройства). Горизонтальные тяги 10 связаны с домкратом 2 посредством компенсационной тяги 15.

Предлагаемое анодное устройство работает следующим образом.

При включении привода 3 «на подъем анодного массива» винт домкрата 2 начинает втягиваться, увлекая за собой горизонтальные тяги 10, жестко соединенные между собой по продольным сторонам, например, талрепами 14. Движение горизонтальных тяг по обеим сторонам электролизера синхронно. Горизонтальные тяги 10, шарнирно связанные с двуплечими рычагами 4, вращают их по часовой стрелке, в результате чего вертикальные тяги 12, шарнирно соединенные с двуплечими рычагами, перемещаются вверх, увлекая за собой шарнирно соединенную с ними анодную ошиновку.

При включении привода 3 «на опускание анодного массива» винт домкрата движется в противоположную сторону. Рычаг 4 вращается против часовой стрелки, в результате чего вертикальные тяги вместе с анодным массивом опускаются вниз.

В настоящее время заявляемое анодное устройство проходит опытно-промышленные испытания на электролизере с силой тока 300 кА на одном из алюминиевых заводов РФ. Предварительные результаты эксплуатации подтверждают надежность разработанной конструкции и ее работоспособность. В ближайшее время электролизеры с заявленным анодным устройством будут установлены в новых строящихся цехах алюминиевых заводов.

1. Анодное устройство алюминиевого электролизера с обожженными анодами, содержащее балку-коллектор, анодную ошиновку с анодными шинами, ограниченными направляющими, два домкрата, жестко установленных на одном торце балки-коллектора и снабженных общим приводом, рычажный механизм с двуплечими рычагами, закрепленными на балке-коллекторе, горизонтальные тяги, шарнирно связанные с домкратами и двуплечими рычагами, и вертикальные тяги, шарнирно связанные с анодными шинами и двуплечими рычагами и выполненные с возможностью регулирования по длине, отличающееся тем, что анодная ошиновка выполнена в виде не менее двух силовых контуров, образованных анодными шинами и жестко соединенными с ними поперечными балками, при этом каждый из контуров снабжен двумя горизонтальными тягами с возможностью регулирования по длине и двумя парными узлами ограничения перемещения анодных шин, состоящими из направляющих и ползунов и расположенными по продольным сторонам каждого силового контура, при этом горизонтальные тяги силовых контуров, расположенные по одной продольной стороне электролизера, жестко связаны между собой, а домкраты установлены на балке-коллекторе горизонтально и связаны с горизонтальными тягами шарнирно посредством компенсационных тяг.

2. Анодное устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый узел ограничения перемещения анодных шин выполнен в виде двух металлических профилей, один из которых жестко закреплен на балке-коллекторе, а другой - на анодной шине.

3. Анодное устройство по п.1, отличающееся тем, что узлы ограничения перемещения анодных шин снабжены прокладками из материала с низким коэффициентом трения, например из текстолита.

4. Анодное устройство по п.1, отличающееся тем, что горизонтальные тяги силовых контуров жестко связаны между собой с возможностью регулирования по длине.

5. Анодное устройство по п.1, отличающееся тем, что горизонтальные тяги снабжены талрепами.

6. Анодное устройство по п.1, отличающееся тем, что вертикальные тяги снабжены талрепами.

7. Анодное устройство по п.1, отличающееся тем, что привод домкратов снабжен системой контроля нагрузки на двигатель.

8. Анодное устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено системой автоматического управления перемещением анодных шин.