更換電解槽中陽極時的定位方法與設備的製作方法

2023-11-01 06:20:07 1

專利名稱：更換電解槽中陽極時的定位方法與設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及更換電解槽中陽極時的定位方法以及用於實施這種方法的設備。
背景技術：
用於生產鋁的具有預焙陽極的Hall-Héroult型電解槽在工作中需要定期地用新的陽極更換用舊的陽極。這種預焙陽極包括預焙或鍛燒的碳塊，而在此碳塊上通過緊固於其上的接管接附一陽極吊杆。陽極吊杆及其接管都由金屬材料製成。碳塊與陽極吊杆的組件通常稱為陽極，而此陽極則是通過陽極吊杆緊固到電解槽的上層結構上，準確地說是緊固到可沿此槽的縱向移動的陽極梁上。標準的電解槽設計包括兩個陽極梁，一定個數的陽極則可沿著每個梁側排列。通常各陽極梁可有8～10個陽極。陽極中的碳料在電解過程中會消耗，必須在接管的金屬材料顯露之前更換。這一過程約佔28天，而在具有幾十個電解槽的電解車間中，大範圍的要求撤除用舊了的陽極而插入新的。在這種作業中，重要的是使所插入的新電極的下側儘可能依據高度正確地定位於用舊的陽極的位置上。這是由於極間距離(陽極與陰極間的距離)是電解槽中的重要參數。
現在，這項操作愈來愈多地採用安裝於軌道上、沿著成排的電解槽且常常是位於它們上方的橋式吊車來進行。上述作業在電解槽的工作中是較費力和經常性的作業，這種工業部門的各類人員在著重於操作人員的安全性與工作環境的同時，作出了許多改進使這項作業簡化與合理化。已確立的一種測定新陽極插入高度的方法是把新陽極放置到撤下的陽極旁邊的臺上，用粉筆於陽極吊杆上標出一公共的基準面。在此項操作中用一測量架作為輔助工具。
美國專利No.4221641涉及一種在用於生產鋁的電解還原槽中更換電極的方法與裝置。此方法與用舊的陽極從此槽到擬配準的槽上方第一水平面的輸送路徑有關，用以測定電極的長度，降下一新的電極，由此探測至平行於此第一水平面的第二水平面的距離來測量此新電極的長度，測量這兩個水平面間的距離，同時此新的電極再從此第二水平面降低一個等於此用舊的陽極的輸送路徑減去上述兩水平面間的距離。為了確定這種水平面，相應的技術方案包括一個由所述電極起動的臂同時具有一用來探測該臂運動的探測器。此探測器包括光束與接收器，而此光束則為安裝於該臂上的屏所折斷。這種探測器的技術方案屬於光學/機械型，具有的運動部件在超過一定時間後易脫位以及/或者需要廣泛的保養/檢查來保證其部件的可動性和正確的功能。這種測量原理的基礎是在行程開關之外還採用了增量計數器以對上述吊車進行計數。

發明內容
本發明提供了用於電解車間中更換陽極的方法與設備，能使陽極精確定位，且在遭遇灰砂、磨損與機械應力時比先有的技術方案更為穩定可靠。此外，本發明的技術方案幾乎不需檢查，同時對於操作吊車的操作人員有良好的用戶界面。
上述的以及其他的優點可以由本發明依據所附權利要求1～10來實現。


下面通過附圖與例子更詳細地描述本發明，附圖中圖1a～b以簡圖示明了測量設備與不具有陽極的關鍵部件；圖2以簡圖示明如何進行測量。
具體實施例方式
如上所述，本發明的目的之一在於應用涉及到以雷射測距的改進設備來更精確地測距而實現更精確地插入陽極。這樣就避免了隨機的陽極提升機的測量誤差，同時藉助所選擇的聯鎖技術減少了不正確操作的可能性。本發明的測量原理和所用的操作序列消除了與橋式吊車的垂直偏轉以及粗糙結構中不規則遊隙相關的測量誤差。
與利用測量臺和基準面的手工測量方法比較，由本發明的方法來更換陽極時能減少強勞動，不需要操作人員於地面上進行插入和調節陽極的位置高度，同時陽極的插入高度更精確，這對於電解槽的操作是很重要的。
參考圖1a，此測量設備包括安裝在具有垂直保護管5的密封艙4內的雷射元件3。雷射束7通過保護管射向位於陽極夾緊器2上的反射標記6。在上述布置下，雷射元件將測量出精確距離。密封艙以及此保護管與通過供氣管道8供給艙4的超壓空氣防止了氟化物粉塵與氣體到達雷射元件透鏡上。這種組合形式將產生出精確測量結果而無隨機測量誤差。與PLC(可編程序邏輯控制器)通信的電纜從密封艙延伸出。
升降裝置即陽極提升機安裝在組合式吊車的轉動車上，能將燒壞的陽極提出電解槽並更換以新的陽極。此陽極提升機是液壓控制的，也即此陽極與陽極吊杆是藉助液壓力相對於電解槽進行升降的。
此陽極提升機裝備有陽極夾定位器，它是緊固於陽極提升機上的夾緊裝置，能夾定緊固在陽極11上的陽極吊杆10(參看圖1b)。通常，此陽極吊杆在其上部有一個可為夾緊裝置夾緊的孔。這種夾緊裝置可包括一或多個能進入上述吊杆孔內的短柱。
PLC指可編程邏輯控制器，能利用輸入信號(I)和邏輯結構程序控制輸出信號(O)。此PLC包括若干個微處理機。PLC處理機位於吊車結構上，同時有幾個分散的I/O機架位於可動小車上以及司機的操作室內。這些分散的I/O機架藉助高度抗噪聲的高速數據通信與PLC處理器連結。這樣就不需用許多易招致噪聲與誤差信號的信號電纜。
在上述情形下，雷射測量設備可測量雷射元件與反射標誌間的距離。這種組合結構的精度約為1mm。本例中所用的雷射元件與各分散機架可進行RS-232通信。此雷射元件最好於超壓下設於接附到例如直徑50mm而長約2.5mm的帶凸緣的保護管中的密封艙內。雷射束設計成能從密封艙通過管向下照射到陽極夾緊器上的反射標誌。
RS-232(ASCII字符-埠到埠)通信是一種數據通信方法，能將信號準確地從此雷射元件傳送給PLC。
PanelView(觀察板，未示明)是一種屏幕基的顯像系統，能通過例如與分散的I/O機架相同的通信方法與PLC通信。這種顯像系統能讀出除以下所述之外的所有值，使得吊車司機能夠讀取這種值。
光板(未圖示)包括具有5種不同顏色光的光柱。這種光板有兩種功能模式。模式1用在撤除陽極時同時指明逐步測量序列。方式2是在插入陽極時作定位指示，指出陽極是處於太高、太低或正確位置。這時根據PLC中已編程的算法。
1)PLC聯鎖(PLC程序中的PLC聯鎖)這一序列是聯鎖的，以便最終消除機械遊隙。為此，操作者對於陽極提升機UP STAGE(上行級)1必須使用控制杆至少2秒鐘，且在陽極夾緊器位置保留於PLC中之前的同時應用REMEMBERMEAURED VALUE(記住測量值)開關。
當此用於陽極提升機的控制杆處於位置UP STAGE 1時，此液壓裝置以適當的值保證陽極提升機相對於燒損的陽極具有60～70％的提升力。
2)綜合的PLC技術方案PLC的安裝使得在雷射元件與PLC之間的信號傳輸是高度抗噪聲的，這種信號傳輸是可靠，不會產生隨機的測量誤差。
3)顯示簡單的顯示可表明這一序列並能使新陽極可靠地定位。
本例中的吊車是由具有智能型分散的I/O機架控制，此雷射測距設備與分散的I/O機架通信。雷射元件與一個分散的機架必須位於陽極提升機上，這是因為雷射元件是通過智能型分散的I/O機架將測量值傳送給PLC的。對於在此雷射元件與PLC處理器之間傳輸測量值時，最重要的是要相對於電磁波束與靜電射束儘可能是抗噪聲的同時不會受溫度波動影響以避免錯誤信號。
具有這種雷射元件的雷射測量設備如上所述是位於旋轉的陽極提升機抓斗上-防塵艙4(電工技術名稱為IP 56)。在此艙上安裝有直徑50mm長約2.5m的帶凸緣的管5，它朝下延伸向反射標誌6。此反射標誌緊固於陽極夾緊件2上。上述雷射測量設備測量在此陽極提升機上防塵艙中一固定點(安裝位置)通過該管與向下朝向陽極夾緊器上該反射器之間的距離。此防塵艙設有超壓以及上述的長管，使得強力的向上空氣流(帶有大量的與更換陽極有關的含氟與灰塵的氣體加熱空氣)不會到達此雷射元件的透鏡上。這是防止誤差測量的一個重要部分。上述的雷射測量原理是本發明的一種中心部分。因為它不會受機械磨損的影響，也不需要維修保養。
Panel View 550顯像板安裝於吊車艙內，得以讀出這一序列中的所有測量結果與階段，且由PLC控制。
在操作者前方安裝有具備5個指示燈的功能光板。這種功能顯示有兩種模式，這是為了讓操作者在插入陽極時特別是關係到新陽極的安裝高度時，可監控這方面的功能(詳情可參考後面有關功能說明的部分)。
操作者的控制裝置包括在左側的控制杆，它具備用於使陽極夾緊件作上行運動的3級。
UP STAGE(上行級)1對陽極夾緊器施加約為燒損陽極重量60～70％的提升力，同時具有較低的提升速度。當此陽極夾緊器的高度需要用雷射設備測量時便要如此來設定力。
UP STAGE(上行級)2對陽極夾緊器施加約為燒損陽極重量300％的提升力(撤出陽極時的脫離力)，同時具有與UP STAGE 1相同的速度。
UP STAGE(上行級)3對陽極夾緊器施加約為燒損陽極重量200％的提升力，同時具有快速裝卸陽極的高速度。
在上述此同一控制杆上的前方有一按鈕開關，用來操作REMEMBER ANODE GRIPPER POSITION(記住陽極夾持器位置)。
功能說明，參看圖2上述所有功能是由吊車艙中的操作者執行的。操作者首先於Panel View上設定偏移值。即新陽極相對於燒損陽極插入多高(典型的設定值是20mm)。操作者導引此吊車使他能用陽極夾緊器夾持此陽極吊杆(陽極)，然後用控制杆操作陽極提升機UP STAGE 1(參看圖2a)。此時的陽極提升機以約為陽極重量60～70％的預定力(恆力)進行提升。結果可消除遊隙。在進行提升的同時，操作者撳壓控制杆上的REMEMBER POSITION(記住位置)開關。要是UP STAGE1上升已連續進行2秒，則將陽極夾定器位置存儲於PLC中。若是操作者應用UP STAGE 2，則陽極夾定器位置將不保留於PLC中。這是PLC中的重要聯鎖功能，消除了遊隙同時保證了吊車在所有測量過程中以近似相同的方式偏轉。在依據本發明的方法完成了上述操作後，PLC將於光板上以黃光對此確認。這表面測量A業已完成。陽極夾定器鬆開而從電解槽中取出燒損的電極。
此燒損的電極向下放置到基準面(檢查板)上，參看圖2b。應用陽極提升機UP STAGE 1將陽極提升，亦即以約60～70％的陽極重量的提升力再次提升此陽極提升機。燒損的陽極不再從該基準面提升，但吊車則以同於將陽極從槽中上提的方式延伸。這樣就消除了吊車中的遊隙。在進行提升的同時，操作者撳壓控制杆上的REMEMBERPOSITION開關。若是UP STAGE 1上升已進行約2秒，則此位置存儲於PLC中。當上述作業正確地完成後，PLC將以光板上的綠光對此確認。這表明測量B已完結。
然後將舊的陽極置於廢物艙中。新的陽極緊固到陽極夾定器上，再將它放在與燒損陽極所用的相同基準面上，參看圖2c。此陽極用UP STAGE 1提升。亦即此陽極提升機再次以約60～70％陽極重量的提升力再次提升。在進行這種提升的同時，操作者撳壓REMEMBERPOSITION開關。當此UP STAGE 1提升進行2秒後，此位置存儲於PLC中。在此述操作已正確完成後，PLC將以光板上的紅光對此確認。這表明測量C業已完成。至此所有這類測量都已完成。
PLC用下述公式計算新陽極的插入高度，參看圖2dD＝A-B+C-X；D為新陽極的所需位置；A為燒損陽極在電解槽中的位置；B為燒損陽極在基準面上的位置；C為新陽極在基準面上的位置；X為新陽極在電解槽中相對於燒損陽極在電解槽中的附加高度。
新陽極是在陽極位置＝D(+/-公差，通常為+/-3mm，此公差可從操作板上調節)處插入槽中。
然後將指示板變換到方式2用於指示，操作者根據方式2的光指示將陽極插入槽中，亦即若是黃燈亮(1或2個黃燈亮)時，陽極太高，而若是紅燈亮(1或2個紅燈亮)時，陽極太低。若是綠燈亮，則陽極是處於位置D+/-3mm。當此陽極定位於槽中而綠燈亮時，便用陽極夾定器固定陽極。至此，上述作業序列已完成而此設備可以用來置換另一電解槽中的陽極。
為了避免陽極變形，新電極的附加插入高度是重要的。此附加高度表明陽極並未到達「最大功率」而能在有全電流流過它之前逐漸加熱。
權利要求
1.用於以預焙陽極更換Hall-Héroalt型電解槽中陽極時進行定位的方法，其中應用帶陽極夾緊器的吊車來提出用舊的陽極和插入新陽極，此夾緊器作用於陽極吊杆上預設的固定點，同時按一定高度插入新電極，此一定高度是根據除去陽極的高度計算出的高度，而此除去陽極的高度以及新陽極的高度則是相對於公共基準面測量的，其特徵在於將用於測量長度的基於雷射的測量設備設於吊車上的一個點、操作時相對於高度為穩定的點、和陽極夾緊器上的一個點之間，此夾緊器與陽極一起運動，所述測量設備測出所述高度，而此測量值則由基於PLC的系統處理，此系統則依據特定算法確定新陽極的插入高度。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於上述算法包括下述公式D＝A-B+C-X，其中D為新陽極的所需位置；A為舊陽極在電解槽中的位置；B為舊陽極在基準面上的位置；C為新陽極在相同的基準面上的位置；X為插入新陽極相對於舊陽極的附加高度。
3.根據權利要求1的方法，其特徵在於在測量上述高度之前，使此陽極夾定器經受一小於此燒損陽極重量的第一提升力的作用，消除此陽極夾定器與相連的機械結構中的遊隙。
4.用於以預焙陽極更換Hell-HHéroalt型電解槽中陽極時進行定位的設備，此設備包括吊車，此吊車具有陽極夾緊器用以提出用舊的陽極和插入新的陽極，此夾緊件作用於陽極吊杆上的預定點，而由此按一定高度插入新電極，此一定高度是根據除去的陽極高度計算出的高度，而此除去陽極的高度以及新陽極的高度則是相對於公共基準面測量的，其特徵在於將用於測量長度的基於雷射的測量設備設於吊車上的一個點、操作時相對於高度為穩定的點、和陽極夾緊器的一個點之間，此夾緊器與陽極一起運動，所述測量設備測出所述高度，同時將數據信號發送給PLC，此PLC處理測量出的存儲的值並根據特定算法確定新陽極的插入高度。
5.根據權利要求4的設備，其特徵在於此基於雷射的測量設備包括雷射元件，此元件既發射雷射也探測所反射的雷射且安裝在相對於高度為穩定的在吊車上的位置，而用於反射此雷射的反射裝置則安裝在該陽極夾緊器上。
6.根據權利要求5的設備，其特徵在於上述雷射元件包含在具有向下開孔的防塵艙中，在此防塵艙中裝附有可讓雷射通過的管。
7.根據權利要求6的設備，其特徵在於上述艙供被供有壓縮空氣以形成空氣超壓環境使灰塵不能通過上述管進入該艙中。
8.根據權利要求7的設備，其特徵在於此PLC配置成可存儲傳送來的測量值並在聯鎖消除遊隙後進行處理。
9.根據權利要求8的設備，其特徵在於上述聯鎖涉及到陽極夾緊器受等效於陽極重量60～70％的提升力作用，此提升力必須在存儲上述測量值之前施加至少約2秒。
10.根據權利要求8至9的設備，其特徵在於由顯示、光信號或類似物可視化來表明根據本方法和特定聯鎖下的序列的完成，並據此存儲測量值。
全文摘要
本發明涉及用於更換電解槽中陽極的方法與設備，其中用陽極夾緊器來提出用舊的陽極和插入新陽極。新陽極的插入高度是依除去陽極的高度計算的高度，而此除去陽極的高度和新陽極的高度則是相對於公共基準面測量的。基於雷射的測量設備設在吊車上的在作業中相對於高度為穩定的點和在陽極夾緊器上的點之間，夾緊器與陽極一起移動且測量了所述高度。測量值由基於PLC的系統處理，此系統根據特定的算法確定了更精確的新電極的插入高度。
文檔編號C25C7/00GK1898414SQ200480038371
公開日2007年1月17日 申請日期2004年11月15日 優先權日2003年11月26日
發明者昂特·H.·費德傑蘭德 申請人:諾爾斯海德公司