СОЕДИНИТЕЛЬ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ АНОДА С АНОДНОЙ РАМКОЙ ЯЧЕЙКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ
CONNECTOR FOR MECHANICAL AND ELECTRICAL CONNECTION OF ANODE WITH ANODE CELL FRAME FOR ALUMINUM PRODUCTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к области производства алюминия с применением хорошо известной технологии огневого электролиза.
Согласно этой технологии, производство алюминия осуществляют внутри производственных ячеек, которые установлены последовательно в ряд и каждая из которых содержит ванну расплава, в частности, криолита и глинозема, через которую проходит ток большой силы. Аноды, обычно выполненные из углеродсодержащего материала, частично погружены в ячейки и расходуются по мере протекания реакции электролиза, поэтому необходимо периодически производить их замену.
Для этого аноды устанавливают на конце металлической штанги, предназначенной для их электрического и механического соединения с металлической рамкой, называемой анодной рамкой, которая является подвижной относительно неподвижного козлового крана, расположенного над ячейками. Эту анодную рамку приводят в вертикальное нисходящее движение, чтобы компенсировать зазор анодов, связанный с их расходованием, и поддерживать таким образом по существу постоянное межполюсное расстояние между анодом и ячейкой, которая выполняет роль катода. Для обеспечения крепления анодов на анодной рамке применяют соединители, выполняющие одновременно функцию механического соединения штанг анодов с анодной рамкой и электрической проводимости для обеспечения реакции электролиза.
Основные трудности при применении такого соединителя связаны прежде всего с обеспечением эффективного крепления, чтобы избежать падения анодов внутрь ячейки, что может привести к его повреждению, и, с другой стороны, с оптимизацией электрического соединения, чтобы ограничивать падения напряжения на уровне контакта по причине очень сильных токов, проходящих через каждый из анодов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время большинство соединителей являются подвижными. Иначе говоря, они не остаются постоянно закрепленными на анодной рамке.
Среди подвижных соединителей известен соединитель, описанный в документе FR 2 039 543. В этом документе раскрыт соединитель, состоящий из двух рычагов, шарнирно соединенных на общем стержне, при этом соответствующие концы упомянутого стержня заходят в крюки, неподвижно соединенные с анодной рамкой. Рычаги выполнены с возможностью сближения или удаления друг от друга под действием стяжного винта с двойным противоположным шагом.
Эффективное прижатие анодной штанги к анодной рамке происходит в результате относительного перемещения края рычагов по отношению к крюку. При этом нажимная поверхность рычагов, близкая к общему шарнирному стержню, выполнена таким образом, что, когда противоположные концы рычагов сдвигаются друг к другу при помощи стяжного винта, создается сжимающее усилие, адаптированное к предусмотренному назначению. Соответственно, когда упомянутые концы раздвигаются, прижимная поверхность рычагов отходит относительно системы координат, образованной крюками, освобождая таким образом рассматриваемую анодную штангу.
Соединитель этого типа описан также в документе FR 2 854 906. В частности, здесь описан верхний рычаг, оснащенный захватным бортиком, предназначенным для взаимодействия со средствами зацепления, выполненными внутри элемента манипулирования упомянутых соединителей.
В документе ЕР 0 584 тоже описан подвижный соединитель, в котором зона, предназначенная для взаимодействия с анодной штангой с целью обеспечения ее соединения с анодной рамкой, образована краем поперечин, входящих в состав рычагов соединителя.
Эти различные документы описывают гиперстатический соединитель между геометрической осью, образованной общим шарнирным стержнем рычагов, и плоскостью, образованной параллельностью стягиваемых сторон анода. Поскольку контакт соединитель-анод представляет собой контакт типа цилиндра на плоскости и, кроме того, нажимное усилие не является равномерным по причине гиперстатического характера устройства, анодные штанги деформируются зажимами или рычагами соединителя, что уменьшает усилие стягивания и, следовательно, отрицательно влияет на функцию механического крепления анода на анодной рамке, и с другой стороны, влияет на падение напряжения между анодной штангой и анодной рамкой.
Чтобы преодолеть эти недостатки, в документе FR 2 902 443 был предложен соединитель рассматриваемого типа, нажимной элемент которого, учитывая его конструкцию, с одной стороны, и способ его соединения с рычагами, с другой стороны, обеспечивает ему изостатический характер, способствующий увеличению поверхности и соответственно повышению эффективность крепления анодной штанги на анодной рамке, и, кроме того, позволяет оптимизировать электропроводимость между анодной рамкой и анодной штангой.
Этот нажимной элемент выполнен отдельно от рычагов или поперечин, соединяющих рычаги друг с другом, поскольку изостатический характер получают за счет применения двух плоских поверхностей, установленных на шарнирах соединителя, что придает упомянутым поверхностям определенную степень смещения в горизонтальной плоскости и в вертикальной плоскости во время операция затягивания/ослабления стяжных винтов, при этом упомянутые плоскости поверхности проходят по существу вертикально от срединной зоны соединителя.
Безусловно, этот изостатический соединитель является вполне удовлетворительным как в плане механического крепления, так и в плане электрического соединения, но, с другой стороны, при использовании выяснилось, что с учетом условий, в которых действуют такие соединители и которые характерны, в частности, для определенных фаз короткого замыкания, и, кроме температурных условий, появляется определенная усталость, связанная с термическим эффектом, характерным для фазы короткого замыкания, вследствие чего происходят явления разрушения, и возникает необходимость в замене всего комплекта соединителя.
Задачей настоящего изобретения является преодоление этих проблем разрушения.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Объектом изобретения является соединитель для механического и электрического соединения анода с анодной рамкой ячейки для производства алюминия методом огневого электролиза, при этом упомянутая анодная рамка оснащена крепежными крюками, предназначенными для взаимодействия с упомянутым соединителем, который состоит из двух скоб или колодок, выполняющих функцию рычагов, шарнирно соединенных на общем стержне, соответствующие продолжения которого заходят внутрь упомянутых крюков, при этом упомянутые рычаги приводятся в действие в противоположных направлениях на уровне своих свободных концов при помощи стяжного винта с двумя зонами противоположного шага, взаимодействуя на уровне поперечин, соединяющих упомянутые свободные концы скоб.
Согласно изобретению, нажимная поверхность соединителя, то есть зона, предназначенная для взаимодействия с анодной штангой для обеспечения ее соединения с анодной рамкой, образована двумя независимыми нажимными элементами, отличными от скоб или колодок и от поперечин, соединяющих между собой упомянутые скобы или зажимы, и расположенными с двух сторон от стержня шарнирного соединения рычагов или зажимов; при этом нажимная поверхность каждого из нажимных элементов взаимодействует с шарниром, установленным на конце передних поперечин, соединяющих две скобы или зажима, образующих соединитель.
Это позволяет придать изостатический характер нажимным элементам и, параллельно, за счет разделения упомянутых нажимных поверхностей и элементов, с которыми они связаны, избегать явлений усталости и, как следствие, разрушений, которые могут вытекать из явлений усталости в условиях, действующих на упомянутые соединители.
Согласно изобретению, каждый из нажимных элементов состоит из двух ветвей в основном U-образной формы, при этом свободные концы ветвей соединены между собой пластиной, а основание U соединено с соответствующей нажимной поверхностью.
При этом каждый из нажимных элементов установлен, если так можно выразиться, плавающим вокруг передних поперечин, каждая из которых образует шарнир, что придает ему искомый изостатический характер. Чтобы избежать слишком большого смещения нажимного элемента в боковом направлении, поперечины, выполняющие функцию шарнира, имеют специальный профиль, в частности, выпуклый в направлении анодной рамки, таким образом, чтобы обе ветви в виде U, образующие каждый из нажимных элементов, находились с двух сторон от высшей точки выпуклой формы. Кроме того, упомянутые передние поперечины имеют, каждая, два утолщения, расположенные с двух сторон от соответствующей нажимной поверхности, чтобы ограничивать ее смещение в боковой плоскости.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Изобретение и его преимущества будут более очевидны из описания не ограничительного примера выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.
Фиг. 1 - схематичный вид ячейки для производства алюминия методом огневого электролиза и различных анодов, закрепленных на соответствующей анодной рамке.
Фиг. 1 и 2 - схематичные виды в перспективе заявленного соединителя под двумя разными углами зрения.
Фиг. 4, 5 и 6 - схематичные виды в вертикальном сечении заявленного соединителя соответственно в режиме транспортировки, в номинальном режиме и в максимальном режиме с точки зрения давления, прижимающего анодную штангу к анодной рамке.
Фиг. 7, 8 и 9 - схематичные виды сверху заявленного соединителя в соответствующих положениях, показанных на фиг. 4, 5 и 6.
Фиг. 10 - схематичный вид в сечении, иллюстрирующий взаимодействие устройства манипулирования заявленным соединителем с таким соединителем.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
На фиг. 1 показана ячейка (1), предназначенная для производства алюминия посредством так называемой технологии огневого электролиза. Внутри этой ячейки погружен ряд предварительно обожженных анодов (2), как правило, выполненных из углерода, каждый из которых закреплен на анодной рамке (2) при помощи по существу вертикальной электропроводящей металлической штанги (4).
Анодная рамка (3) тоже является металлической и, следовательно, электропроводящей и выполнена подвижной относительно неподвижного козлового крана (5), расположенного над ячейкой (1). Таким образом, анодная рамка (3) может перемещаться поступательным вертикальным движением относительно козлового крана (5).
Штанги (4) анодов (2) обеспечивают их крепление на анодной рамке (3) при помощи соединителей (10), более подробно описанных ниже, каждый из который имеет шарнирный стержень, заходящий внутрь крюков (6), закрепленных на упомянутой анодной рамке (3).
Заявленный соединитель описан со ссылками на фиг. 2-9.
Как известно, этот соединитель содержит два рычага или зажима (11) и (12), каждый из которых имеет две боковые кромки, соединенные между собой при помощи задних (13) и (14) и передних (15) и (16) поперечин.
Эти два рычага или зажима (11) и (12) шарнирно соединены между собой относительно стержня (17), в данном случае представляющей собой металлический цилиндрический стержень. Этот стержень выступает с двух сторон соединителя таким образом, чтобы заходить в крюки (6), закрепленные на анодной рамке, и чтобы обеспечивать соединение соединителей с упомянутой рамкой и, соответственно, функцию прижатия штанг (4) анодов к анодной рамке.
Каждая из задних поперечин (13) и (14) имеет отверстие с внутренней резьбой, предназначенное для захождения в него стяжного винта (18), содержащего две коллинеарные части (19) и (20), имеющие противоположный шаг резьбы. Этот винт (18) имеет головку (21) винта, в данном случае с квадратным поперечным сечением, предназначенную для взаимодействия с не показанным стяжным элементом.
Поперечины (13) и (14) установлены с возможностью вращения в боковых фланцах, образующих рычаги (11) и (12), чтобы обеспечивать по существу линейное удержание стержня стяжного винта во время операция стягивания и ослабления соединителя.
Согласно изобретению, соединитель дополнительно содержит два независимых друг от друга нажимных элемента (22) и (23), изостатично закрепленных на упомянутом соединителе. Каждый из этих нажимных элементов (22) и (23) имеет нажимную поверхность (24) и (25). Эти нажимные поверхности предназначены для вхождения в контакт с анодной штангой с целью обеспечения ее механического крепления на анодной рамке дополнительно к электрическому соединению между упомянутой анодной рамкой и соответствующей анодной штангой.
В частности, каждый из нажимных элементов образован двумя конструкциями U-образной формы, свободные концы ветвей которых соединены между собой при помощи плоской пластины (26) и основание которых соединено с нажимными поверхностями (24) и (25). При этом каждый из нажимных элементов (22) и (23) окружает передние поперечины, соответственно (15) и (16), не будучи при этом неподвижно с ними соединенным.
Во время раздвигания рычагов (11) и (12) передние поперечины (15) и (16) обеспечивают поступательное перемещение нажимных поверхностей (24) и (25) в направлении анодной штанги за счет взаимодействия переднего конца (26) упомянутых поперечин, выполняющего функцию шарнира и заходящего во взаимосоответствующую полусферическую форму упомянутых нажимных поверхностей (24) и (25), как показано на фиг. 4, 5 и 6.
Кроме того, боковое смещение нажимных элементов (22) и (23) ограничено за счет особой формы упомянутых поперечин (15) и (16), как показано на фиг. 7, 8 и 9. В частности, с одной стороны, эти поперечины имеют слегка выпуклую форму в направлении анодной штанги таким образом, что апекс упомянутых выпуклых зон оказывается между U-образными конструкциями нажимных элементов, и, с другой стороны, упомянутые поперечины имеют выступы или утолщения (27), расположенные с двух сторон от U-образных конструкций, что тоже можно увидеть на фиг. 7, 8 и 9.
С другой стороны, смещение нажимных элементов (22,23) является более свободным, в частности, в вертикальном направлении, что позволяет придать упомянутым нажимным элементам искомую изостатичность.
Таким образом, выступы (27) удерживают сбоку нажимные элементы на стяжном стержне соединителя.
Кроме того, пластины (26) удерживают нажимные элементы вокруг поперечин во время манипулирования соединителем. Кроме того, пластину (26) нижнего нажимного элемента используют для удержания соединителя во время манипулирования, как показано на фиг. 10.
На этой фигуре позицией (30) обозначено устройство, обеспечивающее операции манипулирования и соответственно приведение в действие заявленного соединителя. Это устройство, закрепленное на специальной машине, связанной с соответствующим мостовым краном, которая может перемещаться над ячейкой (не показана), в основном содержит вилку (31), нижний конец которой образует захват (32), предназначенный для захождения в него нижнего конца пластины (26) нижнего нажимного элемента. Устройство содержит также стяжной ключ (33), предназначенный для захождения в него головки (21) винта для обеспечения стягивания или ослабления соединителя.
Учитывая независимость двух нажимных элементов (22) и (23) друг от друга, можно получить дополнительную степень свободы во время приведения в действие соединителя, в частности, во время операций стягивания и, следовательно, механического крепления анодных штанг на анодной рамке.
Кроме того, и в первую очередь эта независимость двух нажимных элементов позволяет избегать явлений усталости, наблюдаемых на известных соединителях.
Другим преимуществом этого решения является возможность ремонта соединителя при меньших затратах. Действительно, при воздействии сильных электрических дуг, которые могут появиться во время крепления анодной штанги на анодной рамке, наибольшие повреждения получают два нажимных элемента. Эти электрические дуги преждевременно разрушают именно нажимные элементы, а не другие компоненты стяжной системы соединителя, на которые, учитывая их центральное положение, электрические дуги не действуют. Поэтом достаточно заменить только поврежденный(ые) нажимной элемент или нажимные элементы, а не весь комплект соединителя.