ДОЗАТОР ДЛЯ ПИТАНИЯ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА СЫПУЧИМИ РЕАГЕНТАМИ
FEEDER FOR SUPPLYING ALUMINIUM ELECTROLYSIS CELL WITH GRANULAR MATERIALS

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано при получении алюминия на электролизерах с самообжигающимися анодами.
Известен дозатор для питания электролизера (US 3901787, NIZEKI et al., 26.08.1975), где дозатор состоит из двух аэрожелобов, один из которых используется для заполнения мерных камер, а второй - для подачи из камер дозы глинозема в электролит через направляющие трубы. Недостатком такого дозатора является невозможность оперативного изменения объема дозы, задаваемого объемом камер, и большой расход сжатого воздуха для реализации двух циклов - заполнения камер и выгрузки из них.
Дозаторы «клапанного» типа при попадании в них посторонних включений, встречающихся в глиноземе (макрофлекс, бумага и пр.), в зависимости от соотношения размеров могут либо беспрепятственно пропустить это включение вместе с глиноземом, либо надолго изменить величину доз или совсем прекратить работу. В таких случаях для очистки требуется демонтаж дозатора, его разборка, сборка и повторная установка. Поэтому кроме непосредственно дозирования вводится контроль работоспособности системы по разности давлений секционированного аэрирующего элемента псевдоожижения. Из патента (RU 2076782 C1, Рене, 10.04.1997) известно устройство для пневматического транспортирования порошкообразного вещества, ожиженного на пористом основании, и определения засорения пористого основания по разнице давлений в секциях ожижителя.
Известен дозатор для автоматического питания алюминиевого электролизера глиноземом и корректирующими добавками (RU 2175688 C2, Че и др., 10.11.2001), который выполнен в виде металлического короба, внутри которого установлена наклонная пластина, образующая с основанием дозатора калиброванную щель, а дозирование осуществляют аэрирующими пневматическими импульсами путем подачи направленной струи сжатого воздуха в калиброванную щель. Основной недостаток - значительный расход сжатого воздуха - более 20 нормальных литров на килограмм глинозема, что препятствует его применению на электролизерах верхнего токоподвода из-за окисления и выгорания анода в местах подачи глинозема. Кроме того, возможно попадание глинозема в систему управляющей пневматики, происходящее за счет образования «обратного фронта» воздушного потока по окончании импульса. Это явление зачастую приводит к остановке дозирования и к поломке управляющих пневмоклапанов.
Известны системы дозирования сыпучих реагентов, использующие подбор высот реагентов над аэрирующими элементами псевдоожижения для обеспечения заданного расхода (US 6402437 B1, Gasquet, et al., 11.06.2002; US 7048475 B2, Karlsen et.al., 05.08.2008). Однако используемые технические средства не предусматривают расход малыми дозами за счет подачи коротких пневмоимпульсов.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является дозатор с импульсным аэрирующим приводом (RU 2121529 C1, Концур, 10.11.1998). Устройство полностью удовлетворяет требованиям к дозаторам для электролизеров с обожженными анодами, а по затратам энергии является наиболее экономичным. Средства для регулирования режима подачи сыпучих реагентов выполнены в виде аэрирующей коробки с газопроницаемым элементом, подключенной к блоку подачи пневматических импульсов и управления, при этом газопроницаемый элемент является днищем кожуха дозатора, передняя стенка кожуха установлена с зазором относительно днища, выступающего за пределы кожуха, и совместно с направляющими бортами, скрепленными с кожухом, образует течку.
Однако при эксплуатации этого дозатора на электролизерах Содерберга с самообжигающимися анодами и верхним токоподводом выявляется недостаток. Если бункер для глинозема по объективным или субъективным причинам оказался пустым, то система теряет герметичность. Появляется тяга и поток горячих газов электролиза с продуктами коксования анода попадает в атмосферу заводского корпуса. Помимо ухудшения экологии на внутренних поверхностях течки, дозатора и бункера конденсируются смолистые возгоны, которые повреждают или полностью выводят из строя пористый газопроницаемый элемент дозатора. В результате требуется коррекция величины доз, либо замена дозатора. Посторонние включения, встречающиеся в глиноземе («макрофлекс», перья птиц, бумага и т.п.), попадая в дозирующую щель, могут вызвать остановку дозирования. В глиноземе также присутствуют ферромагнитные частицы (стальные опилки и окалина), которые в сильном магнитном поле электролизера налипают на металлических кромках конструкций, в том числе и кромке дозирующей щели дозатора, изменяя характеристики дозирования. В этих случаях необходима оперативная очистка дозатора.
Патентуемое изобретение направлено на усовершенствование конструкции дозатора, свободного от перечисленных недостатков и пригодного для автоматизированного питания глиноземом электролизеров всех типов.
Дозатор для питания алюминиевого электролизера сыпучими реагентами содержит пустотелый короб с загрузочным отверстием для присоединения к бункеру сыпучего реагента, плоский аэрирующий элемент псевдоожижения, установленный в днище и связанный с блоком подачи пневматических импульсов и управления, выпускное отверстие в форме щели, образованной в боковой стенке короба.
Дозатор отличается тем, что короб разделен открытой со стороны аэрирующего элемента перегородкой, обрез которой параллелен обрезу боковой стенки короба в зоне щели, а также поверхности аэрирующего элемента. Расстояние от поверхности аэрирующего элемента до обреза боковой стенки короба равно или превышает указанное расстояние до обреза перегородки, а полость над аэрирующим элементом выполнена с возможностью образования в ней затвора из дозируемого сыпучего реагента и противодействия свободному истечению реагента.
Дозатор может характеризоваться тем, что стенки короба и перегородка выполнены из износостойкого, термостойкого немагнитного материала, а также тем, что выпускное отверстие имеет форму прямоугольника, размер меньшей стороны которого превышает максимальный размер посторонних включений в реагенте.
Технический результат изобретения состоит в обеспечении герметичности дозатора при отсутствии сыпучих реагентов в бункере, а также способности пропускать через себя посторонние включения, встречающиеся в реагенте. Конструкция дозатора, кроме того, совместима с любыми автоматизированными системами управления подачи реагентов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на: фиг.1 представлена конструкции дозатора и траектория движения реагента в нем; фиг.2 - принцип запирания дозатора при отсутствии сыпучих реагентов в бункере; фиг.3 - вид на дозатор со стороны течки.
Дозатор включает (фиг.1) пустотелый короб 10, выполняющий функции корпуса дозатора, имеющий основание 101 в донной части, сплошные боковые стенки 102, 103, 104, частично открытую боковую стенку 105 и верхнюю стенку 106.
Обрез 11 боковой стенки 105 формирует выпускное отверстие 12, к которому присоединена течка 13. К коробу 10 течка 13 прикрепляется посредством, например, болтов. В донной части основания 101 размещен плоский аэрирующий элемент 14 с газопроницаемой перегородкой 141 и патрубком 142 для подачи пневматических импульсов. Элемент 14 открыт в полость короба 10 для обеспечения псевдоожижения сыпучего реагента 15 и придания ему текучести. Патрубок 142 элемента 14 связан с блоком подачи пневматических импульсов и управления АСУТП (не показан).
1
2
2
1
Со стороны, противолежащей выпускному отверстию 12, в верхней стенке 106 имеется загрузочный патрубок 16 для присоединения к бункеру 17 сыпучего реагента (показан условно). Зона загрузки с патрубком 16 отделена от зоны дозирующей щели - выпускного отверстия 12 перегородкой 18, прикрепленной к верхней стенке 106 и открытой в сторону элемента 14. Обрез 19 перегородки 18 параллелен плоскости аэрирующего элемента 14 и обрезу 11 боковой стенки 105. Обрез 11 стенки отстоит от плоскости элемента 14 на расстоянии h, а обрез стенки 19 - на расстоянии h, при этом должно выполняться условие: h≤h.
Указанные конструктивные признаки обеспечивают в полости 20 над аэрирующим элементом 14 образование затвора из дозируемого сыпучего реагента 15 и противодействие его свободному истечению. Тем самым обеспечивается и достижение технического результата - герметичность дозатора при отсутствии сыпучих реагентов 15 в бункере 17, способность пропускать через себя посторонние включения, встречающиеся в глиноземе (см. ниже). Кроме того, достигается совместимость с любыми автоматизированными системами управления подачи реагентов.
1
2
Устройство работает следующим образом. При подаче управляющего пневматического импульса на аэрирующий элемент 14, и при наличии реагента 15 в полости 20 траектория движения (показана стрелкой) представляет собой перемещение реагента в полости 20 сначала вниз, в сторону дна дозатора. Далее происходит обтекание перегородки 18 и обеспечение состояния псевдоожижения, а затем имеет место перетекание реагента через обрез 11 боковой стенки 105 с последующим падением в течку 13. При псевдоожижении реагента, преимущественно глинозема, наблюдается увеличение его объема на 10-30%, в зависимости от количества воздуха подаваемого через элемент 14 и свойств самого используемого глинозема. Если расстояние h до обреза 11 выпускного отверстия 12 превышает расстояние h до обреза 19 перегородки 18, то при прекращении поступления глинозема из бункера 17 (см. фиг.2-3) в полости 20 дозатора всегда будет оставаться слой 21 реагента, надежно запирающий выпускное отверстие 12. Такой затвор препятствует движению газов от электролизера и предохраняет газопроницаемую перегородку аэрирующего элемента 14 от контакта со смолистыми возгонами.
1
2
Высота обрезов 11 и 19, соответственно расстояний h и h может быть любой, но очевидно, что толстый слой реагента (глинозема), образованный высокой щелью и соответствующей перегородкой, потребует больших затрат энергии для его ожижения и перемещения. Низкая щель будет часто забиваться мусором, а тонкий слой глинозема (менее 10 мм) не сможет гарантированно защитить газопроницаемую пластину 141 от смолистых возгонов.
Для устранения накопления опилок и окалины в изобретении предусмотрено изготовление передней боковой стенки 105, а также и перегородки 18, из немагнитной аустенитной стали или других нержавеющих сталей, что полностью ликвидирует накопление упомянутых опилок и окалины в виде т.н. «щетки» или «бороды».
Экспериментальная проверка показала, что патентуемая конструкция обладает способностью пропускать через себя посторонние включения без засорения дозатора. Речь идет о встречающихся в глиноземе посторонних включениях с размером менее 30 мм, которые не улавливаются сетками на приемных складах или попадают в реагент непосредственно на заводе. Для гарантированного беспрепятственного выхода посторонних включений из дозатора, высоту дозирующей щели и выпускного отверстия устанавливают большей, чем максимальный размер посторонних включений в глиноземе. С той же целью ширина дозирующей щели и выпускного отверстия должна быть не меньше их высоты. Оптимальной формой дозирующей щели и выпускного отверстия дозатора является прямоугольная фигура, меньшая сторона которой превышает максимальный размер встречающихся посторонних включений.
Достижение технического результата обосновывается нижеприведенными примерами стендовых испытаний.
Для экспериментов использовался металлургический глинозем марки «Г-00» производства Павлодарского алюминиевого завода, соответствующий ГОСТ 17433-80.
1
2
Газопроницаемая перегородка 141 имела эффективную ширину 30 мм, а высота и ширина дозирующей щели, как и выпускного отверстия 12, составила 40×40 мм. Расстояние между верхней стенкой 106 и газопроницаемой перегородкой 141 составляло 98 мм, h=50 мм, h=42 мм, то есть перекрытие составляло 8 мм.
Управление импульсами сжатого воздуха с давлением 0,05 МПа осуществлялось системой АСУТП, формирующей импульсы, кратные 1 с. Измеренное давление в аэрирующем элементе 14 в момент подачи воздушного импульса и наличии глинозема в дозаторе составило 900 Па (90 мм вод.ст.). При таком давлении глинозем с увеличением объема переходит в «жидкое» состояние и перетекает через обрез 11 выпускного отверстия 12 в количествах, пропорциональных длительности импульсов.
В серии из 20 подач с длительностью импульсов 1 с получена средняя величина дозы 79 г с отклонением 1,2%. При длительности импульсов 2 с - 184,7 г с отклонением 1,27%; при длительности 3 с - 290,3 г с отклонением 1,71%; при длительности 5 с - 472,7 г с отклонением 1,61%. Полученные данные свидетельствуют о том, что устройство вполне адекватно реагирует на изменение длительности импульсов (управляемость) и позволяет обеспечивать хорошую воспроизводимость доз глинозема, превосходящую требования (±10%) к подобным устройствам.
Далее, глинозем в бункере искусственно загрязняли посторонними включениями - вспененным «макрофлексом», обрывками ткани и бумаги. Максимальный размер включений составлял 35×35 мм, что порядка указанного выше размера 40×40 мм выпускного отверстия 12. Серии опытов показали, что посторонние включения беспрепятственно проходят сквозь щель выпускного отверстия - при псевдоожижении всплывают на поверхность глинозема и вытекают вместе с ним, т.е. работоспособность дозатора не нарушается. Непосредственно в момент преодоления включениями совместно с глиноземом обреза 11 боковой стенки 105 наблюдается снижение веса нескольких (от двух до пяти) доз до 35%, а затем точность дозирования восстанавливается.
Вытеснением воды определено, что устройство потребляет 1,071-1,075 нормальных литров воздуха на килограмм глинозема, - это в три раза больше, чем у устройства-прототипа, но в 7 раз ниже, чем у лучших механических дозаторов.
При опорожнении бункера и продолжении подачи импульсов дозирование прекращается, но в опытном дозаторе стабильно остается минимальный уровень глинозема 43-45 мм, надежно перекрывающий дозирующую щель.
В результате стендовых испытаний установлено, что патентуемое устройство отвечает всем требованиям, предъявляемым к дозаторам глинозема, но обладает дополнительной возможностью дозировать глинозем, содержащий посторонние включения и «запирать» систему в случае опорожнения бункера.
Промышленная применимость. Устройство может быть воспроизведено по описанию изобретения с достижением технического результата на промышленных электролизерах любого типа, с использованием любого металлургического глинозема. Изобретение позволяет улучшить технико-экономические показатели электролиза. Устройство совместимо с любой современной системой управления, причем для АСУТП «Тролль» не требуется даже корректировки программы.