СОЕДИНИТЕЛЬ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ АНОДА С АНОДНОЙ РАМОЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ И УСТРОЙСТВО ЗАХВАТА, ЗАЖИМА И РАЗЖИМА ТАКОГО СОЕДИНИТЕЛЯ
CONNECTOR FOR MECHANICAL AND ELECTRICAL CONNECTION OF ANODE WITH ANODE FRAME OF ELECTROLYTIC BATH FOR PURPOSE OF ALUMINIUM PRODUCTION AND DEVICE TO GRIP, CLAMP AND RELEASE SUCH CONNECTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Устройство применяется в области производства алюминия по технологии, известной как огневой электролиз.
Согласно этой технологии алюминий производится в ваннах или стандартных электролизерах для производства алюминия, каждый из которых имеет в своем составе ванну для плавления, в частности, криолита и алюминия, через которую пропускается электрический ток большой силы. Для этого в ваннах имеются аноды, прошедшие предварительную тепловую обработку, которые расходуются в процессе реакции электролиза, так что необходима их периодическая замена, обычно периодичность замены составляет от 22 до 28 дней.
Таким образом, возникает проблема замены анодов в этих электролизерах для производства алюминия. Они соединяются через соединитель механически и электрически с токопроводящей анодной рамой, связанной с каждым из вышеупомянутых электролизеров.
Эта анодная рама опускается вертикально для компенсации износа анодов, и необходимо сохранять постоянным расстояние между полюсами анода и электролизера, выполняющего функцию катода. Таким образом, аноды фиксируются на анодной раме посредством соединителей, обеспечивающих одновременно механическое соединение вышеупомянутых анодов с анодной рамой, а с другой стороны, электрическую проводимость, позволяющую обеспечить реакцию электролиза. Точнее, это механическое соединение осуществляется на уровне анодного стержня, образованного алюминиевым стержнем квадратного сечения, рассчитанном таким образом, чтобы выдерживать вес анода.
Это крепление должно быть особенно эффективным для того, чтобы избежать падения анодов в ванну, с другой стороны, оптимизировать электрическое соединение, чтобы ограничить падение напряжения на контактах, в связи с большой силой тока, пропускаемого через каждый из анодов.
Уровень техники
Среди различных типов соединителей, известных на сегодняшний день, имеются подвижные соединители, которые не остаются на анодной раме при расходовании анода и могут быть использованы при замене и установке нового анода.
Такой соединитель описан в документе FR 2039543. Он состоит из двух шарнирных рычагов на общей оси, на продолжении которых с одной и другой стороны закрепляются крюки, которые, в свою очередь, крепятся к анодной раме. Свободные концы этих рычагов могут сближаться или удаляться под воздействием двухходового противолежащего зажимного винта.
Стержень анода вставляется между анодной рамой и концами рычагов, находящихся на уровне общей оси. Эффективное крепление получается в результате вышеупомянутого перемещения концов рычагов по отношению к крюкам. Тем самым, площадь давления рычагов, находящихся вблизи общей оси, такова, что при сближении противоположных концов вышеупомянутых рычагов, одного к другому, посредством зажимного винта, создается сила зажима, соответствующая рассматриваемому варианту применения, или, напротив, при разведении вышеупомянутые концы отодвигают поверхность зажима рычагов по отношению к нейтральному положению, определяемому крюками, освобождая, тем самым, вышеупомянутый стержень анода.
Согласно этой документации, данный соединитель приводится в действие устройством перемещения, предназначенным для осуществления различных операций по смене анода, но не позволяет поднимать анодную раму, сохраняя постоянной высоту рассматриваемого анода. Это устройство перемещения оснащено захватом для соединителя, связанного с устройством зажима и разжима соединителя. Такой инструмент работает одновременно с инструментом собственно анодного стержня, выполняя, помимо прочего, функцию подъема и извлечения анода из электролизной ванны, его также именуют «съемником».
Однако одной из технических проблем, которая возникает в ходе этой операции, в частности замены анода, является риск, которым нельзя пренебрегать, а именно, риск падения соединителя после разжима. И действительно, захваты соединителей, известных на сегодняшний день, оснащены дополнительным элементом с выступом на вышеупомянутом соединителе.
Итак, было продемонстрировано и даже экспериментально показано, что прежде всего, в связи с весом соединителя и, с другой стороны, с учетом средств, используемых для осуществления захвата, падение соединителя происходило несколько раз со значительными последствиями для съемника, а именно:
- если происходит падение соединителя в электролизную ванну, то это повреждает электролизную ванну и, кроме того, создает проблемы при ее восстановлении,
- если происходит падение соединителя за пределами электролизной ванны, то ввиду относительно большого веса соединителя, персонал может получить ранения.
Такие соединители описаны, например, в документе FR А 2854906. В нем верхний рычаг данного соединителя имеет буртик захвата для совместной работы со съемником, который закреплен на устройстве перемещения.
Каковы бы ни были типы соединителей, ранее применяемые в технике, все они являются статически неопределимыми между геометрической осью, определяемой положением крюков, которые принимают общую ось шарнирного соединения рычагов, образующих соединитель, и плоскостью, определенной параллельностью поверхностей зажима анода.
Таким образом, поскольку соединитель - анод - представляет собой в плане соединение цилиндрического типа и, к тому же, усилие сжатия неравномерно, в связи со статически неопределимым характером устройства, стержни анода деформируются губками или рычагами, уменьшая эффект сжатия и вызывая, тем самым, падение напряжения между стержнем анода и анодной рамой.
Раскрытие изобретения
Предметом настоящего изобретения является устранение этих различных недостатков. Во-первых, преследовалась цель - создать устройство, лишенное статически неопределимого характера, описанного выше, и, кроме того, оснащенное такими средствами, что риск падений больше не существует.
Таким образом, этот соединитель для механического и электрического соединения анода с анодной рамой электролизера для производства алюминия методом огневого электролиза, с рамой, снабженной крюками для крепления, предназначенными для работы вместе с соединителем, состоит из двух скоб или губок, выполняющих функцию рычагов, шарнирно сочлененных на общей оси, соответствующие продолжения которых попадают в эти крюки и приводятся в действие в противоположных направлениях с помощью двухходового противолежащего зажимного винта, который соединяет свободные концы скоб на оси траверс.
В соответствии с изобретением поверхность давления соединителя, то есть зона, предназначенная для совместной работы вместе с анодным стержнем и анодной рамой, является дополнительным устройством прижима, пространственно разделенным от скоб и траверс, которое соединяет их друг с другом и закрепляется статически определимо на соединителе или элементах, его образующих.
Другими словами, новизна устройства состоит, в первую очередь, в том, чтобы на традиционный соединитель устанавливается дополнительное устройство, статически определимое по отношению к соединителю. Статически определимый характер этого дополнительного прижимного устройства позволяет, таким образом, с одной стороны, устранить классические виды деформации анодных стержней, а, с другой стороны, увеличить поверхность прижима и, следовательно, эффективность прижима анодного стержня к анодной раме, что увеличивает оптимизацию электрического контакта этих двух элементов.
Статически определимый характер этого соединителя делает его нечувствительным к положению крюков и анодного стержня.
В соответствии с настоящим изобретением у прижимного устройства имеются две плоские поверхности, расположенные вертикально от средней зоны соединителя, причем эти поверхности закрепляются шаровыми цапфами на уровне траверс, соединяющих образующие скобы соединителя. Кроме того, эти поверхности жестко связаны одна с другой с помощью участка в виде петли, окружающего шарнирную ось скобы. Ввиду относительной подвижности этого прижимного устройства по отношению к собственно соединителю, подвижности, вызванной движением прижимных поверхностей вместе шаровых цапф, соединитель обладает превосходной статической определимостью.
В соответствии с характеристикой изобретения прижимное устройство имеет форму в виде Ω (омега), петля омеги обернута вокруг общей шарнирной оси двух рычагов- губок, образующих соединение.
В соответствии с другой характеристикой изобретения в задней части прижимного устройства находится лопатка, расположенная тоже вертикально, закрепленная относительно подвижно в ложементах, оборудованных для этой цели задней части передних траверс, соединяющих скобы.
Преимуществом является то, что узел, состоящий из поверхностей прижима, лопатки и участка в виде петли, названного омега, является одним блоком и выполняется из прессованной стали.
Во-вторых, изобретение касается устройства захвата, зажима и разжима такого анодного соединения.
Устройство включает, прежде всего:
• устройство захвата соединителя, оснащенное:
- двумя вилочными захватами, расположенными параллельно один по отношению к другому, установленными колебательно по отношению к шарнирной оси, закрепленными на шарнирной оси соединителя и соединенными с фиксирующими крюками анодной рамы;
- и устройством для опоры контактного соединения и его удерживания вилочными захватами при нахождении в положении разжима;
• устройства зажима/разжима контактного соединения, которое в рабочем положении закрепляет соединителе с помощью зажимных средств, и выполнено в виде головки двухходового противолежащего винта для закрепления вилочных захватов, когда вилочные захваты находятся на уровне общей оси соединителя.
В соответствии с изобретением устройство для опоры контактного соединения представляет собой захват, установленный колебательно на той же шарнирной оси, что и вилочные захваты, и работает вместе с устройством прижима данного соединителя, в частности, с нижним торцом вертикальной лопатки прижимного устройства.
При осуществлении такого взаимодействия уже нет больше риска, что соединитель выскочит из захватывающего устройства, так как взаимодействие устройства опоры и собственно соединителя осуществляется в вертикальном направлении, поскольку отныне зажим удерживает соединитель под воздействием силы тяжести, с другой стороны, он удерживается вилочными захватами с помощью того же зажима и им же направляется.
Очевидно, что соответствующие размеры вилочных захватов и зажима подбираются так, чтобы соответствовать разнице высот между общей шарнирной осью образующих рычагов соединителя и местом положения нижнего торца нижней лопатки прижимного устройства, которой оно оснащено.
Интересно, что устройство захвата и зажима контактного соединителя оснащено направляющей для анодного стержня, способствующей его опусканию при контакте с соединителем, причем эта направляющая состоит из цилиндра с боковыми пластинами, диаметр которых больше диаметра цилиндра, а расстояние между которыми практически соответствует размеру стороны квадратного сечения анодного стержня.
В соответствии с другой характеристикой изобретения вилочные захваты крепятся с помощью шарниров на предохранительном устройстве для зажима, но угол их отклонения ограничен.
Наконец, устройство оснащено эластичными упорами, предназначенными для совместной работы с задней верхней траверсой соединения, причем они рассчитаны и установлены таким образом, чтобы обеспечить свободу прижимного устройства вне зажима, когда соединитель находится в закрытом положении, оптимизируя в избытке безопасность системы.
Краткое описание чертежей
Способ реализации изобретения и вытекающие из этого преимущества лучше видны на приведенном примере, приведенном исключительно с целью иллюстрации и не носящего исчерпывающего характера, с помощью прилагаемых чертежей.
Фиг.1 - это схематическое изображение электролизера для производства алюминия по технологии огневого электролиза, на котором представлены различные типы анодов, закрепленных на анодной раме.
Фиг.2 и 3 представляют собой схематическое изображение в проекции соединителя анода, являющегося предметом данного изобретения, в положении зажима и разжима.
Фиг.4 и 5 - вертикальное сечение соединителя анода в положениях зажима и разжима.
Фиг.6, 7 и 8 представляют собой схематическую проекцию устройства перемещения и зажима соединителя анода в разных направлениях.
Фиг.9 и 10 - это схематическое изображение двух положений настоящего устройства: положение захвата и положение освобождения соединителя.
Наконец, Фиг. с 11А по 11F схематически отображают разные этапы разжима соединителя и его захвата настоящим устройством.
Осуществление изобретения
На Фиг.1 изображена электролизная ванна (1) для производства алюминия по технологии, именуемой огневым электролизом. В ванну или электролизер последовательно погружают несколько предварительно высушенных анодов (2), обычно угольных, которые крепятся по отдельности к анодной раме (3) с помощью вертикального проводящего стержня (4).
Как уже указывалось, анодная рама (3) выполнена из металла и является проводником электричества, она подвижна по отношению к неподвижной опоре (5), расположенной над электролизной ванной (1). Таким образом, анодная рама (3) может перемещаться вертикально по отношению к неподвижной опоре (5).
На Фиг.1 также изображены стержни (4) анодов (2), позволяющие закрепить их на анодной раме (3) с помощью соединителя (10), более подробно описанного ниже, каждый из которых имеет шарнирную ось, попадающую в крюки (6), зафиксированные на анодной раме (3).
На Фиг.2 и 3 представлен соединитель анода (10), предлагаемый в изобретении, соответственно в положениях разжима и зажима.
Как известно, соединитель (10) состоит из двух рычагов или губок, соответственно (11) и (12), каждая из которых образована двумя боковыми пластинами, соответственно (13, 13') и (14, 14'), эти пластины идентичны между собой.
Боковые пластины (13, 13'), и соответственно (14, 14') каждого из этих двух рычагов связаны между собой двумя траверсами, соответственно передней траверсой (15, 16) и задней (17, 18).
Оба эти рычага (11) и (12) шарнирно соединены между собой по отношению оси (19), обычно представляющей собой цилиндрический металлический стержень, выступающий с одной и с другой стороны вышеуказанных рычагов. Эти выступы, предназначены для крюков (6), закрепленных на анодной раме (3), которые также позволяют, с одной стороны, принять соединители, а, с другой стороны, обеспечить выполнение функции зажима стержней (4) анодов на анодной раме.
В задней части устройства на задних траверсах (17) и (18) предусмотрены отверстия (20) и (21) для зажимного винта (22), состоящего из двух линейных частей (23) и (24), характеристикой которых является то, что они имеют противоположный шаг винта.
Соответственно, отверстия (20) и (21) имеют дополнительную нарезку, соответствующую обратному ходу винта.
Этот винт (22) имеет головку квадратного сечения и предназначен для работы вместе с зажимным устройством, которое будет детально описано в дальнейшем.
Кроме того, необходимо уточнить, что траверсы (17, 18) не неподвижны, а установлены вращающими на боковых пластинах (13, 13'), и соответственно (14, 14'), для обеспечения удержания в линейном положении стержня зажимного винта (22) во время операций зажима и разжима соединителя.
В соответствии с изобретением соединитель (10) имеет прижимное устройство (26), отстоящее (пространственно разделенное) от прижима передним концом рычагов или свободным концом передних траверс (15, 16). Действительно, это прижимное устройство (26) образовано двумя плоскими поверхностями, соответственно верхней (27) и нижней (28), соединенных между собой соединительной зоной (29) вокруг оси (19), так, как это, например, показано на фиг.4 и 5.
Другими словами, прижимное устройство выполнено в виде Ω (омега).
Каждая из поверхностей, верхняя (27) и нижняя (28), расположена на шаровой опоре (30), находящейся на свободном конце (31) траверс, соответственно передней (15) и задней (16). Эта опора (30) соединяется с цилиндрическим профилем (32) на внутренней части (33) названных поверхностей (27) и (28).
В связи с тем, передние траверсы (15) и (16) относительно тонкие, шаровая опора (30) представляет собой полую сферическую деталь, обеспечивающую вышеназванным поверхностям (27) и (28) легкий ход в горизонтальном и вертикальном направлении, независимо от соединительной зоны (29).
К тому же, в задней части соединительной зоны (29) прижимное устройство (26) имеет вертикальную лопатку (34), которая крепится в пазах (35, 36) заднего края, соответственно (37, 38) передних траверс (15) и (16).
Роль этой вертикальной лопатки (34) в дальнейшем станет более ясной.
Однако, нужно подчеркнуть, что лопатка представляет собой особый нелинейный профиль (см. фиг.4 и 5), позволяющий ей опираться на задний край (35, 36) траверс (15) и (16) и сохранять эту опору во время операций зажима и разжима соединителя.
Понятно, что при этом способе крепления прижимного устройства (26), оно не закреплено неподвижно на соединителе (10), а имеет некоторую свободу хода, ограниченную, безусловно, особой конфигурацией, описанной выше.
Эта особая конфигурация, придающая соединителю, соответствующему настоящему изобретению, статически определимый характер, позволяет, с одной стороны, увеличить эффективность прижима анодного стержня (4) к анодной раме (3) и, следовательно, электрический контакт этой рамы с анодным стержнем.
К тому же, если в данном примере рабочая площадь плоских поверхностей (27) и (28) представляет собой только треть ширины соединителя, то на практике возможно применение других типов прижимных устройств, различных размеров, в зависимости от практических нужд.
На фиг. с 6 по 8 представлено устройство перемещения и зажима соединителя в соответствии с изобретением.
В основном, оно крепится на специальном устройстве, соединенном с мостом, способным, таким образом, перемещаться над электролизерами для производства алюминия.
Оно функционирует во время операций по замене анодов вместе с устройством захвата анодных стержней, что обычно называется «устройством извлечения», и закрепляется на держателе.
В соответствии с изобретением это устройство (40), в первую очередь, состоит из органа захвата соединителя (10). Этот орган захвата, в первую очередь, состоит из боковой вилки (41, 42), закрепленной на оси (43), но его отклонение ограничено выступом (44) в отверстии с ограниченной длиной (45), соединенной с конструкцией вышеупомянутого органа захвата. На противоположном конце оси (43) вышеназванные вилочные захваты (41, 42) имеют паз (46), предназначенный для шарнирной оси (19) соединителя (10).
Орган захвата имеет также направляющее устройство (47), призванное способствовать его перемещению вперед на этапе приближения к соединителю в положении на крюках (6) анодной рамы (3). Это направляющее устройство (47) представляет собой цилиндр, шарнирно закрепленный на оси (43), с боковыми направляющими (48), расстояние между которыми чуть больше стандартной ширины стержня (4) анода.
Кроме того, в соответствии с одной из характеристик изобретения, орган захвата оснащен зажимом (49), работающим в том же направлении, что и вилочные захваты (41, 42), но на расстоянии от них. Этот зажим (49) снабжен выступом (50), предназначенным, как это будет описано ниже, для совместной работы с прижимным устройством (26) соединителя (10), в частности, с вертикальной лопаткой (34).
И наконец, у органа захвата имеются эластичные упоры (51) и (52) с цилиндрическими пружинами, опирающимися на задние траверсы (17) и (18) соединителя (10) для того, чтобы обеспечить расцепление ограничителя (50) захвата (49) и прижимного устройства вышеупомянутого соединителя, когда последний находится в положении зажима, он будет описан позже.
Устройство, предлагаемое в изобретении, также оснащено устройством зажима (53) обычно приводимым в действие гидравлическим приводом, но также иногда возможно использование пневматического и электрического привода. Устройство зажима (53) работает вместе с головкой (25) зажимного винта (22) соединителя (10).
Соответствующие размеры зажима (49), вилочных захватов (41, 42) и расположение устройства зажима (53) определяются в зависимости от размеров соединителя и его возможного отклонения.
На фиг.9 и 10 представлены положения устройства захвата и зажима, в соответствии с настоящим изобретением, вместе с предлагаемым соединителем соответственно в положении подъема и зажима.
Когда рассматриваемое устройство опущено для подъема соединителя, оно опирается на анодный стержень (4) и направляется направляющим устройством (47, 48).
Когда пазы (46) вилочных захватов (41, 42) опущены в направлении оси (19) соединителя (10), зажим (49) регулируется таким образом, что опирается на заднюю вертикальную лопатку (34) прижимного устройства (26) соединителя до его прохождения под нижним концом (55) вышеупомянутой лопатки для того, чтобы захватить этот нижний край ограничителем (50). Устройство зажима (51) приводится в действие, вызывая ослабленный режим соединителя, который не может быть ослаблен в связи с совместной работой ограничителя (50) с нижним концом лопатки (34), с одной стороны, и нижним краем пазов (46) вилочных захватов (41, 42) на шарнирной оси (19).
Соединитель, таким образом, идеально поддерживается этим двойным захватом, фактически снимая риск его падения.
Когда же возникает необходимость переставить соединитель (10) на крюках (6) анодной рамы (3), т.е. переставить ось (19) соединителя на крюках (6), необходимо бороться против склонности зажима (49) ориентироваться таким образом, чтобы систематически поддерживать нижний конец (55) лопатки (34), обеспечивающей безопасность устройства.
Для этого предохранительные пружинные упоры (51) и (52) опираются с одной и с другой стороны зажимной головки (25) зажимного винта (22) на задней траверсе (17). Таким образом, пока не достигнуто достаточное количество оборотов для зажима, три в данном случае, предохранительные пружинные устройства (51) и (52) не опираются на вышеупомянутую заднюю траверсу и не осуществляют реакцию сопротивления для реверсирования зажима (49) на шарнирной оси (43). Следовательно, не происходит разъединение нижнего конца (55) и вертикальной лопатки (34) прижимного устройства (26) рассматриваемого соединителя, а также его освобождения.
Напротив, как только зажим соединителя становится достаточным, и исходя из того, что задняя траверса (17) достаточно поднялась, она оказывает давление на вышеупомянутые упоры и, тем самым, опрокидывание зажима (49).
Благодаря особой конструкции устройства захвата и зажима, соединитель, случайно или по недосмотру, не может быть ослаблен до тех пор, пока он не зажат на уровне крюков (6) к анодному стержню (4), что гарантирует обеспечение большей безопасности во время операций по замене анода.
Фиг. с 11А по 11F демонстрируют различные этапы операции замены анода.
Фиг. 11А: Устройство извлечения (56), которым оборудована установка для производства алюминия, фиксируется на верхнем свободном конце анодного стержня (4) и удерживает и поддерживает вышеупомянутый анод клипсами или специальными поддерживающими устройствами перед разжимом соединителя. При этом соединитель находится в закрытом рабочем положении.
Фиг. 11В: Устройство захвата и зажима соединителя опускается вдоль анодного стержня, направляемое, как уже указывалось ранее, цилиндрической направляющей (47, 48). Следовательно, зажим (49, 50) соскальзывает по опоре к задней лопатке (34) прижимного устройства (26), которым оборудован вышеупомянутый соединитель.
Фиг. 11С: Опускание устройства прекращается, когда боковые вилочные захваты (41, 42) фиксируются на оси (19) соединителя с помощью крюков (6). Следовательно, устройство зажима (53) находится в рабочем положении на уровне головки (25) зажимного винта (22). При первых оборотах для разжима зажим (49) опрокидывается под нижним концом (55) лопатки (34) и обеспечивает совместную работу со стопорящим выступом (50) (фиг.11D) во время подъема устройства.
Фиг.11Е: Одновременно с разжимом соединителя, ось (19), соединенная с крюками (6), высвобождается, и поскольку, в конечном счете, устройство давит в направлении анодного стержня, то становится возможным высвобождение оси (19) из пазов крюков (6) и подъем соединителя в положение «стоянка». Зажим (49, 50) становится в положение зацепления на вертикальной лопатке (34) прижимного устройства (26) вышеупомянутого соединителя.
Таким образом, демонстрируются преимущества соединителя и устройства перемещения и зажима, являющихся предметом настоящего изобретения.
В первую очередь, следует снова настаивать на оптимизации силы прижима такого соединителя на анодном стержне к анодной раме.
Действительно, ввиду статически определимого типа прижимного устройства (26), с одной стороны, не повреждаются сами стержни анодов, с другой же стороны, осуществляется более сильный механический прижим. И, кроме того, улучшается электропроводимость.
Проведенные исследования показали экономию для классических анодных стержней в 10-20% вследствие уменьшения количества падений напряжения по сравнению с аналогичными парами прижимных устройств, но на соединителе статически неопределимого типа.
Помимо этого, необходимо подчеркнуть высокий уровень безопасности данного устройства.