СПОСОБ И МАШИНА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МАССЫ, В ЧАСТНОСТИ, УГЛЕРОДНОЙ МАССЫ С ЦЕЛЬЮ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ
METHOD AND MACHINE FOR PRODUCTION OF CARBON MASS FOR ALUMINIUM PRODUCTION ELECTRODES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу и машине для получения массы, и, в частности, поскольку речь идет об области применения, в которой заявляемые способ и машина могут представлять наибольший интерес для заявителя, изобретение относится к способу и машине для получения углеродной массы с целью изготовления электродов для производства алюминия посредством смешивания и перемешивания, в случае необходимости, с последующим охлаждением сырья, используемого для изготовления электродов и, в частности, анодов и катодов, предназначенных для электролиза глинозема, при этом материалами, входящими в состав композиции углеродной массы, являются обожженный кокс, нефтяной кокс и рециклируемые отходы анодов или катодов в качестве наполнителя и жидкая или твердая каменноугольная смола в качестве связующего.
Уровень техники
Известно несколько способов и устройств смешивания и перемешивания, широко используемых для изготовления углеродной массы.
Одно из известных устройств, хронологически являющееся самым старым, но применяемое до настоящего времени, в основном содержит по существу горизонтальный закрытый бак, внутри которого в противоположных направлениях вращаются два ротора специальной формы, называемые «Z-образными мешалками», каждый соответственно вокруг одной из двух по существу параллельных осей и по существу в одной горизонтальной плоскости. Машина этого типа осуществляет обработку и приготовление массы «порциями», то есть каждая машина выдает фиксированное количество массы, получаемое через фиксированные интервалы, в отличие от способа непрерывной обработки и получения, в котором массу получают непрерывным потоком.
На фиг.1а и 1b соответственно в плане, при этом бак открыт вверх, и в боковой проекции с частичным вертикальным разрезом показана такая машина. В бак (1) загружают ингредиенты массы, а именно смолу в качестве связующего и смесь кокса и рециклируемых углеродных отходов (называемую также «сухим сырьем» в отличие от смолы, которая является жидкой изначально или становится жидкой в горячем виде). Бак (1) оборудован двойным кожухом, в котором циркулирует горячая среда-теплоноситель при температуре, обычно составляющей от 200 до 300°С. Таким образом, на первом этапе способа кокс и рециклируемые углеродные отходы можно нагревать или поддерживать при температуре, если их подают в бак (1) в горячем виде. Смолу можно подавать в жидком виде или в твердом виде. Две «Z-образные мешалки» (2) вращаются в противоположных направлениях и часто с разной скоростью, смешивая и перемешивая или размельчая смолу и сухое сырье. Каждая из мешалок приводится во вращение соответственно одной из двух редукторных силовых установок (4) соответственно вокруг продольной оси XX или Х'Х'. После завершения процесса смешивания и перемешивания в основании бака (1) открывают люк (3) для выгрузки полученной массы. Бак (1) и обе редукторные силовые установки (4) установлены на общей станине (5). После разгрузки бака (1) можно начинать новый цикл.
Например, в обычной машине этого типа емкость бака (1) рассчитана на 5500 кг массы, цикл смешивания и перемешивания длится примерно один час, и установленная мощность привода составляет 190 кВт. Такая машина весит примерно 22000 кг и занимает объем 40 м. Эти характеристики показывают, что машина такого типа является малопроизводительной: расход по отношению к массе и габаритам этой машины является низким, тогда как потребляемая мощность является очень высокой для данного объема производства. По сути дела смешивание и перемешивание «Z-образными мешалками» (2) отличается низкой эффективностью. Этот недостаток производительности компенсируют за счет продолжительности смешивания и перемешивания в ущерб отданной мощности. Кроме того, необходимо предусматривать большой запас мощности на уровне редукторных силовых установок (4), чтобы быть готовым к любым ситуациям, поскольку машина не содержит средств регулирования в ходе цикла: степень заполнения бака (1) остается фиксированной, и температуру массы можно изменять только очень медленно. Реальное среднее потребление является намного ниже номинальных возможностей двигателей, установленных в используемых редукторных силовых установках (4).
Машина этого типа и применяемый в этой машине способ получения массы посредством смешивания и перемешивания ингредиентов массы в условиях повышения механического давления (путем сжатия ингредиентов массы в баке) описаны в патентном документе FR 2022697, к которому можно обратиться для более подробной информации по данному вопросу.
В настоящее время чаще всего используемым устройством для получения углеродной массы посредством смешивания и перемешивания ее ингредиентов, то есть вышеупомянутых связующего и наполнителей, является горизонтальный шнековый смеситель. Возвратно-поступательное перемещение накладывается на движение вращения шнека. Это возвратно-поступательное движение улучшает смешивание ингредиентов массы и их перемешивание. Известная машина, в которой применяют этот известный способ смешивания и перемешивания, схематично показана в осевом разрезе на фиг.2а и в поперечном разрезе и в более увеличенном виде - на фиг.2b.
Шнек (6), установленный на двух опорных подшипниках (7) и в основном содержащий вал с винтовой гранью, выступающей наружу вала, приводится во вращение приводным агрегатом (8). Шнек (6) установлен внутри цилиндрического корпуса (9), оборудованного входной камерой (10) и выходной камерой (11). Сырье, предварительно нагретое до температуры перемешивания, как правило, 180°С, подают в смеситель на уровне входной камеры (10). Винтовая грань шнека (6) не является сплошной, а прерывается на части окружности. На фиг.2b показана типовая конструкция, в которой винтовая грань состоит из трех идентичных участков (12), расположенных равномерно на угловом расстоянии 120° друг от друга на один оборот. Напротив ограниченных таким образом пустот на цилиндрическом корпусе (9) установлены неподвижные зубья (13), выступающие внутрь этого корпуса в направлении оси вращения шнека (6). На фиг.2с и 2d в перспективе показаны соответственно участки (12) винтовой грани, смещенные относительно друг друга на 120° вокруг оси вращения шнека (6) и выступающие на валу (14) шнека (6), один осевой участок которого показан на фиг.2с, а также неподвижный зуб (13) со своей ножкой крепления в цилиндрическом корпусе (9), чтобы лучше понять конструкцию.
В ходе непрерывного вращения шнека (6) материалы-ингредиенты массы совершают горизонтальное поступательное движение, которое приводит их к выходной камере (11). Одновременно внутри корпуса (9) шнеку (6) сообщают возвратно-поступательное движение. Это возвратно-поступательное движение синхронизируют с непрерывным вращением шнека (6) вокруг его оси таким образом, чтобы сектора или участки (12) винтовой грани шнека (6) могли проходить между неподвижными зубьями (13) станины (9), не задевая эти зубья. Таким образом, непрерывное вращение, а также поступательная составляющая возвратно-поступательного движения обеспечивают постепенное перемещение материалов от входной камеры (10) к выходной камере (11). Этому постепенному перемещению мешают препятствия в виде неподвижных зубьев (13) корпуса (9) и возвратное движение шнека (6). Эти комбинированные осевые и радиальные перемещения позволяют эффективно перемешивать материалы-ингредиенты массы, одновременно создавая напряжения сдвига, действующие на смесь этих материалов, между неподвижными зубьями (13) и секторами или участками (12) винтовой грани шнека (6).
Машина этого типа работает в непрерывном режиме. Материалы-ингредиенты массы поступают с постоянным и контролируемым расходом и выходят в том же ритме. В выходной камере (11) два дистанционно управляемых люка позволяют регулировать размер выходного отверстия смесителя. Таким образом, можно изменять степень заполнения машины для поддержания постоянного уровня потребляемой мощности. Распространенная машина этого типа обеспечивает выход массы, равный 35 тонн в час при установленной мощности в 350 кВт. Благодаря регулированию мощности, производительность оказывается намного выше, чем у смесителей с двумя «Z-образными мешалками», описанными выше со ссылками на фиг.1а и 1b.
По своей конструкции машина этого типа, показанная на фиг.2а и 2b, в один и тот же момент содержит мало массы, как правило, порядка одной тонны, что составляет среднюю массу производимых анодов. Поэтому очень часто этим машинам ставят в упрек недостаточную гомогенизацию массы для сглаживания разброса качества сырья, используемого для получения массы.
Машина этого второго типа для получения углеродной массы схематично описана в патентном документе US-4652226.
Недавно была внедрена машина для получения массы третьего типа: речь идет о смесителе с наклонным вращающимся барабаном, в котором смешивающий инструмент вращается наподобие тестомешалки. Различные компоненты такой машины схематично показаны на прилагаемой фиг.3.
Цилиндрический барабан (15), ось которого наклонена относительно вертикали, вращается вокруг нее под действием редукторной силовой установки (16). Вращающийся инструмент (17), оборудованный несколькими лапами (18), приводится во вращение вокруг наклонной оси барабана (15) другой редукторной силовой установкой (19). Во время своего вращения барабан (15) увлекает материалы (20) в зону вращающегося инструмента (17), в которой материалы-ингредиенты массы подвергаются действиям сдвига и дисперсии, способствующим смешиванию. Неподвижный скребок (21) отделяет массу от наклонных боковых стенок барабана (15), чтобы эта масса падала вертикально вниз. Люк (22) с переменным размером отверстия, находящийся в центре барабана (15), обеспечивает выгрузку полученной массы.
Машина работает в непрерывном режиме. Подачу предназначенных для смешивания и перемешивания материалов контролируют по качеству и количеству. Количество материалов, находящихся внутри барабана (15), можно регулировать открыванием люка (22). Естественно, потребляемая мощность меняется, как и степень заполнения барабана (15). Поэтому можно обеспечивать точное регулирование энергетического потребления для оптимизации качества смеси и производительности машины. Аналогичные результаты получают также за счет регулирования скорости вращения вращающегося инструмента (17).
Типовая машина, показанная на фиг.3 и обеспечивающая непрерывный расход массы в значении 35 тонн в час, содержит 2500 кг массы и имеет установленную мощность 200 кВт. Емкость машины в среднем соответствует производству двух с половиной анодов, что предполагает хорошее качество гомогенизации.
Машину, показанную на фиг.3, часто используют в дополнение к другим типам смесителей для дополнительной гомогенизации массы и в первую очередь для ее охлаждения. Действительно, предпочтительно осуществлять перемешивание при высокой температуре, как правило, от 180 до 200°С, при которой вязкость смолы становится ниже, что позволяет оптимизировать проникновение смолы в частицы кокса и рециклируемых углеродных отходов. Однако, поскольку процесс изготовления электродов на выходе смесителя требует массы более низкой температуры, необходимо наличие этапа охлаждения массы. Для этого в течение процесса перемешивания в барабан (15) добавляют воду с контролируемым расходом для доведения массы до требуемой температуры, как правило, 140-160°С.
Машину, показанную на фиг.3, широко используемую для охлаждения, только недавно начали применять в качестве машины для первичного смешивания и перемешивания с целью получения углеродной массы, в частности анодной массы.
Из краткого изложения предшествующего уровня техники вытекает, что для получения углеродной массы, предназначенной для изготовления электродов для производства алюминия, используют машины разных технологий со всеми их преимуществами и недостатками. Существенно различающиеся процессы, применяемые в этих различных машинах, приводят, вместе с тем, к близким конечным результатам, поскольку недостаточная эффективность смешивания и перемешивания может быть компенсирована за счет времени обработки, что позволяет сделать вывод о пока еще недостаточной оптимизации способов смешивания и перемешивания углеродной массы для изготовления электродов. Перемешивание при высокой температуре является, тем не менее, непременным фактором для быстрого получения хорошего результата. Однако, учитывая потребности на выходе смесителей для изготовления электродов, необходимо охлаждать массу в конце перемешивания. По этой причине современные установки для получения электродной углеродной массы всегда оборудуют двумя аппаратами или машинами, установленными в виде каскада: смеситель одного из описанных выше трех типов и охлаждающее устройство, чаще всего наклонный вращающийся барабан, показанный на фиг.3.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения состоит в разработке способа и машины для получения массы, в частности углеродной массы, посредством смешивания и перемешивания материалов-ингредиентов массы с применением более эффективных принципов обработки по сравнению с известными техническими решениями для обеспечения максимально возможного проникновения связующего, в частности смолы, в частности жидкой каменноугольной смолы в наполнители, в частности как можно глубже в частицы кокса, предпочтительно обожженного нефтяного кокса.
Задача изобретения состоит также в разработке способа и машины для получения массы, в частности, посредством смешивания и перемешивания ингредиентов, позволяющих оптимизировать однородность смеси на выходе, чтобы сгладить разбросы качества, состава и дозировки материалов-ингредиентов.
Задача изобретения состоит также в создании машины для получения массы посредством смешивания и перемешивания, выдающей массу непосредственно при необходимой температуре без применения дополнительной машины. Иначе говоря, предложенная машина для получения массы посредством смешивания и перемешивания ингредиентов массы сама производит операции смешивания, перемешивания и охлаждения массы, которые обычно осуществляют две установленные в виде каскада машины.
Поставленная задача решена в способе получения массы посредством смешивания или перемешивания материалов, в частности, для изготовления электродов для производства алюминия, при этом указанный способ содержит следующие операции:
a) предназначенные для смешивания и перемешивания материалы вводят в барабан, содержащий внутреннюю поверхность, расположенную вдоль по существу горизонтальной оси вращения,
b) барабан приводят во вращение вокруг оси вращения, и материалы прижимаются за счет центрифугирования к внутренней поверхности барабана, и
c) локально от внутренней поверхности отделяют материалы, центрифугированные за счет вращения, которые падают на измельчающий инструмент.
Таким образом, материалы распределяются и уплотняются на периферии барабана за счет эффекта центрифугирования и отбрасываются на измельчающий инструмент, находящийся на расстоянии от периферии барабана, при этом сила тяжести позволяет увеличить скорость, с которой материалы входят в контакт с измельчающим инструментом. Кроме того, имеется большой объем внутри барабана для получения материала и, следовательно, для гомогенизации получаемой смеси.
Согласно другому отличительному признаку изобретения, предпочтительно во время операции с) материалы отделяют при помощи скребка, закрепленного неподвижно над измельчающим инструментом, при этом измельчающий инструмент оборудуют ножами и измельчающий инструмент приводят во вращение вокруг оси его вращения, по существу параллельной оси вращения барабана.
Таким образом, добиваются эффективного измельчения материалов.
Предпочтительно, согласно изобретению, способ дополнительно содержит следующие операции:
- ножи располагают по существу радиально относительно оси вращения измельчения, чтобы они по существу входили в контакт с внутренней поверхностью барабана во время вращения измельчающего инструмента,
- материалы падают между осью вращения измельчающего инструмента и местом, где ножи по существу входят в контакт с внутренней поверхностью барабана,
- измельчающий инструмент вращают в том же направлении, что и барабан. Таким образом, дополнительно осуществляют сдвиг и перемешивание материалов при помощи измельчающего инструмента и предотвращают скапливание материалов перед измельчающим инструментом. Таким образом, эффективность работы измельчающего инструмента при смешивании и перемешивании повышается.
Согласно другому отличительному признаку изобретения, предпочтительно во время операции b) дополнительно производят механическое уплотнение материалов.
Механическое уплотнение дополняет уплотнение материалов за счет центрифугирования и улучшает смешивание и перемешивание материалов.
Согласно дополнительному отличительному признаку, предпочтительно во время операции b) материалы пропускают между валком и внутренней поверхностью барабана.
Предпочтительно способ дополнительно имеет следующие отличительные признаки:
- во время операции а) предназначенные для смешивания и перемешивания материалы вводят через входной конец барабана,
- во время операции d) однородно смешанные и перемешанные материалы извлекают из выходного конца барабана, при этом указанный выходной конец расположен противоположно входному концу вдоль направления оси вращения барабана,
- материалы смешивают и перемешивают непрерывно, осуществляя одновременно операции a), b), с) и d), при этом материалы вводят через входной конец в то время, как ранее введенные материалы остаются в барабане, а другие однородно смешанные материалы извлекают через выходной конец.
Таким образом, получают массу посредством непрерывного смешивания и перемешивания материалов, что обеспечивает высокую эффективность обработки материалов.
Согласно дополнительному отличительному признаку изобретения, предпочтительно вдоль направления оси вращения барабана измельчающий инструмент располагают вплоть до входного конца, однако при этом оставляют пространство между входным концом и валком.
Таким образом, еще больше повышают эффективность обработки материалов, в частности, тщательно смешивая связующее и наполнители, в частности, перед проникновением связующего в наполнители при пропускании между валком и внутренней поверхностью барабана.
Согласно другому отличительному признаку изобретения, предпочтительно вдоль направления оси вращения барабана измельчающий инструмент располагают вплоть до выходного конца, однако при этом оставляют пространство между выходным концом и валком.
Таким образом, получаемую массу можно охлаждать смешиваемыми и перемешиваемыми материалами перед ее извлечением на выходе барабана для ее использования, продолжая при этом процесс смешивания и перемешивания.
Предпочтительно в указанном выходном пространстве материалы орошают водой для их охлаждения.
Согласно другому дополнительному отличительному признаку изобретения, предпочтительно в барабан через нижнюю часть указанного барабана непрерывно вводят жидкое связующее, в частности жидкую каменноугольную смолу, а затем наполнитель, в частности обожженный кокс, подаваемый на каменноугольную смолу.
Таким образом, наполнитель оказывается сверху связующего перед смешиванием и перемешиванием, что также повышает эффективность обработки материалов.
Наконец, предпочтительно материалы перемещают в направлении выходного конца вместе с измельчающим инструментом.
Что касается устройства, то известно устройство, показанное на фиг.3, содержащее:
- станину,
- барабан, содержащий внутреннюю поверхность, расположенную вдоль оси вращения,
- устройство приведения барабана во вращение вокруг оси вращения относительно станины,
- скребок, расположенный вблизи внутренней поверхности барабана, и
- измельчающий инструмент.
Для обеспечения вышеуказанных усовершенствований, согласно изобретению, ось вращения барабана выполняют по существу горизонтальной, а измельчающий инструмент располагают под скребком.
Таким образом, материалы, отделяемые скребком от внутренней поверхности барабана, отбрасываются на измельчающий инструмент с дополнительным использованием силы тяжести для увеличения скорости, с которой материалы входят в контакт с измельчающим инструментом. Кроме того, барабан может содержать большое количество материалов для гомогенизации смеси.
Согласно другому отличительному признаку изобретения, предпочтительно устройство дополнительно содержит валок, свободно вращающийся вокруг оси вращения валка, по существу параллельной оси вращения барабана, и средства создания давления на валок в направлении внутренней поверхности барабана.
Таким образом, валок уплотняет материалы перед их измельчением измельчающим инструментом, что повышает эффективность обработки материалов.
Согласно дополнительному отличительному признаку изобретения, предпочтительно валок располагают по существу внизу барабана, а измельчающий инструмент располагают выше, чем валок.
Расположение валка внизу барабана повышает эффективность валка, даже несмотря на то, что расположение уплотняющего инструмента выше, чем валок, приводит к уменьшению высоты, с которой материалы падают на измельчающий инструмент.
Согласно другому дополнительному отличительному признаку изобретения, предпочтительно средства создания давления содержат силовые цилиндры и устройство автоматического регулирования силовых цилиндров, контролирующее приложение постоянного давления валка вдоль оси вращения валка.
Таким образом, давление на материалы можно адаптировать к количеству материалов в барабане за счет смещения оси вращения валка, чтобы повысить эффективность работы валка.
Согласно еще одному дополнительному отличительному признаку изобретения, предпочтительно силовые цилиндры смещены относительно друг друга в направлении оси вращения валка, и устройство автоматического регулирования управляет одновременным перемещением силовых цилиндров, чтобы сохранять постоянный угол между осью вращения валка и осью вращения барабана.
Таким образом, ось вращения валка можно перемещать таким образом, чтобы она всегда была параллельной одному направлению, что позволяет оптимизировать эффективность работы валка.
Согласно другому отличительному признаку изобретения, предпочтительно измельчающий инструмент приводят во вращение вокруг оси вращения, по существу параллельной оси вращения барабана.
Предпочтительно устройство дополнительно содержит следующие отличительные признаки:
- барабан дополнительно содержит на входном конце, по меньшей мере, один вход для непрерывной подачи материалов, предназначенных для смешивания и перемешивания, внутрь барабана, и на выходном конце - выход для извлечения смешанных и перемешанных материалов из барабана, при этом входной конец расположен противоположно выходному концу вдоль направления оси вращения барабана, и
- ось вращения барабана имеет небольшой наклон вниз в направлении выходного конца, чтобы обеспечивать перемещение материалов в барабане от входного конца к выходному концу.
Таким образом, можно непрерывно обрабатывать материалы, автоматически перемещающиеся от входа к выходу, что повышает эффективность работы устройства.
В альтернативном варианте устройство дополнительно содержит следующие отличительные признаки:
- барабан дополнительно содержит на входном конце, по меньшей мере, один вход для непрерывной подачи материалов, предназначенных для смешивания и перемешивания, внутрь барабана, и на выходном конце - выход для извлечения смешанных и перемешанных материалов из барабана, при этом входной конец расположен противоположно выходному концу вдоль направления оси вращения барабана, и
- измельчающий инструмент постепенно отходит от внутренней поверхности барабана в направлении выходного конца.
Таким образом, можно тоже непрерывно обрабатывать материалы, автоматически перемещающиеся от входа к выходу, что повышает эффективность работы устройства.
Согласно другому отличительному признаку изобретения, предпочтительно устройство дополнительно содержит регулировочный рычаг, на котором установлен скребок, при этом указанный регулировочный рычаг выполнен с возможностью поворота вокруг оси вращения барабана для регулировки положения скребка.
Таким образом, положение скребка можно адаптировать к условиям смешивания и перемешивания материалов и, в частности, в зависимости от количества материалов в барабане.
Согласно дополнительному отличительному признаку, предпочтительно барабан содержит на входном конце нагреваемый вход жидкого материала до температуры, превышающей или равной 150°С, и не нагреваемый вход для не жидкого материала.
Таким образом, материалы вводят в барабан таким образом, чтобы способствовать их смешиванию и перемешиванию.
Согласно дополнительному отличительному признаку изобретения, вход жидкого материала и вход не жидкого материала располагают в нижней части барабана, и вход жидкого материала располагают перед входом не жидкого материала в направлении вращения барабана.
Таким образом, не жидкий материал располагается над жидким материалом, что способствует смешиванию и перемешиванию материалов, в частности, в случае, когда жидким материалом является связующее, а не жидкий материал включает в себя наполнители.
Согласно другому отличительному признаку изобретения, предпочтительно измельчающий инструмент содержит ножи, расположенные радиально по отношению к оси вращения измельчающего инструмента и выполненные с возможностью по существу вхождения в контакт с внутренней поверхностью барабана.
Краткое описание чертежей
Другие преимущества и отличительные признаки изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания варианта осуществления, представленного в качестве неограничивающего примера, устройства смешивания и перемешивания согласно изобретению со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 показано известное устройство смешивания и перемешивания типа смесителя с «Z-образными мешалками», в котором крышка бака снята, чтобы показать внутреннее расположение роторов в баке, вид сверху;
на фиг.1b показан смеситель, изображенный на фиг.1а, фронтальный вид в разрезе;
на фиг.2а упрощенно показано другое известное устройство смешивания и перемешивания типа «горизонтального шнекового смесителя», фронтальный вид в разрезе;
на фиг.2b показан аппарат, изображенный на фиг.2а, с показом расположения подвижных смешивающих инструментов, установленных на шнеке, и неподвижных инструментов, установленных на корпусе, вид в поперечном разрезе;
на фиг.2с показан подвижный инструмент, установленный на шнеке смесителя, изображенного на фиг.2а, вид в перспективе;
на фиг.2d показан неподвижный инструмент, установленный на корпусе смесителя, изображенного на фиг.2а, вид в перспективе;
на фиг.3 схематично показано другое известное устройство смешивания и перемешивания, фронтальный вид в разрезе;
на фиг.4а схематично показано заявленное устройство смешивания и перемешивания, вид в поперечном разрезе;
на фиг.4b схематично показано заявленное устройство смешивания и перемешивания, фронтальный вид в разрезе;
на фиг.5 показано заявленное устройство смешивания и перемешивания, вид в перспективе с вырезом;
на фиг.6 показано заявленное устройство смешивания и перемешивания, вид в поперечном разрезе по линии VI-VI на фиг.5;
на фиг.7 показано заявленное устройство смешивания и перемешивания в направлении стрелки VII на фиг.5;
на фиг.8 показано заявленное устройство смешивания и перемешивания в направлении стрелки VIII на фиг.5, вид с вырезом;
на фиг.9 показано заявленное устройство смешивания и перемешивания, частичный вид в разрезе по линии IX-IX фиг.8;
на фиг.4а-9 показано устройство 50 смешивания и перемешивания материалов 30 для получения массы, предназначенной, в частности, для изготовления анодных блоков для электролиза алюминия.
Это устройство 50 в основном содержит станину 33, барабан 31, устройство 58, 59, 60 приведения во вращение барабана, измельчающий инструмент 40, скребок 45 и валок 35.
Барабан 31 является по существу цилиндрическим и имеет круглое сечение. Он содержит цилиндрическую внутреннюю поверхность 32 круглого сечения и имеет ось вращения X. Он установлен с возможностью поворота на станине 33, на которую он опирается через колодки 34а, 34b, образующие опоры 34.
В направлении оси вращения X барабан 31 содержит входной конец 31а, перекрываемый входным фланцем 54, и выходной конец 31b, перекрываемый выходным фланцем 55. Входной фланец 54 и выходной фланец 55 являются неподвижными относительно станины 33 и выполнены, каждый, в виде плиты, расположенной по существу перпендикулярно к оси вращения X. Входной фланец 54 и выходной фланец 55 установлены соответственно на входной раме 64 и на выходной раме 65, закрепленных на станине 33 и соединенных с барабаном 31 через уплотнительные устройства.
Ось вращения X является по существу горизонтальной. Она может иметь небольшой наклон вниз в направлении выходного конца 31b, чтобы способствовать постепенному гравитационному перемещению материалов 30 в направлении выходного конца 30b.
Приводное устройство содержит редукторную силовую установку 58, шестерню 59 и зубчатое колесо 60. Редукторная силовая установка 58 выполнена с возможностью приведения во вращение шестерни 59 предпочтительно, в частности, через редуктор и сцепление. Шестерня 59 входит в зацепление с зубчатым колесом 60, выполненным вокруг барабана 31.
Барабан 31 ограничивает своей внутренней поверхностью внутренний объем 63, ограниченный также вдоль направления оси вращения X входным фланцем 54 и выходным фланцем 55. Внутренний объем 63 содержит входную зону 51 гомогенизации, центральную зону 52 уплотнения и перемешивания и выходную зону 53 охлаждения.
Измельчающий инструмент 40 содержит ротор, образованный валом 41 и ножами 42, закрепленными на валу 41. Вал 41 проходит вдоль оси X' вращения измельчающего инструмента, параллельной оси вращения X барабана. Приводное средство 44, предпочтительно являющееся редукторной силовой установкой, выполнено с возможностью приведения во вращение вала 41 вокруг оси X' вращения измельчающего инструмента относительно станины 33 в том же направлении 25, что и барабан 31.
Ножи 42 выполнены радиально относительно оси вращения измельчающего инструмента до радиального конца 42а. Во время вращения вала 41 радиальный конец 42а ножей по существу входит в контакт с внутренней поверхностью 32 барабана 31. Линейная скорость ножей 42 превышает линейную скорость внутренней поверхности 32 барабана 31, поэтому ножи 42 стремятся ускорить материалы 30, а не способствуют скоплению материалов перед измельчающим инструментом.
Ножи 42 распределены между входным фланцем 54 и выходным фланцем 55, иначе говоря, расположены во входной зоне 51, центральной зоне 52 и выходной зоне 53. Предпочтительно ножи 42 содержат режущую часть, установленную на держателе, закрепленном на валу 41 и выполненном в виде кольца, состоящего, по меньшей мере, из двух частей, соединенных вокруг вала 41, например, при помощи болтов.
Вал 41 проходит через входной фланец 54 и выходной фланец 55. Он соединен со станиной 33 через опоры 43 и опорный рычаг 56. Предпочтительно опоры 43, поддерживающие вал 41, оснащены роликовыми подшипниками или антифрикционными втулками. Опорный рычаг 56 может перемещаться под действием привода, представляющего собой в этом варианте выполнения силовой цилиндр 57, для изменения расстояния между осью X' вращения измельчающего инструмента и внутренней поверхностью 32 барабана 31.
Предпочтительно ось X' вращения измельчающего инструмента имеет небольшой наклон относительно оси вращения X под углом α от нескольких десятых градуса до нескольких градусов таким образом, чтобы измельчающий инструмент 40 находился тем ближе к внутренней поверхности 32 барабана вблизи входного конца 31а, чем ближе выходной конец 31b, чтобы обеспечивать перемещение материалов 30 в барабане 31 от входного конца 31а к выходному концу 31b. Предпочтительно угол α между осью X' вращения измельчающего инструмента и осью X вращения барабана регулируют при помощи силовых цилиндров 57 и опорного рычага 56. Этот угол α определяет скорость поступательного движения материалов 30 внутри барабана 31 и, следовательно, уровень заполнения барабана 31 материалами 30. Контроль скорости движения позволяет очень точно регулировать работу измельчающего инструмента 40 по количеству материала 30, поступающего через входы 27, 28, и использовать всю мощность, развиваемую редукторной силовой установкой, для максимизации расхода обрабатываемых материалов 30. Для этого предпочтительно регулировку положения измельчающего инструмента 40 осуществляют автоматически по мощности редукторной силовой установки 44 для поддержания редукторной силовой установки 44 на ее оптимальном уровне.
Скребок 45 расположен напротив внутренней поверхности 32 барабана 31. Он содержит активную поверхность 45а, предназначенную для вхождения в контакт с материалами 30, вращаемыми барабаном 31, и направляющую их к ножам 42 измельчающего инструмента 40. Активная поверхность 45а простирается параллельно направлению оси вращения X от входного фланца 54 до выходного фланца 55, иначе говоря расположена во входной зоне 51, центральной зоне 52 и выходной зоне 53. Она образует угол примерно 45 градусов с направлением перемещения материалов, иначе говоря с внутренней поверхностью 32 барабана 31 в месте, напротив которого находится скребок 45.
Как показано, в частности, на фиг.8, скребок 45 закреплен каждым из своих концов в направлении оси вращения X на рычаге 46, установленном с возможностью поворота в опоре 49. Соединенная с указанным рычагом 46 тяга 47 управляет вращением скребка 45 вокруг оси вращения X под действием системы винт-гайка 48 (в представленном варианте выполнения) или аналогичного средства, чтобы регулировать положение скребка 45 относительно измельчающего инструмента 40.
Таким образом, можно постоянно и легко регулировать положение скребка 45 в барабане 31. От положения скребка 45 зависит то, каким образом масса, отделяемая от внутренней поверхности 32 барабана 31, входит в контакт с ножами 42 измельчающего инструмента 40. Точное регулирование этой геометрии является существенным преимуществом, так как от него напрямую зависит эффективность работы измельчающего инструмента 40. Благодаря регулированию скребка 45 можно оптимизировать производительность перемешивания.
Предпочтительно активная поверхность 45а выполнена в виде сменных скребковых инструментов, оборудованных, например, кромками из керамики или из карбида вольфрама для повышения износостойкости.
Валок 35 содержит цилиндрическую наружную поверхность 35а круглого сечения, проходящую вдоль оси X" вращения валка. Наружная поверхность 35а расположена напротив внутренней поверхности 32 барабана 31 только в центральной зоне 52. Валок 35 установлен на валу 36, проходящем через входной фланец 54 и выходной фланец 55. Вал 36 установлен с возможностью вращения на станине 33 через подшипники, образующие опоры 37, расположенные снаружи барабана 31 и закрепленные на рычагах 39, установленных с возможностью поворота на станине 33. Таким образом, вал 36 может свободно вращаться относительно станины 33 вокруг оси X" вращения валка. Вал 36 выполнен с возможностью перемещения под действием приводов, представляющих собой в этом варианте выполнения силовые цилиндры 38, для изменения расстояния между наружной поверхностью 35а валка 35 и внутренней поверхностью 32 барабана 31, иначе говоря, для изменения уплотнения материалов 30 в центральной зоне 52 внутреннего объема 63 барабана 31.
Предпочтительно, нагрузку, создаваемую валком 35 через силовые цилиндры 38, регулируют дистанционно во время работы устройства 50 и автоматически регулируют по мощности, потребляемой редукторной силовой установкой 58, приводящей во вращение барабан 31.
Положение опор 37 контролируют либо напрямую, либо опосредованно на силовых цилиндрах 38 при помощи датчиков перемещения, например, выполненных по лазерной технологии или с применением магнитострикционного эффекта, чтобы проверять положение по высоте валка 35 и его горизонтальность.
Предпочтительно устройство 50 содержит силовой цилиндр 38 на каждом из двух концов вала 36 вдоль направления оси X" вращения валка. Кроме того, устройство автоматического регулирования управляет силовыми цилиндрами 38 таким образом, чтобы угол между осью X" вращения валка и осью X вращения барабана оставался постоянным. В варианте силовые цилиндры 38 можно заменить пружинами, хотя этот вариант и не рассматривается как предпочтительный.
Валок 35 расположен внизу барабана в нижней половине барабана 31, по существу в самом низу барабана 31. Измельчающий инструмент 40 расположен в барабане 31 выше, чем валок 35, чтобы можно было оставить низ барабана 31 для валка 35. В отсутствие валка 35 измельчающий инструмент 40 можно расположить внизу барабана 31.
Устройство 50 дополнительно содержит устройство охлаждения посредством водяного орошения в выходной зоне 53. Это устройство водяного орошения содержит отверстия 26, выполненные в валу 36 и распределенные вдоль оси X" вращения валка и вокруг вала 36. Эти отверстия 26 сообщаются с центральной полостью вала 36, воду в которую подают через конец вала 36.
Наконец, устройство 50 содержит, с одной стороны, на входном конце 31а барабана 31 канал, проходящий через входной фланец 54 и образующий вход 27 для нагреваемой жидкости, и другой канал большего сечения, проходящий через входной фланец 54 и образующий вход 28 для сухих материалов, и, с другой стороны, на выходном конце 3lb - выходной скребок 61, отделяющий материалы 30, находящиеся напротив внутренней поверхности 32 барабана 31, чтобы направлять их в центр барабана 31, где находится отражатель 29, проходящий через выходной фланец 55 и образующий задний выход. Вход 27 для жидкости и вход 28 для сухих материалов выходят по существу в нижнюю часть барабана 31. В направлении вращения 25 барабана 31 вход 28 для сухих веществ расположен после входа 27 для жидкости.
В центральной зоне 52 барабана 31 находятся широкие смотровые люки 62, обеспечивающие легкий доступ во внутренний объем 63 барабана 31 с целью осуществления операций обслуживания, но не ослабляющие конструкцию.
Барабан 31 выполнен из сварных листовых колец разной толщины в зависимости от действующих на них механических напряжений, поэтому наибольшая толщина находится напротив валка 35. Не показанные на чертежах защитные покрытия защищают внутреннюю поверхность 32 от износа. Их толщина адаптирована к интенсивности напряжений, в частности в центральной зоне их толщина больше, тогда как простых продольных планок, закрепленных сваркой на внутренней поверхности 32 барабана 31, достаточно для защиты от износа во входной 51 и выходной 53 зонах.
Все устройство опирается на общую станину 33 таким образом, чтобы все нагрузки, создаваемые различными органами, оставались внутри устройства и не передавались наружу. Таким образом, устройство 50 является автономным, и единственными условиями установки являются восприятие собственного веса и соединение с каналами подачи и выгрузки материалов.
Барабан 31 опирается на станину 33 через две опоры с колодками 34а, 34b, при этом одна колодка 34а находится со стороны входного конца 31а, предпочтительно под валком 35, где напряжения на барабан 31 являются самыми большими, а другая колодка 34b находится со стороны выходного конца 31b. Каждая опора 34, как показано на фиг.6, содержит две колодки 34а, 34b, покрытые антифрикционным сплавом и входящие в контакт с наружной поверхностью барабана 31. Смазка границы между колодкой и наружной поверхностью барабана 31 происходит при помощи пленки гидродинамического масла, которая образуется с учетом скорости барабана 31 и вязкости масла. Для улучшения смазки, в частности, во время фаз остановки и запуска, когда в определенный момент скорость является нулевой, осуществляют гидростатическую смазку посредством нагнетания масла под высоким давлением в центре колодок 34, чтобы способствовать началу скольжения барабана 31 по поверхности колодки 34. Колодки 34 установлены на осевых шаровых опорах для придания им степеней свободы, необходимых для обеспечения их опорного действия на наружной поверхности барабана 31. Одна из опор 34 оборудована колодками, тоже покрытыми антифрикционным металлом, на ее боковых сторонах, соответствующих двум фланцам, закрепленным сваркой на наружной поверхности барабана 31 для удержания барабана 31 в осевом направлении. Размерные параметры колодок 34 рассчитывают в зависимости от действующих на них радиальных усилий, при этом самую большую 34а из них располагают под валком 35. Не выходя за рамки изобретения, можно предусмотреть и другие системы для установки барабана 31, такие как опорные подшипники скольжения, подшипники качения или металлические колеса, или колеса с шинами, не показанные на чертежах.
Зубчатое колесо 60 крепят болтами на фланце, приваренном к обечайке, предпочтительно в центральной зоне 52, что дополнительно обеспечивает усиление конструкции барабана 31 в этой области, наиболее подверженной напряжениям. Шестерня 59 установлена на двух опорах, закрепленных болтами на станине 33, и ее расстояние от зубчатого колеса 60 можно изменять для регулировки зацепления. Для упрощения выполнения зубчатую пару рассчитывают таким образом, чтобы она могла работать с тем же смазочным маслом, что и колодки 34. Поэтому узел, образованный шестерней 59, зубчатым колесом 60 и опорой 34а, со стороны входного конца 31а защищен только одним картером. Другой картер установлен вокруг опоры 34b, находящейся со стороны выходного конца 31b.
Силовая установка содержит электрический двигатель, объединенный с редуктором скорости с параллельными шестернями, соединенный с шестерней 59 при помощи карданного удлинителя. Получаемой в результате скорости барабана 31, то есть номинальной скорости двигателя, поделенной на совокупное передаточное число редуктора и пары, состоящей из шестерни 59 и зубчатого колеса 60, достаточно для центрифугирования, то есть удержания на внутренней стороне 32 материалов, содержащихся в барабане 31. Вместо основного двигателя можно применять силовую установку, состоящую из замедляющего двигателя и шестеренного редуктора скорости и муфты сцепления с ручным управлением, для обеспечения вращения барабана на медленной скорости с целью технического обслуживания или специальных операций.
Предпочтительно валок 35 выполняют в виде массивного кожуха, который можно рассматривать как расходную деталь, разъемно закрепленную на валу 36.
Во время работы приводят во вращение барабан 31 и подают материалы 30 во входную зону 51 барабана 31 через вход 27 для жидкости и вход 28 для сухих веществ.
Предпочтительно сначала через вход 27 для жидкости подают связующее, затем через вход 28 для сухих веществ засыпают наполнители. Предпочтительно связующее вводят при высокой температуре, как правило, от 180 до 200°С в случае жидкой смолы.
Барабан приводится во вращение редукторной силовой установкой 58 в направлении 25 с достаточной скоростью для обеспечения центрифугирования содержащихся в нем материалов 30 с целью их прижатия к внутренней поверхности 32. Во входной зоне 51 под действием центрифугирования материалы 30 прижимаются к внутренней поверхности 32 барабана 31 и увлекаются вращением в сторону скребка 45, активная поверхность 45а которого обрушивает материалы в ножи 42 измельчающего инструмента 40, где они подвергаются первому смешиванию. После измельчающего инструмента 40 смешанные материалы 30 опять прижимаются центрифугированием к внутренней поверхности 32 барабана 31 и проходят под входами 27, 28 для сырья.
При этом образуются три слоя материалов: первый из них состоит из введенных и смешанных материалов, которые еще не покинули входную зону 51, вторым слоем будет жидкая смола, которую предпочтительно вводят перед твердым сырьем, чтобы оптимизировать скорость проникновения в другие материалы, и, наконец, третий слой состоит из твердых веществ. Таким образом, прежде чем достигнуть центральной зоны 52 материалы подвергаются нескольким циклам смешивания.
В центральной зоне 52 в ходе рабочего цикла материалы 30, увлекаемые центрифугированием к внутренней поверхности 32 барабана 31, последовательно уплотнятся валком 35, увлекаются к скребку 45, который отделяет уплотненный слой материалов 30 и направляет его к измельчающему инструменту 40, где вращающиеся ножи 42 подвергают слой мелкому измельчению, смешиванию и сдвигу. Одновременно начинается другой цикл, и так несколько сот раз в течение общего процесса. Уплотнение, осуществляемое валком 35, заставляет связующее растекаться вокруг и проникать внутрь пор твердых частиц сухих веществ, что обеспечивает качество взаимного проникновения ингредиентов. Перемешивание в измельчающем инструменте 40 довершает процесс, обеспечивая смешивание, однородность массы и пропитку частиц связующим, благодаря интенсивному сдвигу, которому подвергается слой материалов в ножах 42.
Когда валок 35 нажимает на перемешиваемую массу, которая вращается вместе с барабаном 31, валок 35 приводится во вращение за счет трения с такой скоростью вращения, при которой линейная скорость его наружной поверхности 35а идентична линейной скорости вращающейся массы. Очень важно не нарушить это равновесие, чтобы не создавать паразитных напряжений в массе и органах устройства 50.
Предпочтительно смешивание и перемешивание во входной 51 и центральной 52 зонах производят при высокой температуре, как правило, от 180 до 200°С, чтобы использовать текучесть смолы. Однако масса 30 при высокой температуре не готова для оптимального использования, так как ее механические характеристики являются низкими. Необходимо ее охладить до температуры, при которой она становится достаточно пластичной, чтобы ею можно было манипулировать в соответствии с потребностями последующего процесса.
Для этого, согласно изобретению, в барабане 31 предусмотрена выходная зона 53 охлаждения. Через отверстия 26 вала 36 массу орошают водой, чтобы охладить массу, как правило, до 145-170°С за счет теплопередачи между массой и водой, при этом теплообмен преимущественно сопровождается испарением воды. Как показано на фиг.4b, воду можно подавать через вал 36, на котором установлен валок 35, для равномерного распределения или через любой другой канал, проходящий через входной фланец 55. В выходной зоне 53 масса 30 продолжает подвергаться рабочим циклам в ножах 42 измельчающего инструмента 40, куда ее направляет скребок 45, как во входной зоне 51. Таким образом, смешивание и однородность массы 30, а также пропитка частиц связующим улучшаются, при этом масса 30 проходит через охлаждение. В выходной зоне 53 осуществляют несколько сот циклов.
На выходном конце 31b выходной скребок 61 направляет готовую массу в выходной канал 29, проходящий через выходной фланец 55.
Предпочтительно через выходной канал 29 осуществляют отсасывание паров и пыли, в частности водяного пара, образующегося при охлаждении.
Разумеется, изобретение не ограничивается описанными вариантами выполнения, представленными в качестве неограничивающих примеров.
Так, изобретение не ограничивается смешиванием и перемешиванием сырья, предназначенного для получения анодной или катодной массы, состоящей из жидкой смолы, кокса и измельченных отходов производства. Его можно применять для любого получения массы посредством смешивания и перемешивания из одного или нескольких ингредиентов.
С другой стороны, в варианте опоры 37 могут направляться в направляющих, неподвижно соединенных со станиной 33, и могут напрямую зависеть от прямого действия гидравлических силовых цилиндров 38.
Кроме того, для обеспечения движения материалов от входного конца 31а к выходному концу 31b барабана 31 его можно выполнить не цилиндрическим, а слегка конусным, расширяющимся в направлении выходного конца 31b. При этом ось X вращения барабана, а также ось X' вращения измельчающего инструмента и ось X" вращения валка предпочтительно являются параллельными и горизонтальными.