Способ и реализующее его устройство определения уровней электролита и металла в электролизере для получения алюминия
METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING LEVELS OF ELECTROLYTE AND METAL IN ELECTROLYSER FOR OBTAINING ALUMINUM

Предлагаемое техническое решение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия, и может быть использовано при определении уровней металла и электролита в электролизере в процессе его эксплуатации. Изобретение позволяет проводить оперативный мониторинг количества металла и электролита в каждом отдельном электролизере для обеспечения его эффективной стабильной работы.
В настоящее время широко используется способ определения уровня металла и электролита в электролизере, основанный на погружении стального лома в расплав до упора в подину. Высота слоев металла и электролита определяется по застывшей на стальном ломике корочке электролита. Различают слои металла и электролита по пережиму и цвету корочки (Справочник металлурга по цветным металлам. М.: Металлургия, 1971 г., стр. 287).
Способ прост в реализации (поэтому широко применяется на заводах в настоящее время) Реализация способа требует привлечения ручного труда, исключает возможность автоматизации, дает большие погрешности.
Известно техническое решение (аналог) «СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЕЙ РАСПЛАВОВ МЕТАЛЛА И ЭЛЕКТРОЛИТА НА ЭЛЕКТРОЛИЗЕРЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ» (патент №2 425 178, Опубликован: 27.07.2011, Бюл. №21) В способе измерения уровней расплавов металла и электролита на электролизере для производства алюминия определяют положение подошвы анода относительно фланцевого листа электролизера путем размещения под анодом рабочего органа измерительного устройства уровней расплава, прижима его к подошве анода, последующего перевода измерительного устройства в горизонтальное положение, причем положение подошвы анода определяют с помощью строительного уровня и замерной рейки, а уровень расплава металла определяют как разность положения подошвы анода относительно фланцевого листа электролизера и межполюсного расстояния анода, а уровень расплава электролита определяют как сумму величины погружения рабочего органа измерительного устройства в расплав металла и межполюсного расстояния анода за вычетом уровня расплава металла.
Данный способ как и способ ломика и мерной линейки может быть реализован с привлечением ручного труда, исключает возможность автоматизации, дает большие погрешности.
Задачей предлагаемого технического решения является автоматизация процесса измерения, повышение точности измерения уровней расплавов в электролизере, а также увеличение срока службы предлагаемого устройства.
Известно также техническое решение (прототип), «Устройство для определения уровней металла и электролита в электролизере для получения алюминия» (Патент №2 398 054, опубл. 27.08.2010. Бюл. №24) Устройство содержит узел крепления термостойкого стержня, состоящий из крепежной втулки с прижимным винтом и диском, жестко закрепленным на втулке, узел настройки устройства, включающий вилку, одним концом прикрепленную шарниром к диску, а другим жестко закрепленную, например, сваркой на трубке из немагнитного материала. Трубка снабжена уровнемером, а внутри трубки установлен регулирующий стержень, на одном торце которого жестко, например сваркой, закреплена ручка, рабочая поверхность которой отрихтована, а на противоположном торце выполнена фиксирующая головка. Регулирующий стержень и вилка имеют резьбу, соединяющую стержень с вилкой с возможностью регулирования положения стержня вдоль оси. В вилке свободно установлен фиксатор, выполненный в виде пластины П-образной формы, причем контактная поверхность фиксатора выполнена соответственно профилю диска.
Основным недостатком устройства - прототипа является использование ручного труда для выполнения процесса измерения в цехах с высокой степенью запыленности сырьем и загазованности продуктами электролиза, к недостатку устройства следует отнести периодическую настройку устройства по уровнемеру, что значительно усложняют работу электролизника и обуславливает увеличение погрешности измерения.
Задачей предлагаемого технического решения является автоматизация процесса измерения и повышение точности измерения уровней расплавов электролита и алюминия в электролизере.
эл
r
Al
xb
эл
r
xb
Al
Al
xb
Для решения поставленной задачи в заявляемом «Способе измерения уровней электролита и металла в электролизере для получения алюминия» включающем погружение в расплав электрода дополнительно верхний конец электрода выполненного из материала с высокой проводимостью подключают через проводник, намотанный на барабан рулетки, на вход измерительного блока, а боковую поверхность электрода формируют в виде развернутой по вертикали шестерни, зубцы которой стыкуются с зубцами шестерни редуктора приводимого в движение шаговым двигателем, который перемещает электрод по высоте. Нижнюю часть электрода погружаемого в расплав покрывают стойким к агрессивной среде расплава изоляционным материалом (например изоляционные трубки МКРР-110) оставляя свободным наконечник электрода, погружаемый в расплав с заданной скоростью (V), на выходе буферного усилителя формируется импульсный сигнал dU, по которому определяют момент скачкообразного изменения потенциала электрода при касании наконечником электрода расплава электролита (X), а затем расплава алюминия (Z) и с учетом исходного положения высоты электрода относительно верхней плоскости угольного катодного блока H вычисляют высоту расплава электролита h=V X-H и высоту расплава алюминия h=VZ-H.
Существенное отличие заявляемого технического решения от прототипа состоит в том, что верхний конец электрода выполненного из материала с высокой проводимостью подключают через проводник, намотанный на барабан рулетки, на вход измерительного блока, а боковую поверхность электрода формируют в виде развернутой по вертикали шестерни, зубцы которой стыкуются с зубцами шестерни редуктора приводимого в движение шаговым двигателем, который перемещает электрод по высоте. Данное техническое решение решает задачу прохождения измерительной части электрода через корку электролита и исключает его деформацию и разрушение.
r
Al
х
Вторым существенным отличием является то, что нижнюю часть электрода изолируют стойким к агрессивной среде расплава изоляционным материалом до наконечника электрода погружаемого в расплав с заданной скоростью (V), определяют момент скачкообразного изменения потенциала электрода при касании наконечником электрода расплава электролита (X), а затем расплава алюминия (Z) и с учетом исходного положения высоты электрода относительно верхней плоскости угольного катодного блока Нь вычисляют высоту расплава электролита
эл
r
xb
h=V X-H
и высоту расплава алюминия
Al
Al
xb
h=VZ-H
Данное техническое решение решает задачу измерения разности потенциалов при контакте металлического наконечника с расплавом электролита и металла, а следовательно и точное измерение их высоты.
Результатом предлагаемого технического решения является снижение трудоемкости процесса измерения, повышение точности измерения высоты расплава электролита и металла в электролизерах для производства алюминия, что позволит стабилизировать технологический процесс, повысить производительность электролизеров и улучшить экологию.
Реализующее способ устройство включает узел крепления термостойкого стержня, дополнительно в стальном кожухе из нержавеющей стали (3) с кронштейном (4) для жесткого крепления к стальному борту катодного узла с торцов электролизной ванны с фиксацией положения в пределах 90° относительно торца катодного узла размещены механические и электронные устройства. Механические устройства включают: измерительный стержень (13), из нержавеющей стали подключенный верхним концом, через проводник, намотанный на барабан рулетки (12), на вход измерительного блока (11), а нижний к металлическому наконечнику (18), погружаемому в расплав. По середине стержня (13) из нержавеющей стали установлена шестерня редуктора (14), зубцы которой стыкуются с зубцами стержня. Вертикальность комбинированного стержня фиксируется направляющими изоляционными вставками (16) на средней вставке установлен концевой выключатель 17.
Основным подвижным рабочим элементом устройства является измерительный стержень (13), совершающий в процессе работы возвратно-поступательные движения. Фиксаторы в виде направляющих изоляционных вставок (16) выполнены из пластин из изолирующего материала.
В представленной формуле изобретения заявлены следующие отличительные от прототипа признаки:
- устройство выполнено из стального кожуха из нержавеющей стали с кронштейном для жесткого крепления к стальному борту катодного узла с торцов электролизной ванны с фиксацией положения в пределах 90° относительно торца катодного узла;
- внутри стального кожуха размещены механические устройства: измерительный стальной стержень из нержавеющей стали, перемещение которого жестко ограничено по вертикали, верхний конец которого подключен к электронной схеме измерения через провод барабана рулетки, а нижний конец выполнен в виде металлического наконечника погружаемого в расплав;
- посредине длины стержня из нержавеющей стали установлена шестерня редуктора приводимого в движение шаговым двигателем, зубцы шестерни редуктора стыкуются с зубцами на боковой поверхности стержня;
- вертикальность комбинированного стержня фиксируется направляющими изоляционными вставками на средней вставке установлен концевой выключатель;
- электронное устройство включает преобразователь постоянного напряжения 4-5 В в напряжение для питания: буферного усилителя, микроконтроллера, драйвера шагового двигателя, передатчика Wi-Fi.
Устройство, реализующее способ, представлено на фиг. 1-3.
На фиг. 1 представлен разрез электролизера с самообжигающимся анодом, где введены следующие обозначения: анодный узел - 1, газосборный колокол - 2, стальной кожух из нержавеющей стали 3 с кронштейном 4 для жесткого крепления к стальному борту электролизной ванны 6 с фиксацией положения в пределах 90° относительно торца катодного узла, корка электролита - 5, подовые угольные блоки - 7, настыль и гарнисаж - 8, электролит - 9, расплав алюминия - 10.
э
п
На фиг. 2 представлен разрез устройства измерения уровней электролита и металла в электролизере для получения алюминия, где введены следующие обозначения: стальной герметичный кожух - 3, электронный измерительный блок - 11, с подключением питания от рабочего напряжения U электролизера кнопкой - 11, барабан рулетки -12, измерительный стержень из нержавеющей стали - 13 боковая поверхность которого выполнена в виде развернутой шестерни, зубцы которой состыкованы с шестерней редуктора, управляемой шаговым двигателем - 14, измерительная часть стержня опускаемого в расплав покрыта термостойким изоляционным материалом (например, изоляционные трубки МКРР-110) - 15, фиксаторы в виде направляющих изоляционных вставок - 16, концевой выключатель - 17, контактный наконечник - 18.
На фиг. 3 приведена функциональная схема электронного измерительного блока, где приняты следующие обозначения: кнопка включения устройства - 11п; шаговый двигатель с редуктором - 14, концевой выключатель - 17; контактный наконечник - 18; преобразователь постоянного напряжения - 19; микроконтроллер - 20; драйвер - 21; модуль Wi-Fi - 22; индикатор - 23; буферный усилитель - 24; тактовый генератор - 25; кнопка сброса 26; устройство управления - 27;.
Измерение уровней электролита и металла в электролизере для получения алюминия с использованием предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
п
пит
эл
Aл
Измерительное устройство, размещенное, в стальном кожухе из нержавеющей стали 3 с кронштейном 4 (Фиг. 1), для жесткого крепления к стальному борту катодного узла с торцов электролизной ванны поворачивают на 90° относительно торца катодного узла и включают посредством кнопки 11, преобразователь 19 постоянного напряжения электролизера Uэ в напряжение (U) для питания: микроконтроллера - 20, модуля Wi-Fi - 22, буферного усилителя - 24, (Фиг. 3), драйвера 21 шагового двигателя с редуктором - 14, зубцы шестерни редуктора состыкованы с зубцами измерительного стержня из нержавеющей стали -13. При готовности к измерению, микроконтроллер - 20 вырабатывает сигнал готовности к проведению измерения и через модуль Wi-Fi - 22 передает сигнал готовности на пульт системы управления технологическим процессом. При получении сигнала готовности система управления технологическим процессом по модулю Wi-Fi - 22 передает сигнал разрешения на измерение. При получении разрешающего сигнала микроконтроллер - 20 формирует управляющий сигнал для драйвера 21 шагового двигателя с редуктором 14. Шаговый двигатель с редуктором - 14 перемещает измерительный стержень - 13 по вертикали вниз. Измерительный стержень - 13 (Фиг. 2), погружаемый в расплав с заданной скоростью (V), прокалывает контактным наконечником - 18 корку электролита - 5 (Фиг. 1) и опускается до поверхности расплава электролита - 9, на выходе буферного усилителя - 24 формируется импульсный сигнал dU, далее опускаясь вниз наконечник измерительного стержня касается поверхности расплава алюминия - 10, на выходе буферного усилителя - 24 формируется импульсный сигнал dU.
r
Al
xb
Микроконтроллер - 20 определяет момент скачкообразного изменения потенциала на выходе измерительного стержня при касании наконечником стержня расплава электролита (X), а затем расплава алюминия (Z) и с учетом исходного положения высоты электрода относительно верхней плоскости угольного катодного блока H вычисляет высоту расплава электролита
эл
r
xb
h=V X-H
и высоту расплава алюминия
Al
Al
xb
h-VZ-H,
Полученные значения высоты расплава электролита и алюминия передают через модуль Wi-Fi - 22 на пульт системы управления технологическим процессом. Шаговый двигатель отключается при срабатывании концевого выключателя 17 и срабатывает реверс для подъема измерительного стержня 13, шаговым двигателем с редуктором 14 в исходное положение.
Наличие в предлагаемом техническом решении перечисленных выше признаков, отличных от признаков ближайшего аналога, взятого за прототип, позволяет сделать вывод о его соответствии условию патентоспособности «новизна».
С целью определения «уровня техники» был проведен поиск по патентной и научно-технической литературе. Проведенный анализ показал, что на момент подачи заявки на изобретение неизвестны способ и устройство, характеризуемое всей совокупностью признаков, изложенных в формуле изобретения, хотя отдельные признаки, вынесенные в ограничительную часть формулы, известны. Использование в заявляемом решении новой совокупности известных и неизвестных признаков позволяет создать устройство более высокого уровня, которое способно эффективно работать в реальных условиях электролизных цехов.
Вышесказанное позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения условиям патентоспособности «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».