УСТРОЙСТВО МАНИПУЛИРОВАНИЯ КРЫШКАМИ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗОМ
DEVICE FOR MANIPULATION OF COVERS OF ELECTROLYTIC CELL FOR MANUFACTURING OF ALLUMINIUM BY ELECTROLYSIS

Область изобретения
Настоящее изобретение касается производства алюминия электролизом в расплаве согласно способу Холла-Эру. В частности, оно касается операций обслуживания электролизеров, таких как замена анодов, а также агрегатов обслуживания, предназначенных для осуществления таких операций.
Предшествующий уровень техники
В промышленных масштабах алюминий производят электролизом в расплаве в электролизерах согласно известному способу Холла-Эру. Во французской заявке на патент FR 2806742 (соответствующей американскому патенту US 6409894) раскрыто оборудование электролизного завода, предназначенное для производства алюминия. Электролизеры имеют в основном прямоугольную у пола форму. В дальнейшем в настоящем описании буквой Х будет обозначаться направление большой стороны электролизера, буквой Y - направление малой стороны, а буквой Z - вертикальное направление.
Реакции электролиза, вторичные реакции и высокие рабочие температуры приводят к образованию газообразных отходов, которые содержат главным образом диоксид углерода и фторсодержащие продукты. Выброс этих отходов в атмосферу строго контролируется и регламентируется, причем это касается не только выбросов в окружающую атмосферу электролизного цеха в связи с охраной условий труда персонала, работающего вблизи электролизеров, но и загрязнения окружающей среды. Законодательством многих государств в области охраны окружающей среды предусмотрены ограничения по количествам отходов, выбрасываемых в атмосферу.
В настоящее время существуют решения, позволяющие достаточно надежно выделять, собирать и обрабатывать эти отходы. Широко распространенным решением является оборудование электролизеров устройством улавливания отходов. Это устройство закрывает электролизеры и содержит средства изоляции, которые включают, в частности, устройство укрытия и средства отсасывания и химической обработки отходов.
Устройство укрытия содержит съемные крышки, которые обеспечивают доступ внутрь электролизера, в частности, во время замены израсходованного анода новым анодом.
Крышки снимает с электролизера и ставит на место вручную, одну за другой, оператор, находящийся на полу. В этом случае оператор подвергается опасности, связанной с близостью к электролизеру и с присутствием погрузочно-разгрузочных инструментов. В частности, положение захвата и установки крышек заставляет оператора нагибаться над электролизером. Поскольку крышки опираются на ограниченные поверхности, неправильное позиционирование крышки может привести к неправильному приданию ей опоры на электролизер, к потере оператором равновесия и к опасности его падения в электролизную ванну. С другой стороны, снятие крышек снижает эффективность устройства улавливания и подвергает оператора воздействию выходящих из электролизера отходов, что вынуждает надевать защитные маски.
В связи с этим заявитель поставил перед собой задачу поиска процедуры и средств, которые позволяют устранить эти недостатки.
Раскрытие изобретения
Объектом изобретения является устройство манипулирования крышками электролизера для производства алюминия электролизом в расплаве, которое позволяет снимать, перемещать и ставить на место крышки дистанционно и которое может быть полностью или частично автоматизировано.
Устройство манипулирования крышками электролизера согласно изобретению содержит устройство позиционирования, способное разложить операции манипулирования крышками на определенный набор базовых движений, и систему захвата крышек, способную надежно захватывать определенный комплект крышек.
В предпочтительном варианте реализации изобретения устройство манипулирования крышками отличается тем, что оно содержит:
- устройство позиционирования, которое содержит орган вертикального направления, такой как телескопическая стрела, подвижную опору, такую как каретка, установленную на органе вертикального направления с возможностью перемещения при использовании, по меньшей мере, в вертикальном направлении, шарнирный рукав, установленный на подвижной опоре, первое шасси, установленное на шарнирном рукаве с возможностью поворота при использовании вокруг по существу горизонтальной первой оси А вращения, причем упомянутый шарнирный рукав способен, по меньшей мере, удалять и приближать первое шасси от/к подвижной опоры(е), двигатель для совершения поворота первого шасси вокруг упомянутой первой оси А вращения, второе шасси, установленное на первом шасси с возможностью перемещения вдоль определенной первой оси В поступательного движения, которая при использовании находится по существу в горизонтальном положении, и средства перемещения второго шасси вдоль упомянутой первой оси В поступательного движения;
- систему захвата крышек, закрепленную на втором шасси и содержащую определенный комплект захватных органов, предназначенных для захвата определенного комплекта крышек в определенном числе точек крепления.
Согласно изобретению операции манипулирования крышками разбивают на определенный набор базовых движений, причем каждое из этих базовых движений обеспечивается специальными конструктивными элементами устройства. Орган вертикального направления и подвижная опора служат преимущественно для вертикальных перемещений системы захвата, шарнирный рукав служит для перемещений сближения и удаления системы захвата, первое шасси и связанный с ним двигатель служат для ориентационных перемещений системы захвата относительно вертикали, а второе шасси и связанные с ним средства перемещения служат для боковых перемещений системы захвата, то есть для перемещений, параллельных длинным сторонам электролизеров. Эти перемещения могут быть автоматически регулируемыми.
Надежный захват крышек системой захвата в определенном числе точек уменьшает неконтролируемые механические колебания крышек во время манипулирования ими и удерживает, таким образом, крышки в определенном фиксированном положении относительно второго шасси (обычно это положение является параллельным упомянутому шасси).
Устройство по изобретению позволяет правильно манипулировать крышками в весьма загруженном оборудованием пространстве, окружающем электролизеры, с точностью, необходимой для механизации и возможной автоматизации операций манипулирования.
Объектом изобретения является также машина обслуживания серии электролизеров для производства алюминия электролизом в расплаве, содержащих множество крышек, которая отличается тем, что она содержит по меньшей мере одно устройство манипулирования крышками согласно изобретению. Машина обслуживания служит для осуществления различных операций на электролизерах, в частности операций по замене анода. Она оборудована специальными инструментами для этих различных операций, как правило устанавливаемыми на по существу вертикальных рукавах, предпочтительно - телескопических рукавах, которые перемещают упомянутые инструменты между их рабочей зоной и нерабочим положением, находящимся на безопасной высоте. Преимущественно, упомянутое устройство манипулирования крышками закреплено на упомянутой машине обслуживания при помощи органа вертикального направления, который может выполнять, таким образом, функцию, идентичную функции телескопических рукавов соседних инструментов.
Объектом изобретения является также подвижный агрегат, способный перемещаться по электролизному цеху, содержащий по меньшей мере одно устройство манипулирования крышками согласно изобретению. Преимущественно, этот подвижный агрегат оборудован системой управления, следящей за тем, чтобы упомянутое устройство позиционирования находилось в определенном положении по отношению к подлежащей манипулированию крышке или множеству крышек. Упомянутый подвижный агрегат служит для приближения или удаления устройства манипулирования крышкой или определенным комплектом крышек к определенному положению или от определенного положения, которое может быть задано расстоянием Х по направлению Х большой стороны электролизера, расстоянием Y по направлению Y малой стороны электролизера и разностью высоты Z между характеристической точкой устройства манипулирования, например конкретной точкой подвижной опоры, и характеристической точкой множества подлежащих манипулированию крышек, например местоположением штанги того анода, для замены которого необходимо снять упомянутое множество крышек. Упомянутое определенное положение представляет собой исходное положение устройства позиционирования перед его приведением в действие и является контрольной точкой для дальнейших перемещений, сообщаемых различным элементам, которые входят в состав упомянутого устройства манипулирования.
Упомянутый подвижный агрегат может быть самоходным транспортным средством, способным перемещаться по электролизному цеху. Он может также представлять собой агрегат обслуживания, содержащий мостовой кран, обычно способный перемещаться вдоль линии электролизеров, тележку, обычно способную перемещаться вдоль упомянутого мостового крана, и машину обслуживания, закрепленную на этой тележке и содержащую упомянутое устройство манипулирования. Преимущественно, подвижный агрегат может перемещаться в по существу горизонтальной плоскости. Необязательно, он может быть снабжен приводом, который перемещает упомянутое устройство позиционирования в вертикальном направлении, причем его действие позволяет совершать предварительное позиционирование по высоте перед приведением в движение подвижной опоры на органе вертикального направления. Преимущественно, он может быть также снабжен приводом, который позволяет размещать упомянутое устройство позиционирования таким образом, чтобы ось В поступательного движения второго шасси была по существу параллельной направлению Х большой стороны электролизера.
Объектом изобретения является также способ снятия по меньшей мере одной крышки электролизера для производства алюминия электролизом в расплаве, отличающийся тем, что:
а) используют по меньшей мере один подвижный агрегат согласно изобретению, оборудованный по меньшей мере одним устройством манипулирования крышками согласно изобретению;
b) размещают упомянутый подвижный агрегат таким образом, чтобы упомянутое устройство позиционирования находилось в определенном исходном положении, причем ось В поступательного движения второго шасси является по существу параллельной направлению Х;
c) маневрируют шарнирным рукавом, первым шасси и/или вторым шасси, а также, необязательно, системой захвата таким образом, чтобы установить захватные органы системы захвата в положение захвата упомянутых крышек;
d) приводят в действие захватные органы таким образом, чтобы захватить упомянутые крышки;
e) маневрируют шарнирным рукавом, первым шасси и/или вторым шасси, а также, необязательно, системой захвата таким образом, чтобы снять упомянутые крышки и транспортировать их в определенную зону складирования.
Преимущественно, упомянутый шарнирный рукав содержит неподвижный элемент, жестко связанный с подвижной опорой, и подвижный элемент, первый конец которого закреплен на подвижном элементе с возможностью поворота вокруг оси С, по существу параллельной осям А и В, а второй конец которого закреплен на первом шасси, позволяя последнему поворачиваться вокруг упомянутой оси А. Таким образом, комбинируя вращение подвижного элемента вокруг оси С и вращение первого шасси вокруг оси А, можно придавать захватным органам в целом плоскую траекторию в плоскости, по существу перпендикулярной направлению Х, стремясь удалить упомянутые крышки за пределы верхней конструкции (анодного устройства), на котором они обычно покоятся, причем упомянутая траектория вначале предпочтительно является по существу нормальной к поверхности упомянутых крышек. Необязательно, второму шасси сообщают колебательное движение небольшой амплитуды в направлении Х, что позволяет облегчить извлечение крышек.
Объектом изобретения является также способ установки на место по меньшей мере одной крышки электролизера для производства алюминия электролизом в расплаве, отличающийся тем, что:
а) используют по меньшей мере один подвижный агрегат согласно изобретению, оборудованный по меньшей мере одним устройством манипулирования крышками согласно изобретению;
b) перемещают упомянутый подвижный агрегат к определенной зоне складирования крышек и приводят в действие захватное устройство так, чтобы захватить упомянутые крышки;
c) размещают упомянутый подвижный агрегат с упомянутыми крышками таким образом, чтобы упомянутое устройство позиционирования находилось в определенном исходном положении, причем ось В поступательного движения второго шасси является по существу параллельной направлению Х;
c) маневрируют шарнирным рукавом, первым шасси и/или вторым шасси, а также, необязательно, системой захвата таким образом, чтобы установить захватные органы системы захвата в положение установки упомянутых крышек;
d) приводят в действие захватные органы таким образом, чтобы освободить упомянутые крышки;
e) маневрируют шарнирным рукавом, первым шасси и/или вторым шасси, а также, необязательно, системой захвата таким образом, чтобы удалить упомянутое устройство позиционирования от упомянутых крышек.
Объектом изобретения является также способ замены анодов в электролизере, отличающийся тем, что он содержит этап, на котором по меньшей мере одну крышку, находящуюся вблизи упомянутого анода, снимают в соответствии с описанным выше способом снятия крышки согласно изобретению, и этап, на котором, после замены упомянутого анода, упомянутую по меньшей мере одну крышку устанавливают на место в соответствии с описанным в предыдущем абзаце способом установки на место крышки согласно изобретению.
Далее изобретение описано более подробно с помощью прилагаемых чертежей.
Фиг.1 иллюстрирует вид в разрезе типового электролизного цеха, предназначенного для производства алюминия и содержащего схематично показанный агрегат обслуживания.
Фиг.2 иллюстрирует вид в поперечном разрезе типового электролизера, предназначенного для производства алюминия.
Фиг.3 представляет собой вид в перспективе части электролизера по фиг.2.
Фиг.4 иллюстрирует устройство манипулирования крышками согласно предпочтительному варианту реализации изобретения.
Фиг.5А и 5В показывают с двух разных точек зрения часть устройства манипулирования крышками по фиг.4.
Фиг.6А и 6В иллюстрируют работу устройства манипулирования крышками согласно изобретению в варианте, содержащем шарнирное шасси.
Фиг.7 и 8 иллюстрируют варианты реализации предпочтительного варианта устройства манипулирования крышками согласно изобретению.
Фиг.9-15 иллюстрируют работу устройства манипулирования крышками согласно изобретению.
Электролизные заводы по производству алюминия содержат зону производства жидкого алюминия, которая включает в себя один или несколько электролизных цехов (1). Как показано на фиг.1, каждый электролизный цех (1) содержит электролизеры (2) и по меньшей мере один агрегат обслуживания (4). Агрегаты обслуживания часто называют «машинами обслуживания электролиза» или «МОЭ» («РТА» или «Pot Tending Assembly» или «РТМ» или «Pot Tending Machine» на английском языке).
Как показано на фиг.2, каждый электролизер (2) содержит электролизную ванну (21), опорную конструкцию (30), называемую «верхней конструкцией» («superstructure»), и множество анодов (40, 40'). Электролизная ванна (20) содержит стальной кожух (21), внутреннюю футеровку (22), как правило образованную блоками из огнеупорных материалов, и катодное устройство, которое включает в себя блоки из углеродистого материала, называемые «катодными блоками» (23), и металлические соединительные стержни (24), к которым прикреплены электрические проводники (50, 51, 52), служащие для подачи тока электролиза. Каждый анод снабжен металлической штангой (41, 41'), которая обычно прикреплена к аноду посредством анододержателя (42). Аноды (40, 40') съемным образом прикреплены к подвижной металлической раме (25), называемой «анодной рамой», при помощи съемного соединителя (26, 26'). Анодная рама (25) поддерживается верхней конструкцией (30) и крепится к электрическим проводникам (52), называемым «анодными стояками» и служащим для подачи тока электролиза.
Электролизеры (2) обычно расположены рядами или линиями, причем каждый ряд или линия обычно содержит более сотни электролизеров, и электрически соединены последовательно (в серию) при помощи соединительных проводников (50, 51, 52). Электролизеры (2) расположены таким образом, чтобы высвободить транспортный проезд (3) вдоль электролизного цеха (1) и путь доступа (прохода) (3') между электролизерами.
Электролизер (2) оборудован системой укрытия, показанной на фиг.2 и 3. Система укрытия содержит ряд съемных крышек (33), которые обычно являются металлическими, а чаще всего - из алюминиевого сплава. Система укрытия удерживает (изолирует) отходы во внутреннем пространстве (29) электролизера и соединена со средствами (не показаны) для удаления (отсасывания) отходов и их направления к центральному узлу обработки. Съемные крышки (33) обычно вставлены в направляющий паз (35), выполненный вдоль электролизера, и опираются на бортик (31) верхней конструкции. Крышки (33) обычно снабжены ручкой (34), предназначенной для манипулирования ими вручную операторами. Анодные штанги (41, 41') обычно выступают из системы укрытия через отверстия (32), выполненные для этой цели в системе укрытия.
Согласно самой распространенной технологии аноды (40, 40') выполняют из предварительно обожженного углеродистого материала. Постепенное расходование анодов во время реакций электролитического восстановления алюминия требует операций обслуживания электролизеров, среди которых, в частности, фигурирует замена израсходованных анодов (40') новыми анодами (40).
3
Агрегат обслуживания (4) служит для выполнения на электролизерах (2) этих операций, таких как замены анода или заполнение питающих бункеров электролизеров измельченной ванной электролита и фторидом алюминия AlF. Он может также служить для перемещения различных грузов, таких как элементы электролизной ванны, ковши с жидким металлом или аноды.
Как показано на фиг.1, агрегат обслуживания (4) содержит мостовой кран (5), который может совершать поступательное движение над электролизерами (2), и машину обслуживания (6). Машина обслуживания (6) содержит подвижную тележку (7) и обслуживающий модуль (8), оборудованный несколькими органами манипулирования и обслуживания (10), такими как инструменты (ковши, манипуляторы, пробойники и т.д.). Мостовой кран (5) опирается на и перемещается по путям качения (9, 9'), расположенным параллельно друг другу и главной оси здания (и линии электролизеров). Таким образом, мостовой кран (5) может перемещаться вдоль электролизного цеха (1). Подвижная тележка (7) может перемещаться вдоль мостового крана (5).
Машины обслуживания (6), используемые для операций замены анода, оборудованы определенным комплектом инструментов (10), а именно: пробойником, черпаковым ковшом, органом захвата анода (называемым «анодным захватом») и бункером, оборудованным выдвижным материалопроводом. Пробойник служит для разбивания корки глинозема и затвердевшей ванны электролита, обычно покрывающей все или часть анодов в электролизере; черпаковый ковш служит для освобождения места под анод путем удаления находящихся там твердых веществ (таких как куски корки и глинозема) после извлечения израсходованного анода; анодный захват служит для захвата анодов за анодную штангу и манипулирования ими, в частности, для удаления израсходованных анодов из электролизера и установки новых анодов на их место в электролизер; выдвижной материалопровод служит для подачи глинозема и/или измельченной ванны электролита в электролизер с целью повторного формирования слоя покрытия после установки на место нового анода. Пробойник, черпаковый ковш и анодный захват обычно установлены на нижнем конце органа направления, такого как телескопическая стрела или рукав.
Замена израсходованного анода (40') на новый анод (40) требует предварительного снятия определенного количества крышек (33), находящихся вблизи этого израсходованного анода (40'), их временного складирования и установки их на место в конце операций по замене анода.
Согласно изобретению крышками манипулируют с помощью устройства манипулирования (100), которое содержит устройство (110) позиционирования и систему (160) захвата крышек.
В предпочтительном варианте реализации изобретения устройство (110) позиционирования содержит:
- орган (101) вертикального направления;
- подвижную опору (120), такую как каретка, установленную на органе (101) направления с возможностью перемещения при использовании, по меньшей мере, в вертикальном направлении;
- шарнирный рукав (130), установленный на подвижной опоре (120);
- первое шасси (140), установленное на шарнирном рукаве (130) с возможностью поворота при использовании вокруг по существу горизонтальной первой оси А вращения;
- двигатель (141) для поворота первого шасси (140) вокруг упомянутой первой оси А вращения;
- второе шасси (150), установленное на первом шасси (140) с возможностью перемещения вдоль определенной первой оси В поступательного движения, которая при использовании является по существу горизонтальной (и обычно параллельной оси А);
- средства (151, 152, 153, 154, 155) перемещения второго шасси (150) вдоль упомянутой первой оси В поступательного движения.
Орган (101) вертикального направления обычно содержит неподвижный элемент (102) и по меньшей мере один подвижный элемент (103, 103'), и на упомянутом или одном из упомянутых подвижных элементов (103, 103') установлена подвижная опора (120). Орган (101) вертикального направления обычно представляет собой разновидность телескопической стрелы. В варианте реализации, показанном на фиг.4-8, орган (101) вертикального направления является телескопической стрелой, содержащей неподвижную секцию (102), первую выдвижную секцию (103) и вторую выдвижную секцию (103'), и при этом подвижная опора (120) установлена на второй выдвижной секции (103'). Обычно подвижная опора (120) приводится в действие двигателем (121).
Шарнирный рукав (130) служит для перемещения крышек в направлении, по существу перпендикулярном длинным сторонам электролизеров. Первое шасси (140) служит для корректировки наклона крышек (33) по отношению к электролизеру (2). Второе шасси (150) обеспечивает боковой вынос крышек (33), то есть в направлении, по существу параллельном длинным сторонам электролизеров. Эти перемещения обеспечивают точное позиционирование крышек во время манипулирования ими и осуществляются в первом определенном интервале допуска, который обычно составляет порядка ±0,5 см.
В примерах реализации, показанных на фиг.4-8, шарнирный рукав (130) содержит неподвижный элемент (131), жестко связанный с подвижной опорой (120), и подвижный элемент (132). Первый конец подвижного элемента (132) закреплен на неподвижном элементе (131) с возможностью поворота вокруг второй оси С, которая при использовании является по существу горизонтальной, при помощи двигателя (133). Второй конец подвижного элемента (132) закреплен на первом шасси (140) и позволяет этому шасси поворачиваться вокруг упомянутой первой оси А вращения.
В примерах на фиг.4-8 средства (151-155) перемещения второго шасси (150) содержат двигатель (151), закрепленный на первом шасси (140) и снабженный шестерней (152), зубчатую рейку (153), которая жестко связана со вторым шасси (150) и с которой зацепляется шестерня (152), направляющие (154) и опорные подшипники (155), установленные скользящими по направляющим (154).
Система (160) захвата крышек содержит определенный комплект захватных органов (161), предназначенных для захвата определенного комплекта крышек (33) в определенном числе точек. Система (160) захвата крышек крепится, непосредственно или опосредованно, ко второму шасси (150).
Операции обслуживания электролизеров, в частности операции по замене анодов, обычно требуют снятия нескольких крышек за раз. Определенный комплект крышек (33) обычно содержит по меньшей мере три крышки (33). На фиг.4-8 показан случай, когда устройство позволяет манипулировать одновременно четырьмя крышками.
Для существенного уменьшения механических колебаний крышек во время манипулирования ими и обеспечения таким образом высокой точности их позиционирования число точек крепления предпочтительно больше или равно трем на крышку, и при этом упомянутые точки предпочтительно расположены таким образом, чтобы образовать плоскость. Таким образом, крышки (33) остаются по существу неподвижными (и обычно параллельными) по отношению ко второму шасси (150) во время манипулирования ими.
Захватные органы (161) могут быть выбраны среди известных захватных средств, таких как крюки или электромагниты. Вместе с тем, чтобы иметь возможность захвата крышек, не имеющих собственных захватных средств, взаимодействующих с захватными органами системы (160) захвата, захватные органы (161) предпочтительно представляют собой присоски, приводимые в действие пневматической системой. В варианте реализации, показанном на фиг.4-8, число присосок и, следовательно, точек крепления равно четырем на крышку, что повышает надежность устройства. Преимущественным образом, система (160) захвата дополнительно содержит средства продувки, предназначенные для очистки продувкой упомянутых точек крепления на крышке или крышках перед приведением в действие упомянутых присосок.
Система (160) захвата преимущественно содержит шарнирное шасси (162), содержащее неподвижную раму (169), закрепленную на втором шасси (150), по меньшей мере одну шарнирную раму (163, 163'), закрепленную на неподвижной раме (169) при помощи по меньшей мере одного шарнира (164, 164') с возможностью поворота вокруг оси (D, D'), которая при использовании является по существу вертикальной, и, для каждой шарнирной рамы (163, 163'), привод (165, 165'), предназначенный для совершения поворота упомянутой или каждой шарнирной рамы (163, 163') вокруг упомянутой оси. Упомянутый привод (165, 165') обычно представляет собой силовой цилиндр. Этот вариант изобретения является особенно выгодным в том случае, когда электролизеры имеют находящиеся близко друг к другу анодные стояки (52). Действительно, в случае таких электролизеров ширина, перекрываемая определенным комплектом крышек, как правило превышает расстояние, которое разделяет два смежных анодных стояка. В этом случае шарнирное шасси (162) позволяет откидывать одну из крышек комплекта, размещая ее обычно перпендикулярно к плоскости других крышек, как показано на фиг.6А и 6В, что позволяет уменьшить общую ширину комплекта крышек и пройти между анодными стояками (52).
Шарнирное шасси (162) предпочтительно содержит две шарнирные рамы (163, 163'), расположенные с образованием «триады». В частности, шарнирное шасси (162) предпочтительно содержит первую шарнирную раму (163), закрепленную на первом конце неподвижной рамы (169) при помощи по меньшей мере одного первого шарнира (164), первый привод (165), предназначенный для совершения поворота первой шарнирной рамы (163) вокруг первой оси D, вторую шарнирную раму (163'), закрепленную на втором конце неподвижной рамы (169) при помощи по меньшей мере одного второго шарнира (164'), и второй привод (165'), предназначенный для совершения поворота второй шарнирной рамы (163') вокруг второй оси D' при помощи второго привода (165'). Этот вариант изобретения позволяет размещать ту или иную из крайних крышек перпендикулярно к плоскости других крышек. Он является особенно выгодным в случае, когда комплект подлежащих манипулированию крышек содержит крышку или крышки, которые находятся под анодными стояками по ту или иную сторону устройства манипулирования (100). Этот вариант изобретения показан на фиг.6А и 6В.
Для облегчения освобождения пространства, достаточного для обеспечения возможности поворота упомянутой рамы (163, 163'), шарнирное шасси (162) предпочтительно установлено на втором шасси (150) с возможностью перемещения вдоль второй определенной оси B' поступательного движения, которая при использовании является по существу горизонтальной и которая является обычно параллельной упомянутой первой определенной оси В поступательного движения, и устройство (110) позиционирования крышек содержит средства (166, 167, 168), такие как направляющий привод, для перемещения шарнирного шасси (162) вдоль второй оси B' поступательного движения, которая является обычно параллельной первой оси В поступательного движения. В вариантах реализации, показанных на фиг.4-8, упомянутые средства (166, 167, 168) перемещения шарнирного шасси (162) содержат направляющие (166), установленные на втором шасси (150), опорные подшипники (167), жестко связанные с шарнирным шасси (162) и установленные на направляющих с возможностью скольжения вдоль этих направляющих, и линейный привод (168), такой как безштоковый силовой цилиндр. Этих средств достаточно для обеспечения перемещения шарнирного шасси (162) между двумя крайними положениями.
На фиг.9 показан пример работы этого варианта изобретения в варианте реализации, показанном на фиг.4-8, где устройство манипулирования (100) позволяет манипулировать четырьмя крышками (33а, 33b, 33c, 33d) одновременно. Электролизер показан частично в проекции сверху. В этом примере три крышки (33а, 33b, 33c) находятся между двумя последовательными анодными стояками (52, 52'), а четвертая крышка (33d) находится под одним из этих двух анодных стояков (52'). Подлежащий замене анод, штанга (41') которого показана в сечении, находится за третьей крышкой (33с), если считать слева. Шарнирное шасси (162), захватные органы (161a, 161b, 161c, 161d) и первое шасси (140) показаны схематично. Как показано на фиг.9(А), устройство манипулирования (100) первоначально размещают таким образом, чтобы первое шасси (140) оказалось напротив подлежащего замене анода, а захватные органы (161a, 161b, 161c, 161d) - напротив каждой из соответствующих крышек (обычно рядом с вертикальной осью каждой крышки). В этом случае шарнирное шасси (162) оказывается частично под правым анодным стояком (52'). Захватные органы (161a, 161b, 161c, 161d) прижимают к крышкам и приводят в действие для их захвата. После этого крышки сдвигают с их места и слегка приподнимают. Первую крышку (33а) откидывают, обычно путем поворота на 90° левой шарнирной рамы (163) относительно плоскости других крышек (как показано на фиг.9(В)). Как показано на фиг.9(С), шарнирное шасси (162) смещают влево, что позволяет устройству манипулирования снять комплект крышек без помех со стороны анодных стояков (52, 52').
В предпочтительном варианте изобретения устройство (100) манипулирования крышками дополнительно содержит средство (180, 180') очистки, которое установлено на втором шарнирном рукаве (170). Средство (180, 180') очистки служит, в частности, для удаления пыли и осколков корки и анода, оставшихся после операций по замене анода, в частности, в направляющих пазах (35), перед установкой крышек на место. Средство (180, 180') очистки обычно выбирают среди щеток, скребков и/или средств продувки. На фиг.7 и 8 показаны варианты реализации этого варианта, в которых второй шарнирный рукав (170) установлен на первом шасси (140). В этих примерах шарнирный рукав (170) содержит первый (171) и второй (172) подвижные элементы, соединенные между собой шарнирным сочленением, при этом первый подвижный элемент (171) закреплен на первом шасси (140) с возможностью поворота вокруг первой оси шарнирного сочленения, которая при использовании обычно является горизонтальной, при помощи первого двигателя (173), шарнирный рукав (170) содержит второй двигатель (174) для совершения поворота второго подвижного элемента (172) вокруг второй оси шарнирного сочленения, проходящей через шарнирное сочленение, а средство очистки (180, 180') закреплено на втором подвижном элементе (172). В примере на фиг.7 средством (180) очистки является щетка, которая закреплена на втором подвижном элементе (172) при помощи рычага (176) с возможностью поворота вокруг третьей оси шарнирного сочленения при помощи третьего двигателя (175), необязательно соединенного через редуктор (177). Щетка (180) обычно является вращающейся щеткой, приводимой в действие двигателем (181). В примере на фиг.8 средством (180') очистки является скребок, приводимый в действие третьим двигателем (175'). Второй шарнирный рукав (170) может быть необязательно установлен на отдельном устройстве манипулирования (100).
Устройство (100) манипулирования крышками согласно изобретению может содержать средства стопорения крышек на системе (160) захвата в качестве дополнительного аварийного средства крепления в случае неисправности захватных органов. Предпочтительно, для обеспечения надежности стопорения средства стопорения являются механическими средствами. Например, средства стопорения могут содержать крюк, установленный на вращающемся силовом цилиндре и способный заходить в ручки (34) крышки (33).
Для обеспечения автоматизации манипулирования крышками (33) устройство манипулирования (100) согласно изобретению может быть оборудовано компьютерной системой управления. Эта система управления может осуществлять заранее запрограммированные операции и/или выполнять программы автоматического управления. Для этого устройство (100) манипулирования крышками предпочтительно содержит кодирующее устройство и систему обнаружения, способную обнаруживать присутствие крышек, их ориентацию и их положение. Этот вариант изобретения позволяет эффективно находить крышки, которые, хотя и должны в принципе находиться в определенных местах, могут быть сдвинуты относительно своего теоретического положения, правда, как правило, в пределах определенного интервала допусков. Сигналы, связанные с присутствием упомянутых крышек, их ориентацией и их положением, передаются на упомянутое кодирующее устройство, которое преобразует их в цифровые данные для системы управления. Система обнаружения обычно содержит по меньшей мере одну систему телеметрии, такую как лазерный дальномер. Например, система обнаружения может содержать комплект из двух дальномеров, выполненных с возможностью обнаружения присутствия определенной крышки путем отражения и измерения ориентации и положения этой крышки. Система обнаружения может преимущественно служить для обнаружения поверхностных рисунков и/или определенных элементов на крышках с тем, чтобы избежать или вызвать помещение захватных элементов (161) на эти элементы или рисунки. Например, когда крышки снабжены одной или несколькими ручками и ребрами жесткости, систему обнаружения можно использовать для определения положения ручек, которые выполнены обычно выступающими относительно крышек, и, следовательно, более легко отличимы от крышек, и для использования положения ручек в качестве ориентиров для позиционирования захватных органов (161) относительно крышек.
Для обеспечения возможности контроля за расстоянием между по меньшей мере одной определенной точкой на устройстве манипулирования (100) и точкой на электролизере устройство манипулирования (100) согласно изобретению предпочтительно содержит систему телеметрии, выполненную с возможностью измерения этого расстояния. Определенная контрольная точка на электролизере обычно находится на анодной раме, анодных штангах или крышках. Система телеметрии предпочтительно выбрана из дальномеров (обычно лазерных дальномеров), анализаторов пространственной конфигурации и камер, снабженных анализаторами изображения. Этот вариант изобретения позволяет, например, проверять расстояние между захватными органами (161) и определенными точками на электролизере и, следовательно, расстояние между захваченными крышками и упомянутыми точками с тем, чтобы точно позиционировать крышки по отношению к электролизеру.
Устройство (100) манипулирования крышками согласно изобретению предназначено для установки на транспортном устройстве, таком как агрегат (4) обслуживания, машина обслуживания (6) или самоходное транспортное средство, способное передвигаться по транспортному проезду (3) и по пути доступа (3'). Устройство (100) манипулирования крышками может, таким образом, обслуживать несколько разных электролизеров. Транспортное устройство предназначено для выполнения операций обслуживания электролизеров (2) для производства алюминия. Для упрощения работы операторов устройство (100) манипулирования крышками согласно изобретению предпочтительно устанавливают на агрегате (4) обслуживания или машине обслуживания (6), предназначенной для выполнения операций по замене анода, необязательно, на той же самой машине обслуживания (6), которая содержит упомянутый определенный комплект инструментов (10).
Транспортное устройство служит для размещения устройства (110) позиционирования вблизи крышки или комплекта крышек (33), которой(ым) надлежит манипулировать. Это приближение, относительно грубое, осуществляют во втором определенном интервале допуска, который обычно составляет порядка ±1 см.
Замену израсходованного анода (40') на новый анод (40) обычно осуществляют при помощи способа, при котором:
- располагают машину обслуживания (6), содержащую упомянутый определенный комплект инструментов (10), рядом с определенным израсходованным анодом (40');
- снимают определенное количество крышек (3), находящихся вблизи израсходованного анода (40'), и складируют их недалеко от их исходного места, как правило, размещая на соседних крышках;
- захватывают металлическую штангу (41') израсходованного анода (40') при помощи анодного захвата;
- ослабляют соединитель (26') израсходованного анода и снимают его при помощи инструмента манипулирования соединителями, который может быть установлен на машине обслуживания, используемой для замены анодов;
- извлекают израсходованный анод (40') из электролизера при помощи анодного захвата и помещают его в определенное место;
- захватывают заменяющий анод (40) при помощи инструмента манипулирования, как правило, того же самого анодного захвата, который использовали для манипулирования израсходованным анодом, и устанавливают на то место, которое ранее занимал израсходованный анод;
- крепят заменяющий анод (40) на анодной раме (25) при помощи соединителя (26);
- возвращают крышки (33) на их исходное место.
Такое манипулирование крышками может быть осуществлено при помощи устройства (100) манипулирования крышками согласно изобретению. Оно обычно содержит следующие операции:
- Помещают транспортное устройство, оборудованное устройством манипулирования (100), рядом с подлежащим замене израсходованным анодом (40'), как правило, относительно его металлической штанги (41'). Этот маневр, который может осуществляться автоматическим образом, если устройство оборудовано компьютерной системой управления, предназначен для размещения устройства (110) позиционирования в определенное положение по отношению к подлежащим снятию крышкам с определенной точностью порядка 2 см, предпочтительно 1 см. Это положение представляет собой контрольную точку для последующих перемещений элементов устройства манипулирования (100).
- Приводят в действие орган (101) вертикального направления и/или подвижную опору (120) таким образом, чтобы разместить подвижную опору (120) на определенной высоте относительно уровня пути доступа (3').
- Приводят в действие шарнирный рукав (130), первое шасси (140), второе шасси (150) и, необязательно, систему (160) захвата таким образом, чтобы привести захватные органы (161) системы (160) захвата в положение захвата упомянутых крышек.
- Приводят в действие захватные органы (161) для захвата определенных крышек (которые имеются в количестве четырех на фиг.4-8).
- Маневрируют шарнирным рукавом (130), первым шасси (140), вторым шасси (150) и, необязательно, системой (160) захвата таким образом, чтобы снять упомянутые крышки и транспортировать их до определенной зоны складирования. Эта определенная зона складирования преимущественно находится на удалении от рабочей зоны, необходимой для операций по замене анода. Для обеспечения точности, необходимой для установки на место крышек после замены анода, крышки предпочтительно остаются закрепленными на захватных органах (161) во время всех операций по замене анода и вплоть до их установки на место.
- После операций по замене анода маневрируют шарнирным рукавом (130), первым шасси (140), вторым шасси (150) и, необязательно, системой (160) захвата таким образом, чтобы возвратить упомянутые крышки на их исходное место. Перед установкой крышек на место обычно является предпочтительным удалить пыль и осколки корки и анода, оставшиеся после операций по замене анода. Эта очистка может быть произведена вручную или при помощи упомянутого средства (180, 180') очистки. Использование средства (180, 180') очистки согласно изобретению позволяет еще больше автоматизировать манипулирование крышками.
Во время захвата крышек предпочтительно следят за тем, чтобы захватные органы (161) действительно захватывали крышки. Этот контроль может осуществляться автоматически при помощи дополнительных средств измерения и/или системы активации захватных органов. Например, захват крышек можно проверять при помощи системы обнаружения, способной обнаружить присутствие крышек, и/или, в том варианте изобретения, в котором эти органы содержат присоски, при помощи измерения давления в пневматической системе. В качестве меры безопасности можно блокировать перемещение крышек, если крышка не захвачена минимальным числом захватных органов (161); например, если система (160) захвата содержит четыре захватных органа на крышку, перемещение крышки можно блокировать, если крышка не захвачена по меньшей мере тремя из этих органов. В этом случае требуется вмешательство оператора для выявления причины такого ненадлежащего функционирования.
Маневры по перемещению крышек во время их снятия, их складирования и их установки на место следует осуществлять таким образом, чтобы не прикасаться к анодным стоякам и к крышкам, остающимся на месте. Как правило, необходимость в движениях второго шасси (150) возникает тогда, когда по меньшей мере одна из крышек комплекта находится между анодным стояком (52) и электролизной ванной (20). В этом случае маневры обычно включают в себя позиционирование упомянутого комплекта крышек на определенном расстоянии относительно плоскости крышек, остающихся на электролизере, чтобы удерживать их на расстоянии, достаточном для того, чтобы не зацепить ручек крышек, остающихся на электролизере, и перемещение комплекта крышек в боковом направлении.
Преимущественным образом, во время снятия крышек можно придавать крышкам колебательное движение, являющее по существу горизонтальным и имеющее небольшую амплитуду (обычно менее примерно 10 мм, а предпочтительно - от 1 до 10 мм) при помощи соответствующего движения второго шасси (150). Целью этого движения является, в частности, облегчение извлечения крышек в том случае, когда они оказываются зажатыми соседними крышками, или их установки на место в том случае, когда пространство между остающимися на электролизере крышками является недостаточным.
В варианте системы (160) захвата, содержащей средства (166, 167, 168) перемещения шарнирного шасси (162), маневр системы (160) захвата может включать в себя, кроме движения рамы или рам (163), боковые перемещения шарнирного шасси (162) под действием средств (166, 167, 168) перемещения. Как правило, эти боковые перемещения бывают необходимы тогда, когда ширина, перекрываемая комплектом крышек, зафиксированных на системе (160) захвата, превышает то расстояние, которое разделяет два соседних анодных стояка. В этом случае раму или одну из рам (163) устанавливают перпендикулярно к плоскости других крышек при помощи привода (165, 165'), что уменьшает общую ширину комплекта крышек, и перемещают шарнирное шасси (162) в направлении упомянутой рамы при помощи средств (166, 167, 168) перемещения таким образом, чтобы установить комплект крышек в положение, обеспечивающее их прохождение между двумя соседними анодными стояками, не задевая их.
В варианте устройства манипулирования (100), содержащем систему обнаружения, операции манипулирования крышками предпочтительно включают в себя измерение положения и ориентации крышек, предназначенных для захвата этим устройством. Такие измерения позволяют с большей точностью совершать маневры по установке системы (160) захвата в положение захвата. Эти измерения позволяют также устанавливать крышки точно на место после операций по замене анода. Кроме того, эти измерения позволяют полностью автоматизировать маневры.
Как показано на фиг.10-12, манипулирование крышками можно осуществлять согласно способу, при котором:
- помещают устройство манипулирования (100) в исходное положение (фиг.10);
- опускают подвижную опору (120) (фиг.11);
- приводят захватные органы (161) в положение захвата крышек (33), перемещая систему (160) захвата при помощи шарнирного рукава (130), первого шасси (140) и второго шасси (150) (фиг.12);
- высвобождают крышки (33) с места и приподнимают до определенного положения (фиг.13);
- необязательно, перемещают крышки (33) вбок и, необязательно, откидывают одну или несколько крышек, как показано на фиг.9, чтобы обеспечить полное снятие комплекта крышек, захваченных устройством манипулирования (100);
- перемещают крышки (33) в определенное положение (фиг.14);
- удаляют крышки (33) из зоны обслуживания электролизера и перемещают устройство манипулирования (100) в определенное положение ожидания, которое предпочтительно является достаточно удаленным от электролизера для того, чтобы не мешать упомянутым операциям собственно замены анода (фиг.15).
Установку на место крышек (33) можно производить аналогичным способом, осуществляя его операции в обратном порядке.