CS8907592A2 - Device for distance adjustment between anodes and cathodes in electrolyzer - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu a zařízení pro nastavování vzdáleností mezí elektrodami elektrolyzéru a zejména elektro- lýzám s anodou zavěšenou na pohyblivém anodovém závěsu, jako je tomu v elektrolyzérech pro výrobu hliníku. Při elektrolytickém tavení hliníku se používá elektro-lýzám. které mají větší počet anod. a katod, přičemž hliníkse vyrábí ze suroviny jako je například oxid hlinitý. Připrůchodu proudu surovinou mezi anodou a katodou vzniká rozta-vený hliník. Tento hliník, který je v podstatě čistý se z lázně odebírá. V elektrolyzérech tohoto typu jsou katody zpravid-la pevné a spolupracují s několika pohyblivými uhlíkovými ano-dami. které se během elektrolýzy spotřebovávají. Jako materiálpro anody se používá uhlíku, protože při tavení z něho nevzni-kají nečistoty, které by zůstaly v produktu. Aby se udržovalyoptimální provozní podmínkyj tedy minimální spotřeba elektrickéenergie, má se vzdálenost mezi katodou á anodou udržovat v podstatě na konstantní hodnotě- Když se uhlíková anoda běhemelektrolýzy spotřebovává. mezera mezi elektrodami se zvětšu-je a anoda se musí spustit dolů, aby se mezera udržela na optimální velikosti.

Pro nejjednodušší vysvětlení bude v následujícím uva-žována jedna, dvojice sestávající z anody a katody. Typickymá anoda nosnou anodovou tyčf která vyčnívá nahoru a je při-pevněna k pohyblivému anodovému závěsu. Anoda je tedy zavěše-na na závěsu,. který ovládá její pohyby. Anodový závěs je spo- 3 jen se zdvihacím a spouštěcím mechanismem. Anodový závěs sespouští o vzdálenost, která odpovídá spotřebované délce anody.Když anodový závěs d.ojde do své nejnižší polohy, připevní sekaždá anoda jednotlivě k pomocnému příčnému rameni, které jeupevněno na nosném rámu. Zámky, přidržující anodu k závěsům,se pak uvolní a anodový závěs se zdvihne do své nejvyšší polo-hy. Anody se pak k závěsu znovu připevní za účelem dalšího se-stupného pohybu. ]e samozřejmé, že při takovém přestavování semusí celá výroba zastavit : aby se zastavení zkrátilo na nej-menší míru, bývá anodová závěsná tyč dlouhá stejně tak jakodráha pohybu anodového závěsu. Při takové konstrukci je vzdálenost mezi nejvyšší a nej-nižší polohou anodového závěsu značně velká, asi 25Ο až 4OO mm,takže vzniká dlouhá proudová dráha, z níž vyplývá velká ztrátaenergie. Dalším důsledkem veliké vzdálenosti mezi krajními polo-hami anodového závěsu je kolísání intensity magnetického polev elektrolyzéru, které zhoršuje jeho účinnost. Mimoto odpojenía opětné upevnění anod na anodovém závěsu je poměrně časově ná-ročná operace. ideálně je vzdálenost mezi póly, to znamená mezi dolnímkoncem anody a katodou, stejná pro všechny anody, a proudelektrolyzéru se rozloží stejnoměrně mezi všemi anodami. V pro-vozu však nastávají odchylky od ideálního případu, protože kaž-dá anoda se spotřebovává různou rychlostí: toto kolísání se mu-sí opravit, jakmile se rozložení proudu mezi jednotlivými anodam 4 zhorší a je úplně nestejnoměrné. Mimoto při snžžení obsahuoxidu hlinitého v elektrolytu dochází k t. zv. anodovému je-vu. Během tohoto anodového jevu vzrůstá napětí v elektrolyzé-ru z hodnoty asi 4V přibližně na 3OV. Takový vzrůst napětí vy-volá zvýšenou spotřebu energie a musí se tedy rychle odstranit.K odstranění anodového jevu se do elektrolytu přidá oxid hlini-tý . Mimoto je obvyklé, že se všechny uhlíkové anody spustí takhluboko, až dojde ke vzniku místních zkratů s kovovou lázní.Vytlačováním taveniny během sestupného pohybu všech uhlíkovýchanod může přitom dojít k přetečení elektrolytu.

Zařízení podle vynálezu umožňuje, aby se k odstraněníanodového jevu spustila vždycky jenom polovina anod, zatímcodruhá polovina se zdvihá nahoru. Tímto způsobem se dá zabrá-nit změně výšky hladiny lázně a tedy přetečení taveniny. Účelem vynálezu je omezit dráhu pohybu anodového závěsu,čímž se prakticky odstraní uvedené problémy, a nastavit vzdá-lenost mezi anodou a katodou, aniž by bylo nutné použít pomoc-ného příčného ramene. K nastavení každé jednotlivé anody mápřitom dojít přesně podle její spotřebované délky, přičemžse udržuje co nejmenší vzdálenost mezi nejvyšší a nejnižšípolohou anodového závěsu.

Podstata zařízení podle vynálezu spočívá v tom, že ob-sahuje první pohyblivý anodový závěs, k němuž lze připevnitjednotlivé anody, druhý pohyblivý anodový závěs uložený podprvním závěsem, k němuž lze rovněž připevnit jednotlivé anody, ústrojí k selektivnímu připevnění jednotlivých anod k jednomunebo druhému anodovému závěsu v závislostí na smyslu pohybu,kterým se má anoda pohybovat, a ústrojí pro přemisťování ano-dových závěsu, které jsou synchronně pohyblivé v prvním směrusměrem k sobě a ve druhém směru směrem od sebe, takže připoje-né anody se zdvihají nebo spouštějí. Anodové závěsy se pohybujív cyklu, tedy se nejprve k sobě přibližují, potom se od sebe od-dalují tak, že jeden z anodových zó.věsů se vždycky pohybuje do-lů, zatímco druhý závěs se pohybuje nahoru. Alternativním při-pevňováním anodových nosných tyčí k tomu anodovému závěsu, kte-rý se pohybuje dolů, vykonává anoda spojitý sestupný pohyb, kte-rý kompensuje její spotřebu. Jednotlivé anody lze rovněž regu-lovat tak, že se upevňují z jednoho závěsu na druhý, z nichžkaždý vykonává bud zdvihací nebo spouštěcí pohyb.

Vynález bude vysvětlen v souvislosti s připoj enými vý-kresy, kde značí obr. I pohled na elektrolyzér dosavadní kon-strukce, oór. 2 analogický pohled na elektrolyzér podle vyná-lezu, obr. 3 ve zvětšeném měřítku elektrolyzér z obr. 2 v díl-čím svislém řezu, znázorňujícím připevnění anody ke dvěma ano-dovým závěsům, obr. 4 dílčí pohled na elektrolyzér z obr. 2,znázorňující alternativní zablokování anody na jednotlivýchanodových závěsech, obr. 5 příčný řez dvojitým anodovým závěsema připevnění anody a obr. 6, 6a, 6b, 6c ve zvětšeném měřítkublokovací mechanismus pro upevnění anody.

Na obr. 1 je znázorněn elektrolyzér !_ dosavadního provedení 6 Třebaže se v následujícím textu popisuje elektrolyzér pro vý-robu hliníku, představuje to pouze vysvětlení, protože každýelektrolyzér, který má jednu nebo několik pohyblivých anod nebokatod, může mít konstrukci podle vynálezu.

Elektrolyzér 1_ má katodu £ z uhlíkatého materiálu, kteráje připojena pevným vodičem £ a pružným vodičem 4. ke katodovépřípojnici Katoda £ spočívá na izolátoru ó, který je umístěnnad žlabem £ pece. Elektrolyzér 1_ má uhlíkovou vyzdívku 8_, kte-rá obklopuje lázeň o_ elektrolytu a kapalný kov 11, jenž působíjako el ek trczhemi cky účinná katoda. Anoda z 2 má nosnou anod.ovoutyč - 3 > kterou lze připevnit k anodovému závěsu Anoda 22 je zavěšena v lázni q_ a mezi ní a katodou 2_ je mezera 2 5. Ano-dový závěs je pohyblivě nesen pevným trámcem 1ó a je pohyblivýpo dráze A. jeho nejhornější a nejdolejsí poloha je znázorněnačerchovanou čarou. V důsledku této velké vzdálenosti A musí býtanodový závěs 14 připojen k anodové přípojnici 18 od předcháze-jícího elektrolyzéru pružným vodičem 17. Ke zdvihání anodovéhozávěsu 14 o dráhu A, která je typicky větší než asi 25 cm a bý-vá asi 45 cm, slouží neznázorněný pohyblivý trámec. Taková dlouhá vzdálenost je nezbytná k tomu, aby se provoz nemusel častozastavovat k opravě polohy anodového závěsu.

Na obr. 2 je nakreslen elektrolyzér £ podle vynálezu.

Jeho konstrukce je podobná jako konstrukce elektrolyzéruz obr. 1, a to pokud jde o typ katody, o polohu, složení lázněatd., liší se však tím, že nemusí mít velký anodový pružný 7 vodič 17., a že nemá. jediný anodový závěs.

Elektrolyzér 1 9 podle obr.- 2 má pevný nosný trámec 20,který je připojen ke dvojici pružných vodičů 2_i, 22. Tatodvojice vodičů 2 I, 22 „ které jsou značně kratší než pružnývodič 17 z obr. 1, je připojena ke dvojici anodových závěsůη.· 11· Anodové závěsy 23, 24 jsou umístěny nad sebou a jsoujednotlivě pohyblivé v cyklu nejprve k sobě a potom od sebe.

Oba anodové závěsy 23 24 jsou propojeny vřetenem 25 a jsou oba ?seny pevným trár _r d.u 27, která je podobná jako v provedení podle obr. 1. Nosnáanodová tyč 28 se může střídavě připojit k jednomu nebo ke dr Uému anoaovému závěsu 23, 24. obr. 3 znázorňuje zvětšený řez dvojitým anodovým závě-sem. Každý ze dvou anodových závěsů 23, 24 má blokovací ústrojí !£, 30 pro anodu. Anodové nosné tyče 28 se smějí připevnitk jednomu z obou anodových závěsů 23, 24 jenom tehdy, když semají anodové závěsy pohybovat. V klidové poloze mohou být anodové tyče připevněny současně na obou anodových závěsech.Toto současné upevnění má tu výhoda, že zvyšuje mechanickoubezpečnost a snižuje napěťové ztráty v dotekových bodech.

Na obr. 3 je anodová nosná tyč 28 připevněna blokovacímústrojím 2Q k anodovému závěsu 23. Kryt 31 uzavírá neznázor-něnou hnací jednotku, která je upevněna na pevném trámci 2Ó.Hnací jednotka pohání vřeteno 25 a tím vyvolává pohyb anodo-vých závěsů 23, 24. 8

Pohon je s výhodou ozubený vřetenový převod, který semůže otáčet v obou smyslech. První ozubené kolo, uložené najednom konci vřetene, jev záběru s druhým ozubeným kolem,které je poháněno reversním motorem. Na prvním ozubeném kolemohou být uloženy dorazy, které uvádějí v činnost první a dru-hý omezovači spínač, z nichž každý mění směr otáčení motoru.

Je samozřejmě řada jiných řešení pro pohon dvojice anodovýchzávěsů synchronně v předem stanoveném cyklu, například pomocíindividuálních hydraulických nebo elektrických pístových ovla-dačů, které dokonce mohou ušetřit i uspořádání spojovacího vřetene. Pro vynález je klíčové použití dvojice anodových závěsů,které jsou pohyblivé v předem stanoveném cyklu.

Obr. 4 znázorňuje vřeteno 25, které prochází oběma ano-dovými závěsy 23 , 24 a propojuje je. Vřeteno 25 má dvě oddě-lené části a to horní závitovou část 32 a dolní závitovou část33 > z nichž každá má závit s opačným stoupáním. Jedna část mátedy pravý a druhá levý závit. 'Každý anodový závěs 23, 24 mázávitový otvor 34, 35 > který odpovídá závitům vřetene 25, tak-že otáčení vřetene 25 v prvním směru přernstuj e anodové závěsy2^, 24 k sobě a opačné otáčení je od sebe oddaluje.

Na obr nost od sebe ní k hornímuco blokovacízávěsem 24, . 3 mají anodové závěsy 23 z 24 maximální vzdále-. V tomto okamžiku se nosná anodová tyč 28 připev-anod.ovému závěsu 23 blokovacím ústrojím 29, zatímústrojí 3O, které spolupracuje s dolním anod.ovýmzůstává rozevřené. Vřeteno 25 se pak uvádí do ro- 9 tačního pohybu neznázorněným pohonem, takže oba anodové zá-věsy 23, 24 se 7? sobě přibližují tak dlouho, až dojdou dominimální vzdálenosti.

Na obr. 5 mají oba anodové závěsy 2£, 24 minimálnívzájemnou vzdálenost: v tom okamžiku se horní blokovacíústrojí 2Q rozpojí a dolní blokovací ústrojí 30 se uzavře,čímž se anodová nosná tyč 28 přepojí tak, že anoda muže pokra-čovat v sestupném pohybu, při kterém sleduje anodový závěs 24.Jeden z obou anodových závěsů 23 z 24 se tedy vždycky pohybujenahoru, zatímco druhý se vždycky pohybuje dolů. Připevněníanodového závěsu 23, 24 ve správném okamžiku určuje pak pohybanody.

Když se použije dvou anodových závěsů 25, - 24 pohyblivýchv opačném směru, lze celou dráhu omezit asi na 5 cm. Pohybpružných anodových vodičů může být tedy malý, takže popsanénepříznivé účinky se omezí na minimum. Současně lze použítpevného trámce 2O místo dlouhých pružných vodičů 17. V zařízení podle vynálezu lze rovněž snadno korigovatodchylky polohy jednotlivých anod. Nejprve se při odpojenémpohonu všechny anody 12 připojí blokovacím ústrojím 30 7? dol-nímu anodovému závěsu 24, který jev horní poloze. Každá ano-da, která se má zdvihnout, se přechodně připevní blokovacímústrojím 29 k hornímu anodovému závěsu 23. Potom se dolníanodový závěs 24 spustí dolů, například o 5 cm, natočenímvřetene 25. Současně se horní anodový závěs 23 s anodami, 10 které se nají zdvihnout, přemístí nahoru, například o 5 cm. V tomto okamžiku se zdvižená anoda připevní k dolnímu anodo-vému závěsu 24 a otáčení vřetene 25 se obrátí, takže vzestup-ný pohyb anod pokračuje, čímž se vzdálenost pólů zvětší olo cm. Pohyb zdvižené anody se pak koordinuje s ostatními ·anodami.

Ke zmenšení vzdálenosti elektrod se při odpoje-ném pohonu všechny anody připevní k hornímu anodovému závě-su 23. Když horní anodový závěs 23 dojde do nejhořejší polo-hy, zůstanou k němu připevněny ty anody, které se mají spus-tit dolů, zatímco všechny ostatní anodové nosné tyče 28 sepřechodně připevní k dolnímu anodovému závěsu 24. Poté sehorní anodový závěs 23 spustí dolů o 5 cm. Současně se dol-ní anodový závěs 24 s ostatními anodami přemístí nahoru o5 cm. Potom se všechny anody připevní k dolnímu anodovémuzávěsu 24, jenž se pak svistí d.olů do výchozí polohy. Po spou-štěcím nebo zdvihacím cyklu, jakmile je dosaženo výchozí po-lohy, se vzdálenost konce aaod.y od katody zvětšila případnězmenšila o lo cm, zatímco ostatní anody byly spuštěny a zdviženy o 5 cm, takže jejich vzpoloha se nezměnila.

Protože spotřeba anody bývá 1,5 cm až 2 cm za den,stačí dráha pohybu anodového závěsu o délce asi 5 cm k tomu,aby se provedly všechny možné zdvihací a spouštěcí pohyby.Anodové Kosé tyče mohou být tedy velmi krátké a vzdálenostanod od lázně může být rovněž velmi malá. To vede k celkovémuzmenšení výšky elektroíyzéru. 11

Na obr. 6 je znázorněn příklad blokovacího ústro-jí s hydraulickými svěracími elementy. obr. 6a znázorňuje půdorys blokovacího mechanismu36 pro anodu. Mechanismus 36 je připevněn k anodovému zó.vě-svt 37 a svěrný díl 38, který je uložen na závoře 39 ajev záběru s nosnou anodovou tyčí 40, zakreslenou přerušo-vanou čarou. Závora je na jednom konci výkyvné uložena nanosiči 41 a má otvor 42, který je kluzně uložen na kolíku 43Drnhý konec 44 závory 30 je spojen s pístem 45 z který je uložen vratně pohyblivě ve válci 46. Dvojice ventilů 47, 4$ j sumístěna na protilehlých stranách pístu 45 a reguluje jehopohyb. Při otevření ventilu 47 se píst 45 vysune ven z válce46 a uvolní blokovací mechanismus 36 (obr. 36b). Při otevře-ní ventilu 48 se píst 45 zasune do vnitřku válce 46 a uzavřezávoru 39 (obr. 6a). Obr. óc znázorňuje nárys blokovacího κεcháni srnu.

Když je to třeba, lze závoru 39 úplně odstranit,například když jsou jednotlivé anody vyhořelé a musejí senahradit novými. Když se má provést výměna anod, oba bloko-vací mechanismy 36 horního i dolního anodového závěsu 23, 2dse otevřou a závory 39 se odstraní, takže nosná anodová tyčse může sejmout.

Ventily jsou ovládány neznázorněným mikroproceso-rem, který reguluje celý postup tavení, nebo jakýkoli ovlá-dacím ústrojím, které je schopné řídit vratný pohyb pístu. 1 2 ]e samozřejmé, že uvedená blokovací ústrojí a příslušná regu-lační soustava představují jenom příklad a. že lze podle vynále-zu použít nej různějších jiných blokovacích mechanismů.

Když se použije dvou anodových závěsů podle vynálezu,anodové nosné tyče se pohybují téměř spojitým sestupným pohybem,takže není třeba zastavovat, odpojovat a zdvihat anody pomocípohyblivého pomocného trámce. Vynález rovněž odstraňuje nebez-pečí stoupnutí hladiny lázně současným vzestupným a sestupnýmpohybem jedné nebo několika anod, takže vytlačený objem lázněje kompensován stejným objemem zdvižených uhlíkových anod. iř.ož-nost nastavování polohy anod během provozu zajištuje optimálníúčinnost elektrolyzéru, protože není třeba jej zastavovat k na-stavení vzdálenosti mezi elektrodami. Účinnost elektrolyzéru jetedy zvýšenaaelektro'Lyzér zůstává v provozu Spojitě po delšídobu, což zvyšuje kapacity na jednotlivý elektrolyzér.

Omezený vzestupný a sestupný pohyb anodových závěsů'umožňuje rekonstrukci elektrolyzéru pro použití v podstatě tu-hého nosného trámce v místě spojení katody a anody. Přitom seušetří pohyblivé příčné rameno, které dříve vedlo ke značné ná-maze při provozu každého jednotlivého elektrolyzéru. Anodovénosné tyče mohou být podstatně kratší,což vede ke značné úspořehmotnosti a materiálu anody. Třebaže vynález byl popsán v souvislosti s elektroly-zérem pro tavení hliníku, je zřejmé, že je možné ho využít projakékoli jiné elektrolyzéry. Popis vřetene a pohonu pro současné zdvihání a spouštění anodového závěsu vysvětluje jednu mož-nost, jak dosáhnout účinku podle vynálezu, je však samozřejméže v rámci vynálezu lze použít jakýkoliv prostředek k vytvoření vhodného cyklu pro pohyb dvojitého anodového závěsu. Třeaaže byly popsány pohyblivé anody a pevné katody, je zřejme,· ževynálezu lze použít i pro pohyblivé katody s pohyblivou ano- dou nebo bez ní.

Claims (8)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   λΛΒΓΘΟΫ ' λ'Ζ3ΊνΝλΛ Odd i avyn ’ 0 6 .11! ε 2 j fflfioo i. Zařízení ar o nastavování vzdáleností kve^zi' ízdo^ahiia katodami elektrolyzéru, vyznačené tín, že obsahujc ifirvní po-hyblivý anodový závěs, k němuž lze připojit jednotlivé anody,druhý pohyblivý anodový závěs,který je umístěn pod prvním ano-dovým závěsem a k němuž lze připojit jednotlivé anody, ústrojík selektivnímu připevnění jednotlivých anod k prvnímu nebo ke druhému anodovému závěsu v závislosti na směru, v němž se májednotlivá anoda pohybovat, a ústrojí pro pohyb anodových zá-věsu relativně vůči sobě, přičemž anodové závěsy jsou synchron ně pohyblivé v prvním směru k sobě a ve druhém směru od sebe,tak aby se připojené anody zdvihaly nebo spouštěly.
2. 2. Zařízení podle bodu i, vyznačené tím, že anodymají anodové nosné tyče, které vyčnívají z anodových bloků adají se připevnit ke zvolenému anodovému závěsu.
3. 3. Zařízení podle bodu l, vyznačené tím, že ústrojík připevňování anod k anodovým závěsům je tvořeno mechanicky,hydraulicky nebo pneumaticky ovládaným mechanismem, ovládanýmregulační jednotkou. '
4. 4. Způsob nastavování vzdálenosti mezi anodou a kato-dou v elektrolyzéru, vyznačený tím, že se uspořádá první pohyblivý anodový závěs a druhý, pod ním uložený anodový závěs, - 15 - k nimž lze připojit jednotlivé anody, že se jednotlivé anodyselektivně připevní k jednomu nebo ke druhému anodovému závě-su v závislosti na směru, ve kterém se má jednotlivá anoda po-hybovat, a anodové závěsy se uvedou do vzájemného pohybu, při-čemž se pohybují synchronně v prvním směru k sobě, takže anodypřipevněné k prvnímu anodovému závěsu se pohybují dolu, zatímco anody připevněné ke druhému anodovému závěsu se pohybují nahoru,nebo ve druhém směru od sebe, takže anody připevněné k prvnímuanodovému závěsu se pohybují nahoru a anody připevněné ke dru-hému anodovému závěsu se pohybují dolů.
5. 5- Způsob podle bodu 4, vyznačený tím, že poté coprvní anodový závěs došel do nejnižší polohy v prvním směru,se anody odpojí od tohoto prvního anodového závěsu a připevníse ke druhému anodovému závěsu k dosažení spojitého vzestupné-ho a sestupného pohybu v protějších směrech, ó.
6. Způsob podle bodu 4, vyznačený tím, že poté, kdyjeden z anodových závěsů došel do nejdolejší polohy, se anodaodpojí od tohoto anodového závěsu a připojí se ke druhému ano-dovému závěsu, který dosáhl své horní polohy, dřív, než anodovézávěsy změnily směr pohybu z prvního na druhý nebo z druhého naprvní.
7. 7. Způsob podle bodu 4, vyznačený tím, že ke zmenše-ní nebo zvětšení vzdálenosti mezi anodami a katodou elektroly-zéru se anody připojí k anodovému závěsu, který se pohybujev požadovaném směru. Ιό
8. 8. Způsob podle bodl·! 4, vyznačený tím, že současněse spouštěním jednotlivé anody se ostatní anody zdvihají připojením k tomu anodovému závěsu, který se pohybuje v opačnémsměru sež je spouštěcí pohyb.

   0. Způsob podle bodu 4, vyznačený tím, žedových závěsů se zastaví, když se anody připevňujíanodového závěsu ke druhému. pohyb anoz prvního 1O. Způsob podle bodu 4, vyznačený tím, že každý anodový závěs se pohybuje v obou směrech po d.ráze délky 5 cm