EP0124480A1 - Elektropneumatisches Antriebssystem für Krustenbrechvorrichtungen und Verfahren zu deren Betrieb - Google Patents

Elektropneumatisches Antriebssystem für Krustenbrechvorrichtungen und Verfahren zu deren Betrieb Download PDF

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EP0124480A1
EP0124480A1 EP84810176A EP84810176A EP0124480A1 EP 0124480 A1 EP0124480 A1 EP 0124480A1 EP 84810176 A EP84810176 A EP 84810176A EP 84810176 A EP84810176 A EP 84810176A EP 0124480 A1 EP0124480 A1 EP 0124480A1
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way valve
compressed air
working cylinder
drive system
piston
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Alusuisse Holdings AG
Schweizerische Aluminium AG
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    • F15B2211/7653—Control of position or angle of the output member at distinct positions, e.g. at the end position

Definitions

  • the invention relates to an electropneumatic drive system for crust breaking devices of aluminum melt flow electrolysis cells, which is fed from a compressed air network with a compressor and compressed air storage and which consists of at least one working cylinder with piston and piston rod, a slide valve, valves, compressed air lines installed after the network branch and a microprocessor.
  • the invention further relates to a method for operating the electropneumatic drive system.
  • the crusher of the crust breaking device is pneumatically driven practically throughout.
  • the lowering movement of the chisel is stopped by a mechanically or pneumatically actuated limit switch and its return to the rest position is triggered.
  • the end position of the crushing tool can also be displayed via a potential measurement by short-circuiting a circuit when the tool is immersed in the electrolyte.
  • the inventor has set himself the task of creating a pneumatic drive system for crust breaking devices of aluminum melt flow electrolysis cells and a method for its operation which provides the same performance with considerably less compressed air or energy.
  • the pneumatic drive system is to be fed by a compressed air network with compressed air storage and consist of at least one working cylinder with piston and piston rod, a slide valve, valves, compressed air lines installed after the network branch and a microprocessor for controlling the valves.
  • the compressed air emerging from the working cylinder during the pushing movement can be reused. It is fed into the working cylinder on the negative side.
  • the piston movement occurs because on the positive side the piston area exposed to the reduced pressure is smaller by the cross-section of the piston rod than on the negative side.
  • the air blown out during the return movement of the piston can still be used to advantage if it is blown into the area of the metering device, into the conical part of the day silo.
  • the alumina exposed to the greatest static pressure in the lowest part of the silo is made more flowable without the need for special energy.
  • piston rods with an outside diameter that is 25-85%, preferably 40-70%, of the inside diameter of the working cylinder.
  • piston rods in accordance with the above statements, generally have to have a relatively large outside diameter, they are expediently tubular.
  • the crust breaking device for electrolysis cells which has been brought into the rest position, must have removed the chisel from the area of the carbon anodes, so that none when changing the anode or performing other operations on the electrolysis cell Damage occurs.
  • a stroke range of the working cylinder of 400-600 mm has proven to be advantageous.
  • the compressed air circuit which is operated with reduced pressure in normal operation for economic reasons (compressed air consumption, material wear), is fed by a pressure reducing valve which reduces the network pressure by 35-75%, preferably 45-55%.
  • the network pressure is generally 6 - 8 bar.
  • this pressure reducing valve and the other valves are arranged on a common base plate, expediently on the cylinder head of the working cylinder. This is outside the hot area of the cell and is easily accessible from the outside.
  • the piston of the working cylinder is preferably subjected to reduced network pressure on the positive side, while the negative side of the working cylinder is vented.
  • the piston is z. B. pressed against a stop of the cylinder head.
  • the piston can be locked with a lock.
  • a mechanically or pneumatically actuated limit switch is arranged in the interior of the working cylinder.
  • the moment of thawing can also be determined by means of an electrical circuit chisel in the electrically conductive, molten electrolyte as the end position.
  • the microprocessor reverses the 5/2-way valve with a control pulse. This switches off the pressure reducing valve and the inside of the working cylinder, which is penetrated by the piston rod, the positive end, is vented via a compressed air line and the 5/2-way valve.
  • the microprocessor triggers the repetition of the striking movement in succession until the crust is broken through.
  • control can be set by the microprocessor so that the full force is exerted only in the lowest range of the pushing movement, for example in the lowest 100 mm of the stroke, by switching over the 5/2-way valve. If the movement is repeated at full power for a short time, the chisel is only moved in this lowest stroke range and accordingly less compressed air is used.
  • the return movement to the negative side of the cylinder always takes place with reduced pressure.
  • the pressure taken from the feed network is usually 6-8 bar, the reduced pressure 3-4 bar.
  • the first adjustable time interval for normal operation of the device is expediently in the range of 1-5 minutes.
  • the second adjustable time interval for triggering the increased pressure is 0-3 times the first time interval. If the chisel does not reach the end position (completely penetrated crust), it is preferable to switch to full force immediately or after a few seconds.
  • the lowering movement of the crushing chisel can be repeated with reduced pressure at shorter intervals than the first adjustable time interval and only then can it be switched to full force.
  • a pipe branch 12 leads from a compressed air supply network 10 which is common in industrial companies to a slide 14 which is expediently operable manually.
  • the compressed air supply network 10 is operated by a compressor and is stabilized by a compressed air store.
  • a compressed air line 18 leads from the slide 14 to the 5/2-way valve 20.
  • the compressed air line 22 emerging from the 5/2-way valve leads to the 3/2-way valve 24.
  • a compressed air line 26 branches off from the compressed air line 18 and leads to the pressure reducing valve 28.
  • the reduced pressure is fed into the compressed air line 22 via the compressed air line 30.
  • the compressed air lines 26 and 30 and the pressure reducing valve 28 thus form a by-pass to the 5/2-way valve.
  • a compressed air line 32 leads from the 3/2-way valve 24 to the negative side of the working cylinder 34, in other words to the cavity 40 formed between the cylinder head 36 and the piston 38.
  • the working cylinder 34 has an inner diameter D1, which has a stroke H axially therein movable piston rod 42 has an outer diameter D 2 .
  • the interior space 46 delimited by the inside of the working cylinder 34, the piston rod 42, the piston 38 and the cylinder base 44 is referred to as the positive side of the working cylinder.
  • This interior space 46 is connected to the 5/2-way valve 20 via a compressed air line 48.
  • the interior 40 is vented via the compressed air line 32 and the 3/2-way valve 24 via a connector 50, while the interior 46 is kept under reduced pressure.
  • Fig. 2 shows the upper area of the working cylinder 34, in which the piston 38 is axially displaceable.
  • the cylinder head 36 is placed sealingly on a tube with the inner diameter D 1 .
  • the vent 32 is recessed in the cylinder head 36.
  • the cylindrical piston attachment 56 provided with a sealing ring 54 fits into a corresponding one Shaped recess 58 in the cylinder head 36. From this recess 58, a ventilation duct 60 leads to the outside, the outlet opening of which can be adjusted with a control valve 62.
  • the piston 38 is provided with three sealing rings 64. Because of the material and weight savings, the piston rod 42 is of tubular design with the outside diameter D 2 .
  • the following numerical exemplary embodiments show the different compressed air consumption of a conventional and an inventive working cylinder for the pneumatic drive of crust breakers in electrolysis cells. When considering these examples, it must be taken into account that the savings are repeated at short intervals and that several hundred working cylinders are in operation in an electrolysis hall for the production of aluminum.
  • the working cylinder has a diameter D 1 of 200 mm, the piston rod has a diameter D 2 of 50 mm, the stroke H is 500 mm and the network pressure p is 7 bar.
  • This working cylinder is operated according to conventional methods, ie without a closed circuit. All air emerging from the working cylinder is blown off.
  • a working cylinder with an inner diameter D 1 of 200 mm has a piston with a tubular piston rod with an outer diameter D 2 of 100 mm.
  • the stroke H is 500 mm, the reduced working pressure p red is 3.5 bar.
  • This working cylinder is installed in an electropneumatic drive system according to the invention. The cylinder is normally pushed by means of a closed circuit.
  • the previously calculated compressed air consumption relates to the cylinder dimensions and pressure ranges commonly used today in the compressed air network.

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Abstract

Das für Elektrolysezellen zur Herstellung von Aluminium verwendete Antriebssystem wird aus einem Druckluftnetz mit Kompressor und Druckluftspeicher gespeist. Es umfasst mindestens einen Arbeitszylinder (34) mit Kolben (38) und Kolbenstange (42), einen nach der Netzabzweigung eingebauten Schieber (14), Ventile (20, 24, 28), Druckluftleitungen (18, 22, 26, 30, 32, 48) und einen Mikroprosessor (16). Im normalen Arbeitszyklus während der Stossbewegung bildet der Arbeitszylinder (34) mit einem 5/2-Wegeventil (20), einem 3/2-Wegenventil (24) und entsprechenden Druckluftleitungen (48, 22, 32) einen Kreislauf, der über ein Druckluftreduzierventil (28) und dessen Druckluftleitung (30) gespeist wird. Durch kurzzeitige Umschaltung des 5/2-Wegeventils (20) kann Normaldruck eingeschaltet und die positive Kammer (46) des Arbeitszylinders (34) entlüftet werden, wodurch die Stosskraft des Systems stark erhöht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein aus einem Druckluftnetz mit Kompressor und Druckluftspeicher gespeistes elektropneumatisches Antriebssystem für Krustenbrechvorrichtungen von Aluminiumschmelzflusselektrolysezellen, welches aus mindestens einem Arbeitszylinder mit Kolben und Kolbenstange, einem nach der Netzabzweigung eingebauten Schieber, Ventilen, Druckluftleitungen und einem Mikroprozessor besteht. Weiter bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betrieb des elektropneumatischen Antriebssystems.
  • Für die Gewinnung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst, die zum grössten Teil aus Kryolith besteht. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem Kohleboden der Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen Aluminiums die Kathode bildet. In die Schmelze tauchen von oben Anoden ein, die bei konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff bestehen. An den Kohleanoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu C02 und CO verbindet. Die Elektrolyse findet in einem Temperaturbereich von etwa 940 - 970°C statt.
  • Im Laufe der Elektrolyse wird also das Aluminiumoxid bzw. die Tonerde im Elektrolyten verbraucht. Bei einer unteren Konzentration von etwa 1 - 2 Gew.-% Tonerde im Elektrolyten kommt es zum Anodeneffekt, der sich in einer Erhöhung der Spannung von beispielsweise 4 - 5 V auf 30 V und darüber auswirkt. Moderne Elektrolysezellen werden deshalb im Betrieb in Intervallen von wenigen Minuten bedient, auch wenn kein Anodeneffekt auftritt. Dabei ist wesentlich, dass stets ein entsprechender Krustendurchbruch offen ist, damit die Tonerde portionenweise in den Elektrolyten eingespeist werden kann. Bei modernen Elektrolysezellen sind daher stets Tonerdechargierungs- und Krustenbrechvorrichtung örtlich und funktionell miteinander kombiniert. Eine elektronische Prozesssteuerung löst im normalen Betrieb z. B. alle 2 - 5 Min. das Absenken und Hochheben des Brechmeissels der Krustenbrechvorrichtung aus, unmittelbar darauf oder vorher erfolgt die Tonerdechargierung. Bei einem Anodeneffekt wird die Frequenz stark erhöht.
  • Das Absenken des Brechmeissels bewirkt, dass allfällig in der Oeffnung erstarrtes Elektrolytmaterial nach unten gedrückt und im Schmelzfluss wieder aufgelöst wird.
  • Praktisch durchwegs wird der Brechmeissel der Krustenbrechvorrichtung pneumatisch angetrieben. Durch einen mechanisch oder pneumatisch betätigbaren Endschalter wird die Senkbewegung des Meissels beendet und dessen Rückkehr in die Ruhelage ausgelöst. Die Anzeige der Endstellung des Brechmeissels kann jedoch auch über eine Potentialmessung erfolgen, indem beim Eintauchen des Meissels in den Elektrolyten ein Stromkreis kurzgeschlossen wird.
  • In grossen Elektrolysehallen mit Hundert oder mehr Elektrolysezellen, die mit je mindestens einer Krusteneinschlagvorrichtung ausgerüstet sind, werden riesige Druckluftmengen verbraucht, was einen entscheidenden Kostenfaktor darstellt. Zwangsläufig ist dazu viel Energie notwendig.
  • Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, ein pneumatisches Antriebssystem für Krustenbrechvorrichtungen von Aluminiumschmelzflusselektrolysezellen und ein Verfahren zu dessen Betrieb zu schaffen, das mit wesentlich weniger Druckluft bzw. Energie die gleiche Leistung erbringt. Das pneumatische Antriebssystem soll von einem Druckluftnetz mit Druckluftspeicher gespeist werden und aus mindestens einem Arbeitszylinder mit Kolben und Kolbenstange, einem nach der Netzabzweigung eingebauten Schieber, Ventilen, Druckluftleitungen und einem Mikroprozessor zur Steuerung der Ventile bestehen.
  • In bezug auf die Vorrichtung wird die Aufgabe gelöst durch
    • - ein nach dem Schieber eingebautes 5/2-Wegeventil mit einem durch den Mikroprozessor über einen Anschluss steuerbaren Betätigungsorgan,
    • - ein über Druckluftleitungen parallel zum 5/2-Wegeventil eingebautes Druckreduzierventil,
    • - ein nach dem 5/2-Wegeventil bzw. dem Druckreduzierventil eingebautes 3/2-Wegeventil mit einem durch den Mikroprozessor über einen Anschluss steuerbaren Betätigungsorgan,
    • - einen Arbeitszylinder, der über entlüftbare Druckluftleitungen auf der Seite von dessen Zylinderkopf - der negativen Seite - mit dem 3/2-Wegeventil und auf der anderen, von der Kolbenstange durchgriffenen Seite - der positiven Seite - mit dem 5/2-Wegeventil verbunden ist,
    • - einen im Arbeitszylinder axial bewegbaren Kolben mit einer einen verhältnismässig grossen Aussendurchmesser aufweisenden Kolbenstange, die mit dem Brechmeissel für die Kruste verbunden ist, und
    • - eine das Ende der Stossbewegung des elektropneumatischen Antriebssystems anzeigende Vorrichtung, die über einen Anschluss mit dem Mikroprozessor verbunden ist,

    wobei der Arbeitszylinder im normalen Arbeitszyklus während der Stossbewegung mit dem 5/2-Wegeventil, dem 3/2-Wegeventil und den entsprechenden Druckleitungen einen über das Druckreduzierventil und dessen Druckluftleitung gespeisten Kreislauf bildet.
  • Dank des gebildeten Kreislaufs kann die bei der Stossbewegung aus dem Arbeitszylinder austretende Druckluft wieder verwendet werden. Sie wird auf der negativen Seite in den Arbeitszylinder eingespeist. Die Kolbenbewegung erfolgt, weil auf der positiven Seite die dem reduzierten Druck ausgesetzte Kolbenfläche um den Querschnitt der Kolbenstange kleiner ist als auf der negativen Seite.
  • Bei einer als Bedienungseinheit von Schmelzflusselektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium ausgebildeten Kombination von Tonerdechargier- und Krusteneinschlagvorrichtung kann die bei der Rückbewegung des Kolbens ausgeblasene Luft noch nutzbringend verwendet werden, wenn sie in den Bereich der Dosiervorrichtung, in den konischen Teil des Tagessilos,eingeblasen wird. Dadurch wird die im untersten Teil des Silos dem grössten statischen Druck ausgesetzte Tonerde fliessfähiger gemacht, ohne dass dafür besondere Energie aufgewendet werden muss.
  • Bei der Dimensionierung des Querschnitts der Kolbenstange bzw. von deren Aussendurchmesser müssen zwei Faktoren berücksichtigt werden:
    • - Je kleiner die Kolbenstange ausgebildet ist, desto geringer ist die auf den Kolben einwirkende Kraftdifferenz zwischen der negativen und der positiven Seite, d.h. desto geringer die Leistung des Kolbens.
    • - Der im allgemeinen vertikal oder nahezu vertikal angeordnete Arbeitszylinder von Krustenbrechvorrichtungen in Schmelzflusselektrolysezellen muss auch einen in der Krustenöffnung verklemmten Brechmeissel noch mit reduziertem Druck hochheben können. Deshalb darf der Aussendurchmesser der Kolbenstange nicht zu gross sein, auch wenn dies vom Wirkungsgrad her gesehen wünschenswert wäre.
  • Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, Kolbenstangen mit einem Aussendurchmesser, der 25 - 85 %, vorzugsweise 40 - 70 %, des Innendurchmessers des Arbeitszylinders beträgt, auszubilden.
  • Weil Kolbenstangen, entsprechend den obenstehenden Ausführungen, im allgemeinen einen verhältnismässig grossen Aussendurchmesser haben müssen, sind sie zweckmässig rohrförmig ausgebildet.
  • Die in Ruhestellung gebrachte Krustenbrechvorrichtung für Elektrolysezellen muss den Brechmeissel aus dem Bereich der Kohlenstoffanoden entfernt haben, damit beim Anodenwechsel oder anderen Arbeitsgängen an der Elektrolysezelle keine Beschädigungen entstehen. Dazu hat sich ein Hubbereich des Arbeitszylinders von 400 - 600 mm als vorteilhaft erwiesen.
  • Der aus wirtschaftlichen Gründen (Druckluftverbrauch, Materialverschleiss) im Normalbetrieb mit reduziertem Druck betriebene Druckluftkreislauf wird von einem Druckreduzierventil gespeist, das den Netzdruck um 35 - 75 %, vorzugsweise 45 - 55 % reduziert. Der Netzdruck liegt im allgemeinen bei 6 - 8 bar.
  • In der Praxis sind dieses Druckreduzierventil und die übrigen Ventile auf einer gemeinsamen Grundplatte, zweckmässig auf dem Zylinderkopf des Arbeitszylinders, angeordnet. Dieser liegt ausserhalb des heissen Bereichs der Zelle und ist von aussen leicht zugänglich.
  • In Ruhelage wird der Kolben des Arbeitszylinders auf der positiven Seite bevorzugt mit reduziertem Netzdruck beaufschlagt, während 'die negative Seite des Arbeitszylinders entlüftet ist. Der Kolben wird z. B. an einen Anschlag des Zylinderkopfs gedrückt. Für eine längerfristige Fixierung in der Ruhelage, insbesondere bei der Demontage der Krustenbrechvorrichtung, kann der Kolben mit einer Verriegelung arretiert werden.
  • Im praktischen Betrieb der Elektrolysezelle muss festgestellt werden können, ob der Brechmeissel die Kruste vollständig durchstossen hat oder nicht. Dazu wird z. B. im Innenraum des Arbeitszylinders ein mechanisch bzw. pneumatisch betätigbarer Endschalter angeordnet. Mittels eines elektrischen Stromkreises kann auch der Moment des Eintauchens des Meissels in den elektrisch leitfähigen, schmelzflüssigen Elektrolyten als Endposition angezeigt werden.
  • In bezug auf das Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Mikroprozessor in einem ersten einstellbaren Zeitintervall alternativ
    • - das in Ruhelage befindliche 3/2-Wegeventil, welches den zwischen dem Zylinderkopf und dem Kolben liegenden Innenraum des Arbeitszylinders über eine Druckluftleitung entlüftet, durch einen Ansteuerungsimpuls umsteuert, wodurch der geschlossene Kreislauf gebildet wird, sowie ggf. den Kolben entriegelt, und
    • - nach dem Erreichen der Endstellung den Ansteuerungsimpuls für das 3/2-Wegeveritil aufhebt, sowie ggf. den Kolben verriegelt.
  • Erreicht der Brechmeissel der Krustenbrechvorrichtung während eines zweiten einstellbaren Zeitintervalls die Endstellung nicht, so steuert der Mikroprozessor das 5/2-Wegeventil mit einem Ansteuerungsimpuls um. Dadurch wird das Druckreduzierventil ausgeschaltet und der von der Kolbenstange durchgriffene Innenraum des Arbeitszylinders, das positive Ende, wird über eine Druckluftleitung und das 5/2-Wegeventil entlüftet.
  • Das Nichterreichen der Endstellung durch den Meissel heisst, dass die Kruste nicht durchstossen wird -und deshalb die eingespeiste Tonerde nicht in den Schmelzfluss gelangt. Durch das Umschalten des 5/2-Wegeventils wird die auf den Meissel durch das pneumatische Antriebssystem ausgeübte Kraft um ein Mehrfaches erhöht:
    • - Der auf der negativen Seite des Arbeitszylinders auf den Kolben ausgeübte Druck wird vergrössert, damit auch die Kraft.
    • - Durch die Entlüftung der positiven Seite des Arbeitszylinders fällt der Gegendruck weg, wodurch die auf den Kolben ausgeübte Kraft nochmals erhöht wird.
  • Erreicht der Meissel trotz der Umschaltung die Endstellung nicht, so wird durch den Mikroprozessor kurzfristig hintereinander die Wiederholung der Schlagbewegung ausgelöst, bis die Kruste durchbrochen ist.
  • Zur höchstmöglichen Energieeinsparung kann die Steuerung durch den Mikroprozessor so eingestellt werden, dass nur im untersten Bereich der Stossbewegung, beispielsweise in den untersten 100 mm des Hubs, durch Umschaltung des 5/2-Wegeventils die volle Kraft ausgeübt wird. Bei kurzfristiger Wiederholung der Bewegung mit voller Schlagkraft wird der Meissel in diesem Fall nur in diesem untersten Hubbereich bewegt und entsprechend weniger Druckluft verbraucht.
  • Bei allen Schaltungsvarianten erfolgt die Rückbewegung zur negativen Seite des Zylinders stets mit reduziertem Druck. Für das elektropneumatische Antriebssystem beträgt der dem Speisenetz entnommene Druck üblicherweise 6 - 8 bar, der reduzierte Druck 3 - 4 bar. Das erste einstellbare Zeitintervall für den Normalbetrieb der Vorrichtung liegt im praktischen Elektrolysebetrieb zweckmässig im Bereich von 1 - 5 Min. Das zweite einstellbare Zeitintervall für die Auslösung des erhöhten Drucks beträgt das 0 - 3fache des ersten Zeitintervalls. Wenn der Brechmeissel die Endstellung (vollständig durchstossene Kruste) nicht erreicht, wird vorzugsweise sofort oder nach wenigen Sekunden auf volle Kraft umgeschaltet. Nach einer andern Variante kann vorerst in kürzeren Zeitabständen als das erste einstellbare Zeitintervall die Senkbewegung des Brechmeissels mit reduziertem Druck wiederholt und erst dann auf volle Kraft umgeschaltet werden.
  • Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, einen geschlossenen Kreislauf, gebildet aus dem Arbeitszylinder, dem 5/2-Wegeventil, dem 3/2-Wegeventil und den entsprechenden Druckluftleitungen, einzusetzen, der nicht vom Druckreduzierventil, sondern direkt vom Abzweiger des Speisenetzes gespeist wird. Dadurch kann die Stosskraft des Antriebssystems entsprechend erhöht werden. Die maximal mögliche Kraft kann man aber erst erreichen, wenn nicht nur das Druckreduzierventil ausgeschaltet, sondern zusätzlich die positive Seite des Arbeitszylinders entlüftet wird. Selbstverständlich ist in diesen Fällen auch der Druckluftverbrauch entsprechend grösser.
  • Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch
    • - Fig. 1 eine Uebersichtsskizze der elektropneumatischen Steuerung für Arbeitszylinder für Krustenbrechvorrichtungen von Schmelzflusselektrolysezellen zur Herstellung von Aluminium
    • - Fig. 2 einen Schnitt durch den negativen Teil des Arbeitszylinders.
  • Aus einem in Industriebetrieben üblichen Druckluftspeisenetz 10 führt eine Rohrabzweigung 12 zu einem Schieber 14, der zweckmässig manuell betätigbar ist. Das Druckluftspeisenetz 10 wird von einem Kompressor betrieben und ist durch einen Druckluftspeicher stabilisiert.
  • Vom Schieber 14 führt eine Druckluftleitung 18 zum 5/2-Wegeventil 20. Die aus dem 5/2-Wegeventil austretende Druckluftleitung 22 führt zum 3/2-Wegeventil 24.
  • Von der Druckluftleitung 18 zweigt eine Druckluftleitung 26 ab und führt zum Druckreduzierventil 28. Der reduzierte Druck wird über die Druckluftleitung 30 in die Druckluftleitung 22 eingespeist. Die Druckluftleitungen 26 und 30 und das Druckreduzierventil 28 bilden also einen By-Pass zum 5/2-Wegeventil.
  • Vom 3/2-Wegeventil 24 führt eine Druckluftleitung 32 zur negativen Seite des Arbeitszylinders 34, mit anderen Worten zum zwischen dem Zylinderkopf 36 und dem Kolben 38 gebildeten Hohlraum 40. Der Arbeitszylinder 34 hat einen inneren Durchmesser Dl, die darin mit einem Hub H axial bewegliche Kolbenstange 42 hat einen Aussendurchmesser D2.
  • Der von der Innenseite des Arbeitszylinders 34, der Kolbenstange 42, den Kolben 38 und den Zylinderfuss 44 begrenzte Innenraum 46 wird als positive Seite des Arbeitszylinders bezeichnet. Dieser Innenraum 46 ist über eine Druckluftleitung 48 mit dem 5/2-Wegeventil 20 verbunden.
  • In Ruhelage des pneumatischen Antriebssystems ist der Innenraum 40 über die Druckluftleitung 32 und das 3/2-Wegeventil 24 über einen Stutzen 50 entlüftet, während der Innenraum 46 unter reduziertem Druck gehalten wird.
  • Zu Beginn der Arbeitsphase steuert der Mikroprozessor 16 das 3/2-Wegeventil 24 über den Anschluss A und ein Betätigungsorgan 68 um, der auf der negativen Seite des Arbeitszylinders 34 liegende Innenraum 40 wird unter reduzierten Druck gesetzt. Muss die Stosskraft des Arbeitszylinders 34 kurzzeitig erhöht werden, so
    • - steuert der Mikroprozessor 16 das 5/2-Wegeventil 20 über den Anschluss B und ein Betätigungsorgan 66 um, das Druckreduzierventil 28 wird geschlossen, und/oder
    • - der Innenraum 46 wird über die Druckluftleitung 48, das 5/2-Wegeventil 20 und den Stutzen 52 entlüftet, wodurch kein Druckluftkreislauf mehr gebildet wird.
  • Fig. 2 zeigt den oberen Bereich des Arbeitszylinders 34, in welchem der Kolben 38 axial verschiebbar ist. Der Zylinderkopf 36 ist auf ein Rohr mit dem Innendurchmesser D1 dichtend aufgesetzt. Im Zylinderkopf 36 ist die Entlüftung 32 ausgespart. Der mit einem Dichtungsring 54 versehene zylinderförmige Kolbenaufsatz 56 passt in eine entsprechend ausgeformte Ausnehmung 58 im Zylinderkopf 36. Von dieser Aussparung 58 führt ein Entlüftungskanal 60 nach aussen, wobei dessen Austrittsöffnung mit einem Regelventil 62 eingestellt werden kann.
  • Der Kolben 38 ist mit drei Dichtungsringen 64 versehen. Wegen Material- und Gewichtseinsparung ist die Kolbenstange 42 mit dem Aussendurchmesser D2 rohrförmig ausgebildet.
  • Die nachfolgenden numerischen Ausführungsbeispiele zeigen den unterschiedlichen Druckluftverbrauch eines üblichen und eines erfindungsgemässen Arbeitszylinders für den pneumatischen Antrieb von Krustenbrechern in Elektrolysezellen. Bei der Betrachtung dieser Beispiele muss berücksichtigt werden, dass die Einsparung in kurzen Intervallen wiederholt wird, und dass in einer Elektrolysehalle zur Herstellung von Aluminium mehrere Hundert Arbeitszylinder in Betrieb sind.
    • Beispiel 1
  • Der Arbeitszylinder hat einen Durchmesser D1 von 200 mm, die Kolbenstange einen Durchmesser D2 von 50 mm, der Hub H beträgt 500 mm und der Netzdruck p 7 bar. Dieser Arbeitszylinder wird nach bisher üblichen Verfahren betrieben, d.h. ohne geschlossenen Kreislauf. Alle aus dem Arbeitszylinder austretende Luft wird abgeblasen.
    • Luftverbrauch für eine Abwärtsbewegung
  • Figure imgb0001
    • Luftverbrauch für eine Aufwärtsbewegung
  • Figure imgb0002
  • Für eine Ab- und eine Aufwärtsbewegung werden also verbraucht: 425,8 dm3.
    • Beispiel 2
  • Ein Arbeitszylinder mit einem Innendurchmesser D1 von 200 mm hat einen Kolben mit rohrförmig ausgebildeter Kolbenstange mit einem Aussendurchmesser D2 von 100 mm. Der Hub H beträgt 500 mm, der reduzierte Arbeitsdruck pred 3,5 bar. Dieser Arbeitszylinder ist in ein erfindungsgemässes elektropneumatisches Antriebssystem eingebaut. Die Stossbewegung des Zylinders erfolgt im Normalfall mittels eines geschlossenen Kreislaufs.
    • Luftverbrauch bei einer Abwärtsbewegung
  • - Befüllen der negativen Seite unter Wiederverwendung der Abluft aus dem plusseitigen Innenraum:
    Figure imgb0003
    • Luftverbrauch für eine Aufwärtsbewegung
  • Figure imgb0004
    • Total für eine Ab- und eine Aufwärtsbewegung: 109,9 dm3
  • Der Druckluft- bzw. Energieverbrauch sinkt damit im Vergleich zur bisherigen Praxis auf 26 %. Diese Einsparung tritt bei einer normalen Zellenbedienung ein. Durch kurzzeitig erhöhte Kraft sinkt die Einsparung.
  • Die vorgängig berechneten Druckluftverbräuche beziehen sich auf heute grössenordnungsmässig üblicherweise verwendete Zylinderabmessungen und Druckbereiche im Druckluftnetz.
  • In einer Hütte zur Herstellung von Aluminium mit 200 Elektrolysezellen, die je mit 6 Krustenbrechvorrichtungen ausgerüstet sind, beträgt die Drucklufteinsparung pro Tag bei 3-minütigen Bedienungsintervallen und mit einem reduziertem Druck von 3,5 bar:
    Figure imgb0005

Claims (14)

1. Aus einem Druckluftnetz mit Kompressor und Druckluftspeicher gespeistes elektropneumatisches Antriebssystem für Krustenbrechvorrichtungen von Aluminiumschmelzflusselektrolysezellen, welches aus mindestens einem Arbeitszylinder mit Kolben und Kolbenstange, einem nach der Netzabzweigung eingebauten Schieber, Ventilen, Druckluftleitungen und einem Mikroprozessor besteht, gekennzeichnet durch
- ein nach dem Schieber (14) eingebautes 5/2-Wegeventil (20) mit einem durch den Mikroprozessor (16) über einen Anschluss (B) steuerbaren Betätigungsorgan (66),
- ein über Druckluftleitungen (26,30) parallel zum 5/2 Wegeventil (20) eingebautes Druckreduzierventil (28),
- ein nach dem 5/2-Wegeventil (20) bzw. dem Druckreduzierventil (28) eingebautes 3/2-Wegeventil (24) mit einem durch den Mikroprozessor (16) über einen Anschluss (A) steuerbaren Betätigungsorgan (68),
- einen Arbeitszylinder (34), der über entlüftbare Druckluftleitungen (32, 48), auf der Seite von dessen Zylinderkopf (36) - der negativen Seite - mit dem 3/2-Wegeventil (24) und auf der anderen, von der Kolbenstange (42) durchgriffenen Seite - der positiven Seite - mit dem 5/2-Wegeventil (20) verbunden ist,
- einen im Arbeitszylinder (34) axial bewegbaren Kolben (38) mit einer einen verhältnismässig grossen Aussendurchmesser (D2) aufweisenden Kolbenstange (42), die mit dem Brechmeissel für die Kruste verbunden ist, und
- eine das Ende der Stossbewegung des elektropneumatischen Antriebssystems anzeigende Vorrichtung, die über einen Anschluss (C) mit dem Mikroprozessor (16) verbunden ist,

wobei der Arbeitszylinder (34) im normalen Arbeitszyklus während der Stossbewegung mit dem 5/2-Wegeventil (20), dem 3/2-Wegeventil (24) und den entsprechenden Druckluftleitungen (48,22,32) einen über Druckreduzierventil (28) und dessen Druckluftleitung (30) gespeisten Kreislauf bildet.
2. Elektropneumatisches Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsstutzen (50,52) des 5/2-Wegeventils (20) und/oder des 3/2-Wegeventils (24) verlängert sind und im Bereich der Dosiervorrichtung in den konischen Bereich von Tonerdesilos auf der Schmelzflusselektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium münden.
3. Elektropneumatisches Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussendurchmesser (D2) der Kolbenstange (42) 25 - 85 %, vorzugsweise 40 - 70 %, des Innendurchmessers (D1) des Arbeitszylinders (34), und der Hub (H) 400 - 600 mm beträgt.
4. Elektropneumatisches Antriebssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (42) rohrförmig ausgebildet ist.
5. Elektropneumatisches Antriebssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckreduzierventil (28) für eine Reduktion des pneumatischen Druckes von 35 - 75 %, vorzugsweise 45 - 55 %, ausgestaltet ist.
6. Elektropneumatisches Antriebssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile wenigstens teilweise auf einer gemeinsamen Grundplatte, vorzugweise auf dem Kopf (36) des Arbeitszylinders (34) angeordnet sind.
7. Elektropneumatisches Antriebssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (38) in Ruhelage durch eine im Arbeitszylinder (34) angeordnete Verriegelung arretiert ist.
8. Elektropneumatisches Antriebssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Anzeige der beendigten Stossbewegung im Innenraum (46) des Arbeitszylinders (34) ein mechanisch bzw. pneumatisch betätigbarer Endschalter oder ein im Moment des Eintauchens des Brechmeissels in den Schmelzfluss geschlossener elektrischer Stromkreis mit üblichen Messgeräten ist.
9. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Mikroprozessor in einem ersten einstellbaren Zeitintervall alternativ
- das in Ruhelage befindliche 3/2-Wegeventil (24) welches den zwischen dem Zylinderkopf (36) und dem Kolben (38) liegenden Innenraum (40) des Arbeitszylinders (34) über eine Druckluftleitung (32) entlüftet, durch einen Ansteuerungsimpuls umsteuert, wodurch der geschlossene Kreislauf gebildet wird, sowie ggf. den Kolben (38) entriegelt, und
- nach dem Erreichen der Endstellung den Ansteuerungsimpuls für das 3/2-Wegeventil (24) aufhebt sowie ggf. den Kolben verriegelt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Nichterreichen der Endstellung während eines zweiten einstellbaren Zeitintervalls der Mikroprozessor das 5/2-Wegeventil (20) mit einem Ansteuerungsimpuls umsteuert, wodurch das Druckreduzierventil (28) ausgeschaltet und der von der Kolbenstange (42) durchgriffene Innenraum (46) des Arbeitszylinders (34) über eine Druckluftleitung (48) und das 5/2-Wegeventil (20) entlüftet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Speisenetzes 6 - 8 bar, der reduzierte Druck 3 - 4 bar, das erste einstellbare Zeitintervall bei 0,5 - 5 Min. und/oder das zweite einstellbare Zeitintervall das 0 - 3fache des ersten einstellbaren Zeitintervalls beträgt.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Nichterreichen der Endstellung die Umschaltung des 5/2-Wegeventils (20) kurzfristig wiederholt wird, bis der Durchbruch erfolgt.
13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kolben (38) durch Umschalten des 5/2-Wegeventils (20) nur im untersten Hubbereich, vorzugsweise den untersten 100 mm, bewegt.
14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stossbewegung des Antriebssystems mit einem geschlossenen Kreislauf, gebildet aus dem Arbeitszylinder (34), einem 5/2-Wegeventil (20), einem 3/2-Wegeventil (24) und den entsprechenden Druckluftleitungen (48,22,32), ausgeführt wird.
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