NO20141289A1 - Fremgangsmåte og utstyr for prosessering av karbon legemer - Google Patents

Description

Frem<g>an<g>småta og utstyr for prosessering av karbonle<g>emer

Den foreliggende oppfinnelse relateres til en fremgangsmåte og et utstyr for bearbeiding av karbonlegemer. Mer spesifikt så angår oppfinnelsen bearbeiding av spor eller uttagninger i kalsinerte karbonlegemer.

I aluminiumsetektror/se ved den såkalte Hall-Håroult metoden med forbakte anoder, tildannes gassbobler ved anodenes sliteflater (i hovedsak ved undersiden).

Tilstedeværelsen av et gass-skikt medfører at den elektriske resistans mot badet øker, og en får et redusert strømutbytte. I samsvar med kjent teknikk er det foreslått løsninger som innebærer at kanaler eller spor er tildannet i anodenes sliteflater, for å drenere bort gassen og lede den ut av badet og samle den opp i et avgass-system. Videre er det kjent å tildanne langsgående spor i katodekull, for å kunne bygge inn elektrisk ledende katodestaver.

Spor i karbonlegemer kan fonnes eller for-formes idet legemene er i en grønn tilstand, dvs. før kalsinering eller baking. En ulempe med dette er at sporenes geometri kan endres under håndtering og baking på grunn av siging eller ytre mekanisk påkjenning. Slik for-forming kan resultere i tetthetsgradienter i anoden samt vrak i prosessen. Det kan derfor være et behov for å bearbeide (kalibrere) sporene slik at disse har en riktig geometri.

Videre er det kjent en fremgangsmåte og en anordning for tildannelse av spor i kalsinerte karbonlegemer ved benyttelse av et roterende bearbeidingsverktøy, se søkerens egen publikasjon WO2006/019304A1. Verktøyet har skjærkanter som kan være tildannet av polykrystallinsk diamant (PCD).

Setv om det roterende bearbeidingsverktøyet som er vist i WO2006/019304A1 har oppvist god stabilitet og slitasjestyrke, så har verktøyet noen begrensninger med hensyn til bearbeidingsdybe, spesielt ved bearbeiding av smale spor. I publikasjonen nevnes bearbeiding av spor i vertikalplanet i anoden hvor bredden er omtrent 1 cm eller mer. Videre, sporene kan være dype nok til å vare ut levetiden til anoden, og en bearbeidingsdybde på omtrent 35 cm nevnes.

Et problem ved bearbeiding av kalsinerte karbon elektroder er at bruk av væske for kjøling/smøring av verktøyet under bearbeidingen må unngås da fukt i elektrodene kan medføre store ulemper for elektrolysen. Videre er kalsinert karbonmateriale relativt porøst, slik at dersom vasske benyttes må elektrodene underlegges en omfattende rense-/tørkeprosess. Disse ulemper medfører at man ønsker å utføre bearbeidingen uten tilstedeværelse av8kjære-/kjølevæske, hvilket øker belastningen på bearbeidingsverktøyet. Teoretisk kan man tenke seg at man bearbeider karbonlegemene umiddelbart etter at de er kalsinert i en brennovn, slik at restvarmen benyttes til tørking av eventuell væske som er påført legemene, men et slikt bearbeidingsfortøp vil samtidig kunne medføre øket termisk belastning på verktøyet og karbonlegemene.

Videre er det en trend hos aluminiumsprodusentene i retning av å benytte større anoder i elektroryseprossessen som er større bade i fotavtrykk og høyde. Det er også et økende fokus på å produsere anoder med både dypere og smalere spor. Bearbeidingsdybder som overskrider 35 cm har blitt etterspurt, og i fremtiden er det forventet å være 45 cm eller mer.

Begrensninger ved tilgjengelig utstyr med hensyn til denne trenden ligger primært i selve bearbeidingsverktøyet. Ved prosessering av spor smalere enn 10 mm, for eksempel mindre enn 8 mm, vil den sirkulære skiven som utgjør den strukturelle basiskomponenten av verktøyet bli ustabil og starte å vibrere eller få en bølgeliknende form som følge av fleksjon dannet av krefter som overføres mellom skivens sentrale område som drives og bearbeidingen som skjærene utfører ved skivens periferi.

Foreliggende oppfinnelse angar en fremgangsmåte og et utstyr som tillater effektiv, presis bearbeiding av dype, smale spor i kalsinerte karbonlegemer, samtidig som den er veldig holdbar og vedlikeholdavennllg.

De ovenstående og andre fordeler kan oppnås med oppfinnelsen som definert i de vedføyde krav.

I det etterfølgende vil oppfinnelsen bli ytterligere beskrevet ved hjelp av figurer og eksempler hvor

Fig. 1 viser, sett fra en side, en første utførelse et utstyr for bearbeiding av kalsinerte

karbonlegemer i samsvar med den foreliggende oppfinnelse.

Fig. 2 viser det samme som i Fig. 1, sett inn fra høyre ende,

Fig. 3 viser, sett fra en side, en andre utførelse av et utstyr for bearbeiding av kalsinerte

karbonlegemer i samsvar med den foreliggende oppfinnelse.

Fig. 4 viser, sett ovenfra, det samme som i Fig. 3 hvor det kalsinerte karbonlegemet er

fjernet,

Fig. 5 viser det samme som i Fig. 3, sett inn fra høyre ende.

Figur 1 viser i en første utførelse et bearbeidingsverktøy 1 som utgjøres av en sirkulær skive med et boss for montering på en spindel i en maskineirngsenhet eller bearbeidingsmaskin. Monteringshull 3 tillater bearbeidingsverktøyet å samvirke med boker eller fremspring på en flens tilhørende spindelen (ikke vist). Bearbeidingsmaskinen kan være av kjent type som tillater bearbeidingsverktøyet å rotere og føres lineært langs en bane som tilsvarer lengden og dybden av sporet som skal tildannes. Maskinen kan ha tilleggsutrustning for å håndtere og fastholde legemet som skal bearbeides (ikke vist). Slike maskiner er tilgjengelige i en rekke utførelser som fagmannen er kjent med, og vil derfor ikke bli nærmere omtalt her. I en alternativ utførelse kan spindelen vere stasjonær mens legemet som skal bearbeides beveges relativt denne.

Bearbeidingsverktøyet 1 har også et sentralt ringformet parti 4, som rager ut fra bosset til et ytre perifert parti 5. Bade det sentrale ringform ete parti 4 og det ytre periferiske parti 5 kan omfatte slisser 6 eller hull for bedre stabilitet, Uant annet i forhold til termiske påkjenninger. Mer spesielt så er det ytre periferiske parti 5 forsynt med slisser 6 som kan sikre at termisk utvidelse i dette området ikke vil påvirke flatheten av bearbeidingsverktøyet. Videre vil slissene sikre en viss fjæring eller demping av slag som kan oppstå i tangentiell retning av bladet under bearbeidingsprosessen. Som også figuren viser så er bearbeidingsverktøyet i inngrep med et spor 8 i en anode 9. Som indikert ved pil A, så beveges anoden fra venstre mot høyre, mens bearbeidingsverktøyet roterer med klokken som indikert ved pilen B. I denne utførelsen er aRså bearbeidingen gjort slik at bladet roterer i tilsvarende samme retning som legemet beveger seg (dimb milling principle).

Bearbeidingsverktøyet er utrustet med et føringselement 10 i området hvor det entrer den kalsinerte anode. Føringselementet i denne utførelsen omfatter to dyser som tillater at luft kan blåses inn mot begge sider av bearbeidingsverktøyet i dette omradet. Noen flere detaljer ved dette utstyret vises i Figur 2 hvor en anode 9 har to spor 8. For enkelhets skyld er det kun vist ett bearbeidingsverktøy 1 med føringselement 10.

En annen utførelse av føringselementet er å anvende en sirkulær skive på hver side av bearbeidingsverktøyet (ikke vist). Disse skivene er perforerte med et antall hull gjennom hvilke luft blåses. Klaringen mellom verktøyet og skivene er vanligvis veldig liten. Dersom det plane bearbeidingsverktøyet utsettes for krefter som bringer det over i en ikke-plan form, for eksempel en bølgeform eller i tverretningen på en eller annen måte, så vil klaringen mellom verktøyet og skiven på 'reaksjonssiden' bli redusert eller bli null og lufttrykket mellom verktøyet og skiven vil øke, noe som vil tvinge verktøyet til å bli holdt innenfor akseptable grenser med hensyn til skjevstilling i tverretningen. Denne type føringseiementer vil også bidra til en viss kjøling av bearbeidingsverktøyet, som følge av den anvendte trykkluft.

I en annen utførelse kan føringselementet ha en avlang form i stedet for en sirkulær. For eksempel, kan det være 'C-formet og følge kurvaturen til

periferien av verktøyet, samt være arrangert i en viss radiell avstand fra periferien.

Figur 3 viser en andre utførelse av oppfinnelsen hvor et bearbeidingsverktøy 101 som utgjøres av en sirkulær skive har et boss 102 for montering pa en spindel i en maskineirngsenhet eller bearbeidingsmaskin. Monteringshull 103 tillater at bearbeidingsverktøyet kan samvirke med bolter eller fremspring på en flens på spindelen (ikke vist).

Bearbeidingsverktøyet 101 har også et sentralt ringformet parti 104 som rager fra bosset 102 til et ytre perifert parti 105. Som ved den foregående utførelsen, så kan både det sentrale ringformeta parti 104 og det ytre perifere parti 105 omfatte slisser 106 eller hull for bedre stabilitet, blant annet i relasjon til termiske påkjenninger. Mer spesielt er det ytre perifere parti 105 utstyrt med slisser 106 som sikrer at termisk ekspansjon i dette området ikke påvirker pianheten til bearbeidingsverktøyet.

Videre så vil slissene sikre en viss grad av fjæring eller demping a slag som kan oppstå i en tangentiell retning av bladet under bearbeidingsprosessen. En skjærkant er indikert ved 114. Som i det foregående eksempelet, så er bearbeidingsverktøyet i inngrep med et spor 108 i en anode 109. Som indikert ved pilen A så beveges anoden fra venstre mot høyre, mens bearbeidingsverktøyet roterer med klokken som angitt ved pilen B.

I denne utførelsen er altså bearbeidingen gjort slik at bladet roterer samme retning som legemet beveger seg (climb milling principle).

Bearbeidingsverktøyet 101 er utstyrt med et føringselement 110 i området hvor det entrer den kalsinerte anode. Føringselementet omfatter i prinsippet to føringsruller (bare ån vist) som er anbrakt nært inntil hver side av bearbeidingsverktøyet i dette området. Disse rullene vil underbygge stabilitet og sideveis innretting av bearbeidingsverktøyet i situasjoner så som omfattende slitasje på skjærene, sviktene avstøtting av spindelen, feil ved utstyret som beveger legemet som skal prosesseres, høy temperatur i bearbeidingsverktøyet, etc. I en utførelse kan føringsrullene ligge an mot sidene av bearbeidingsverktøyet, for eksempel på en fjærende måte (ikke vist). Føringsrullene 120 holdes av en støtte 111 som er forankret til et underlag 112.

Ytterligere detaljer ved føringsrullene er vist i Fig. 4 hvor to sett av føringsruller 120, 120'; 121, 121' kan sea ovenfra og hvor den kalsinerte anoden 108 er fjernet. Tilsvarende er det vist to bearbeidingsverktøy 101, 101'. Føringsrullene holdes av støtter 111, 111' tilordnet respektive underlag 112,112', se også Fig. 5. Støttene 111,111' er innbyrdes forbundet med en traversbjelke 113.

I Figur 5 er det vist det samme utstyr som i Flg. 3, sett fra høyre ende, hvor anoden 109 har to spor 106, 108' formet ved hjelp av to bearbeidingsverktøy 101, 101'. På et nivå under anoden 109 er det anbrakt føirngsruller120,120';121,121'.

I denne utførelsen er føringselementer anbrakt nær sektoren hvor bearbeidingsverktøyet entrer anoden og sporingen er initiert i samsvar med at bladet roterer samme retning som legemet beveger seg (dimb milling principle), men føringselementer kan også anbringes på motsatt side av bearbeidingsverktøyet, og på det samme horisontale nivå som de som her vises.

Dette kan være fordelaktig i det tilfelle rotasjonen av bearbeidingsverktøyet er motsatt retningen anoden beveges i, men kan også tjene til å gi ytterligere stabilitet av bearbeidingsverktøyet.

Det skal forstås at bearbeidingsverktøyet kan være av samme type som beskrevet i WO20067019304A1 med skjærkanter eller skjær av por/krystallinsk diamant (PCD). Men det kan lages med vesentlig større diameter og vesentlig mindre bredde, grunnet det nærværende utstyr. I det tilfellet kan innfestingen av skjærene gjøres på en måte som er mindre plasskrevende i tverretningen.

Andre keramer, kompositter eller legeringer med tilsvarende holdbarhet og egnethet for bearbeiding av kalsinert karbon materiale kan også benyttes.

Skjasrkantene kan monteres i skjærkartrholdere basert på forskjellige teknikker som liming, sveiselodding, lodding, mekanisk innfesting, etc. Skjærementene kan monteres slik at kutteflaten er anbrakt med en vinkel på 10<*>til radiusen av bearbeidingsverktøyet på dette sted. Andre vinkler kan også benyttes. Det er gunstig at vinkelen er i størrelsesorden 5-15<*>. Testar og eksperimenter som er utført viser at god skjæring av spon og lav slitasje pA verktøyet kan oppnås når hastigheten til skjærkantene relativt karbonlegemet er i omradet 100 - 300 meter pr. minutt (m/min ). Den spesielt foretrukne hastigheten er i størrelsesorden 200 m/min.

Skjærenes hastighet vil blant annet bero på det aktuelle karbontogemets sammensetning og kalsineringsgrad. Størrelse pa partikler, reseptens innhold av antrasitt, koks, bak, bindemiddel etc. vil også kunne ha stor betydning for bestemmelse av optimal skjærehastiahet. Videre vil også de statiske krefter som påtrykkes bearbeidingsverktøyet relativt karbonlegemet samt avvirket spons størrelse og form influere hvordan optimal skjærhastighet skal fastsettes.

Videre skal det nevnes at flere parallelle spor kan tilordnes samtidig i karbonlegemet ved at to aller flere bearbeidingsverktøy benyttes samtidig mot legemet, som delvis vist i Fig. 5, for eksempel ved at de er anordnet pé samme aksel med en viss aksial avstand.

Selve maskineringsenheten kan være innkapslet for A beskytte omgivelsene mot støy og støv, samt omfatte et avsug.

Det skal videre forstas at med foreliggende oppfinnelse kan ogsA andre fonner for bearbeiding av karbonlegemer enn Utdannelse av spor utføres. Eksempelvis kan verktøyet benyttes for kalibrering/fjerning av grader av karbonlegemers ytre geometri. Verktøyet kan da anordnes slik at det kan beveges i alle tre retninger i rommet, det vil si at det i tillegg til A fremføres langs en lineær bane og nedad også kan beveges sideveis.

Videre kan det være aktuelt A tildanne svalehale-formede eller underskame spor med bearbeidingsverktøyet Verktøyet rna da tillates A kunne rotere og fremføres om en akse som er skrastillet i forhold til det karbonlegemet som skal bearbeides.

Det skal forstas at bearbeidingen av karbonlegemet kan begrenses av dreiemomentet som er nødvendig for den aktuelle oppgave. I forbindelse bearbeiding av dypere og muligens smalere spor kan det bli nødvendig A foreta prosesseringen i to eller flere trinn.

Claims (17)

1. Framgangsmåte for å bearbeide kalsinerte karbonlegemer så som anoder eller katoder for benyttelse i forbindelse med elektrolytisk produksjon av aluminium, hvor karbonlegemene er bearbeidet ved hjelp av et roterende bearbeidingsverktøy (1) montert på en spindel, idet bearbeidingsverktøyet omfatter en skive med skjærkanter (12) ved sin ytre periferi som er laget av et materiale med holdbarhet og egnethet for bearbeiding av kalsinert karbonmateriale, idet nevnte bearbeidingsverktøy benyttes for å tildanne spor i nevnte karbonlegemer, karakterisert vedat under bearbeiding begrenses sideveis skjevstilting av bearbeidingsverktøyet (1) ved et føringselement (10, 110) som er i stand til å opprettholde reaksjonskrefter mot bearbeidingsverktøyets (1) begge sider.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert vedat reaksjonskreftene tilter med tiltakende skjevstilling av bearbeidingsverktøyet (1).

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert vedat føringselementet (10) blåser trykksatt luft mot hver side av bearbeidingsverktøyet (1) via perforerte skiver eller via dyser.

4. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert vedat føringselementet (110) styrer bearbeidingsverktøyet (1) ved hjelp av ruller (120,120") anbrakt på hver side av bearbeidingsverktøyet (1).

5. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert vedat føringselementet (10,110) er anbrakt nær sektoren hvor bearbeidingsverktøyet (1) entrer karbonlegemet.

6. Fremgangsmåte I samsvar med krav 1, karakterisert vedat skjærkantone (12,114) beveges med en hastighet større enn 100 m/min. og mindre enn 300 m/min. relativt karbonlegemet.

7. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert vedat sporene bearbeides til en dybde større enn 35 cm og smalere enn 8 mm.

6. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert vedat bearbeidingen gjøres ved at bearbeidingsverktøyet har en rotasjonsretning som tilsvarer retningen karbonlegemet beveges i (climb milling principle).

9. Utstyr for å bearbeide kalsinerte karbonlegemer så som anoder eller katoder for benyttelse i forbindelse med elektrolytisk produksjon av aluminium, hvor karbonlegemene er bearbeidet ved hjelp av et roterende bearbeidingsverktøy (1) som er montert på en spindel, og videre omfattende en hovedsakelig sirkulær skive med skjærkanter (12, 12') anordnet ved sin periferi, idet skjærkantone er laget av et materiale med holdbarhet og egnethet for bearbeiding av kalsinert karbonmateriale og videre for innrettet for å tildanne spor i nevnte karbonlegemer,karakterisert vedat utstyret videre omfatter et føringselement (10, 110) som styrer hver side av bearbeidingsverktøyet (1) med hensyn til sideveis skjevstilling.

10. Utstyr i samsvar med krav 9, karakterisert vedat føringselementet (10,110) er anbrakt nær sektoren hvor bearbeidingsverktøyet entrer karbonlegemet.

11. Utstyr i samsvar med krav 9, karakterisert vedat føringselementet (10) omfatter perforerte skiver eller dyser som blåser trykksatt luft mot hver side av bearbeidingsverktøyet (1)

12. Utstyr I samsvar med krav 9, karakterisert vedat føringselementet (110) omfatter ruller (120,120*).;

13. Utstyr i samsvar med krav 9, karakterisert vedat bearbeidingsverktøyet» skjærkanter (12,12') er montert i skjærkantholdere (7,7').;

14. Utstyr i samsvar med krav 9, karakterisert vedat skjærkantholderene (7,7') er montert vekselvist pa hver side av skiven.;

15. Utstyr i samsvar med krav 8, karakterisert vedat skjærkantene (12,12') er laget av polykrystallinsk diamant (PCD).;

16. Utstyr i samsvar med krav 9, karakterisert vedat skjærkantenes skjæreflater er beliggende med en vinkel som i størrelsesorden utgjør 5-15<*>i forhold til bearbeidingsverktøyets radius.

17. Utstyr i samsvar med krav 9, karakterisert vedat to eller flere bearbeidingsverktøy er montert aksialt forskjøvet på samme aksel for samtidig tildannelse av to eller flere spor.