CN110168143A - 通过分离等离子体切割进行电解质结壳破裂的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铝生产领域，更具体地说，涉及在任何类型的电解槽中使电解质结壳破裂的方法。根据在铝生产用电解槽中通过分割使电解质结壳破裂的本发明方法，通过用热等离子体射流热能的高速高温的集中流将结壳物质热熔来切割和破裂结壳，为此产生定向热等离子体射流并使其沿预定路径在电解质结壳上移动，从热等离子体射流冲击的区域连续地除去形成的熔融材料，从而在电解质结壳中以热等离子体射流形成狭缝，其中，所述狭缝足以进行结壳连续分割和破裂。解决上述问题的技术效果在于：减少破裂的电解质结壳的量，避免在破裂过程中形成电解质结壳片，从而减少加热由用于形成电解质结壳的氧化铝和粉碎电解质的混合物组成的覆盖材料的能耗。

Description

通过分离等离子体切割进行电解质结壳破裂的方法和装置

本发明涉及由熔盐生产铝，更具体地说，涉及使用热等离子体的定向射流使所有类型的电解槽中的电解质结壳破裂的方法。

在通过电解冰晶石-氧化铝熔体由熔盐生产铝时，在“边缘-阳极”空间中的熔体表面上形成固体结壳，并且根据工艺要求，该结壳需要被定期破裂。电解质结壳破裂是铝生产用电解槽的技术处理循环的主要操作之一。有很多设计用于使电解质结壳破裂的装置，通过它们对电解质结壳的作用，可以分为冲击、振动和推动装置；通过它们能够进行作用的方式，它们可以分为气动、电气装置和具有内燃机的装置。

基于电解槽类型选择装置结构；然而，在绝大多数情况下，机器都配备有冲击机构。

已知一种用于在原铝的电解生产中使电解质结壳破裂的方法，其包括：通过在垂直方向上循环移动的至少一个破裂器来使结壳破裂，每个破裂器固定到具有工作室和活塞杆侧室的气缸的活塞杆上，其中当破裂器执行工作冲程时结壳被破裂，该工作冲程由从压力管线供应进入气缸工作室的压缩空气而驱动，压力管线同时通过排气管连接活塞杆侧室，然后破裂器通过从压力管线供应到活塞杆侧室的压缩空气返回到其初始位置，压力管线同时通过排气管连接工作室，其中来自压力管线的压缩空气以较低的流速供给至气缸的工作室和活塞杆侧室，该流速低于从这些腔室排出空气进入排气管线期间的流速，其中所述流速之间的比率是根据破裂器的足够动能和所需能量效率的条件来选择的(RU专利申请No 2002110742，C25C 3/06，2003年12月20日公布)。

该方法的缺点包括其实施方面的挑战，电解槽上的不可移动的布置，以及因此结壳仅在其安装点处破裂的风险。

已知一种用于使电解质结壳破裂的装置(发明人的证书USSR SU 1135812,С25С3/14)，该装置包括通过以平行曲柄机构的形式实现的杠杆***连接到支架上的破裂器致动器。该装置设置有以悬臂方式安装在支架上的曲柄破裂器，该支架具有用于提升其的液压缸，其中液压缸的两个腔室连接到弹簧液压减震器。曲柄机构连接到皮带传动装置的致动器。当破裂器处于其峰值时由机器产生的动态力由安装在曲柄轴上的飞轮的致动器功率和功率强度限定。即使在电解槽的端面处，这种力也足以使结壳破裂，其中在电解槽的端面处的结壳强度比纵向侧高2-3倍。

该装置的缺点包括具有笨重的飞轮的装置的工作构件的整体尺寸和破裂器的大量密封壳体限制了其用于处理电解槽的阳极端面的用途。

此外，已知一种用于使电解质结壳破裂的装置，该装置包括自推进式台车，该自推进式台车具有安装在侧面上的垂直框架和振动锤，该垂直框架设置有吊臂，该吊臂构造为进行提升、降低和向前延伸(RU专利号2128248，IPC С25С 3/14，1999年3月27日公布)。

该装置的缺点在于，振动锤打破该电解结壳需要太长时间。

最接近所提出方法和装置的是用于在铝生产用电解槽中使电解质结壳破裂的方法和装置(RU专利号2265084，IPC C25C 3/14，2005年7月10日公布)，其包括：通过破裂器对结壳施加冲击力，其中伴随冲击力，破裂器承受300-1000kg的推力。用于在铝生产用电解槽的端面处使电解质结壳破裂的装置包括自推进式台车，以及安装在侧面上的垂直框架和振动锤，该垂直框架设置有吊臂，该吊臂构造为进行提升、降低和向前延伸，所述振动锤是在与框架相对的一侧上连接在自推进式台车的500kg-1000kg的平衡锤。

该方法的缺点在于，装置结构使得难以将其用于进行沿着电解槽的阳极纵向侧的电解质结壳破裂。

该装置的另一个类似方式在发明人的USSP SU 387032的证书中描述，IPCС25С3/14,1971)，其中装置以铰接机构的形式制成，该机构由两个平行四边形组成，设有独立的液压执行器，其中一个安装在支架上，第二个安装在气动破裂器的一端。该装置的工作构件制造得紧凑，由此它不仅可用于处理电解槽的纵向侧面而且还可用于处理电解槽的端面，其中装置的金属结构之间的距离将工作构件限制为650-700mm高，200-250mm宽。

然而，如果该装置用于打破氧化铝结壳，则生产率显著降低，因为气动破裂器具有低冲击能量，这显著增加了时间和能量成本。

所有上述装置共同的主要缺点在于，在结壳破裂过程中，许多固体覆盖材料(电解质)片进入电解槽。这进而又会对电解槽的工艺、技术和经济特性产生负面影响，即：

-为了从电解质中除去结壳片，需要额外的时间；

-为了加热和重新熔化原材料，需要额外的能源成本；

-再循环原料的数量增加。

本发明的目的是通过提供有效的使电解质结壳破裂的方法和用于进行有效和经济结壳破裂的电解质结壳的狭缝式切割的装置来改善铝生产用电解槽的技术和经济特性。

本发明提供的技术效果是实现上述目的，减少破裂的电解质结壳的量，避免在破裂过程中形成电解质结壳片，从而降低加热包覆材料的功率消耗，包覆材料由用于形成电解质结壳的氧化铝和粉碎电解质的混合物构成。

技术效果通过在铝生产用电解槽中使电解质结壳破裂的方法提供，其中电解质结壳暴露于热等离子体射流热能的高速高温的集中流，其沿预定路径的在电解质结壳上方移动，所述方法包括：从喷射冲击区域连续地除去形成的熔融材料，同时在电解质结壳中借助热等离子体射流形成狭缝。

本发明与类似解决方案的不同之处在于，借助热等离子体射流进行热熔融和在电解质结壳中形成狭缝，从而通过对电解质结壳的分割而使铝电解槽中的电解质结壳破裂。

等离子体切割方法有两大类：1)用于金属和其他导电材料的等离子弧切割，2)用于各种非导电材料的等离子体射流切割。

用于切割的等离子体射流的主要应用领域包括切割非金属、厚度小(小于5mm)的片材、耐火材料、陶瓷等。在切割期间，切割金属的表面与等离子体炬尖的端面之间的距离必须恒定。弧指向下并且通常与切割窗口的表面成直角。电解质结壳是不导电的，只能用等离子体射流切割，但目前在铝工厂(包括其他国家的工厂)的现有电解槽上，还没有等离子射流进行电解质结壳破裂的技术应用的实例。

以热等离子体射流对电解质结壳的分割包括局部加热电解质结壳材料，通过射流的动态作用使其熔融和部分蒸发，从而从熔体和蒸汽形式从切割区域中除去。用热等离子体射流分割和使电解质结壳破裂的过程包括两个阶段：1)在路径的原点处的结壳中熔化通孔，2)沿预定路径分割结壳。

由于热等离子体射流热能的高速高温的集中流在材料上的局部作用，结壳中的孔可以非常快速地熔化。基于最佳切割模式和功耗选择等离子体和路径参数。由这种作用产生的产物包括通过流动态作用从结壳上方的孔区域移除的材料熔体和蒸汽。在形成通孔之后，立即通过以预定速度将热等离子体射流移位到结壳表面上来进行结壳的分割。热等离子体射流的湍流模式和高温(5000-6000℃)通过对流和辐射热交换提供从流到切割材料的高度强烈的热传递。结壳材料的快速加热导致其熔融和部分蒸发，以及由于高速高温热等离子体射流的动态作用而从喷射冲击区域到结壳下面空间连续移除形成的熔体膜和蒸汽。

该方法的特征在于特定的优选实施方式，用于获得有效结壳切割和破裂的最佳模式。

在电解质结壳中形成的狭缝的尺寸由电解槽的技术加工操作限定，其中狭缝宽度通常小于25mm。电解质结壳上方的热等离子体射流的速度为0.5-2.5m/min。从等离子体射流排放点(喷嘴)到电解质结壳表面的距离可以是1mm至15mm，排放点处的热等离子体射流宽度是3mm至10mm，射流排放速度是600mm/s至1500mm/s。这些参数通过实验选择，不应视为限制。所述方法和用于实施所述方法的示例性装置的所有公开参数可以以包括在所述范围之内或之外的更宽或更窄的范围使用。

在本发明的方法中，在电解槽阳极的周边和表面上，在电解质结壳中以热等离子体射流形成的狭缝的宽度足以分割和打破电解质结壳。

上述目的是通过一种用于狭缝切割电解质结壳的装置来实现的，该装置包括安装在吊臂端部的电弧等离子体炬形式的工作构件。等离子体炬是一种圆柱形装置，其包括由耐热、耐电和抗电弧的材料制成的主体。通过关节型机械手将吊臂从等离子体炬延伸到切割区域。机械手由两个执行器或气缸驱动，其特点是高效、可靠和准确的性能。机械手被配置成使等离子体炬尖“跟随”电解质结壳表面上的复杂形貌。此外，该装置可配备替代***，用于进行非接触式结壳表面扫描。可以使用尖端支撑件(例如滑动件或辊子)来跟随表面形貌。

除附件外，还可以使用任何可用的替代设备。作为可以安装本发明的设施，可以使用起重机、台式生产机器或任何允许其用于其预期目的的其他装置。这包括自动化的机器人复合体，其具有运动、倾斜、轨迹和到结壳的距离的程序控制，通过对所需的结壳参数(例如在切割时执行的形貌、温度、厚度和化学成分等)的测量，例如，它可以是形貌扫描。想法是可以对装置进行修改和改进。

优选地，电解质结壳的等离子切割机在无变化的能量参数下运行。通过0.4kV的功率和压力不小于4巴的压缩空气确保装置操作。基于具有特定厚度和化学组成的结壳的切割条件来选择等离子体参数。

装置和等离子体炬结构的各方面提供以下内容：

1.当使所述等离子体炬在具有复杂形貌的电解质结壳表面上移动时，等离子体炬尖和结壳之间的距离保持为1mm至15mm。

2.等离子体炬相对于电解质结壳表面的倾斜角度可以在±5°内变化。

3.热等离子体射流在电解质结壳中以高达2.5m/min的速度产生宽度达25mm的狭缝。

4.可以对沿切割路径具有各种厚度(40mm至220mm)和各种熔融温度(950-2000℃，取决于结壳中氧化铝和电解质的百分比)的电解质结壳进行分割。

本发明的方法和装置的独特和有利的特征在于，在电解质结壳中同时形成狭缝的熔融和分割过程节省了电解质结壳切割所需的大量功率并且使再循环原料的量最小化。

本发明允许使电解质结壳破裂，而没有形成随后可落入电解质熔体中的覆盖材料片的风险。使用根据本发明的装置减少了阳极更换操作对电解槽的MHD(磁流体动力学)稳定性的负面影响，减少了从覆盖材料片清除放置新阳极位置的时间，增加电解槽保护的效率，减少了原材料的量，从而减少了加热和熔化覆盖材料的功耗，该覆盖材料由用于在新阳极的周边和表面形成电解质结壳的氧化铝和粉碎电解质的混合物组成。

通过使用喷射电弧等离子体炬作为热等离子体射流发生器的以下实施例说明该方法的实施。

实施例1

热等离子体射流，等离子体空气流速为3.2nm³/h，焓为12MJ/kg，本体温度为5200℃，排放喷嘴直径为6mm，并且排放速率为650m/s。结壳厚度为50mm，平均温度为500℃。通过以0.5m/min的速度将等离子体炬的喷嘴在表面上移动来贯通切割电解质结壳。所得狭缝的宽度约为10mm。基于最佳切割速度和能量消耗的条件来定义移动路径。

实施例2

热等离子体射流，等离子体空气流速为3.0nm³/h，焓为16.5MJ/kg，本体温度为5900℃，排放喷嘴直径为4mm，并且排放速率为1500m/s。结壳厚度为70mm，平均温度为500℃。通过以1.2m/min的速度将等离子体炬的喷嘴在表面上移动来贯通切割电解质结壳。所得狭缝的宽度约为6mm。

以热等离子体射流分割结壳的速率主要由切割的结壳物质的物理和化学性质、厚度和温度决定。决定材料冲击强度的热等离子体射流的主要特征包括热等离子体射流的焓((MJ/kg)，射流排放速率(m/s)，排放点的射流宽度(mm)，每喷射部分的具体功率(kW/m²)和从排放点到结壳表面的距离(mm)。所述特性由热等离子体射流发生器的操作参数限定。

使用本发明的方法减少了诸如阳极更换等技术操作对电解槽的MHD稳定性的负面影响，减少了重新布置阳极的时间，提高了电解槽覆盖的效率，减少了再循环原材料的量，减少了用于加热覆盖材料的功耗，该覆盖材料由用于在新阳极的周边和表面形成电解质结壳的氧化铝和粉碎电解质的混合物组成。

通过附图说明本发明的装置的技术方面和操作原理，其中：

图1是本发明的装置的视图，

图2是示例性等离子体炬的视图，

图3是带有切割路径的等离子体炬的视图。

在铝生产用电解槽中用于等离子体切割电解质结壳的创造性附接装置包括以下单元和部件：固定到关节型机械手5的吊臂的等离子体炬1；执行器(电动机械或气动缸)6和7，其用于驱动机械手5以进行切割，并且用于将其上固定有等离子体炬1的吊臂从运送位置延伸到工作位置，反之亦然。整个组件安装在刚性固定到起重机9的臂上的支撑件8上。结壳切割装置还包括：用于在切割过程中无接触地激励电弧和稳定的振荡器2，控制和电源柜3(ACS-自动控制***)，和用于等离子体炬1的冷却***4。ACS单元可包括控制器和记录来自仪表传感器和控制致动装置的信号的数据采集模块，以及用于仪器和ACS的电源电路。此外，该装置包括终端位置传感器。另外，该装置设有在等离子体炬上的气流传感器，等离子体炬的电弧电压传感器，冷却剂流速传感器。为了装置的安全运行，ACS***包括几个自动紧急停止命令：-当冷却剂流量减少到预定水平时，用于防止喷嘴和等离子体炬阴极的过热和故障；-当空气流量减少到低于预定水平时；-当电弧电压降低到低于预定水平时，用于防止电弧燃烧过渡到绝缘体可能热降解然后等离子体炬失效的模式。

出于安全考虑，还提供了外部按钮，用于在手动模式下远程关闭等离子体炬弧，该模式复制自动命令。

图3示出了电解质结壳上的等离子体炬移动的示例。

电解质结壳的分离等离子体切割的装置如下使用：

安装在起重机上的装置被运送到电解槽，在电解槽中必须进行技术操作(阳极更换)。电解槽的盖板盖在可更换的阳极附近打开。然后，降低其上固定有机械手5的起重臂9。电动机械致动器7将具其上固定有等离子体炬1的吊臂从运送位置延伸到工作位置。然后，将该装置移入电解槽中并在电解质结壳表面上方，并放置在距结壳表面1-2mm的距离处的用于切割的初始点。起重机操作员使用遥控面板发送打开装置的命令(电弧点火，供应等离子气体和冷却剂)。在点燃切割源头处的点时，等离子体炬1沿着编程路径自动移过固化电解质的结壳表面。在切割对接件的纵向侧时，该装置以90度旋转并切割对接件的横向侧，因此，切割路径足够简单。切割过程持续受到监控。在电解质结壳切割过程中，可视化监测以下参数：切割过程的进展，结壳切割的深度，等离子体炬的电压和电流，压缩空气的流速和压力，冷却***中冷却剂的压力、温度和流速。可以通过相应的传感器以自动模式进行监测。可以在切割区域中使用保护罩，以及用于加速和简化结壳破裂过程的辅助设备。在具有支撑阳极的电解槽中进行的铝制造过程需要更换阳极。为了更换阳极，必须将其与覆盖材料的烧结部分分离。目前，其通常通过气动锤进行。沿着周边切割阳极对接件，然后移除对接件并将其布置在托盘上。接下来，将对接件运送到清洁区域，在此剩余的结壳与阳极组件残余物分离。剩余的结壳被运送到粉碎区域，在那里将其研磨并重新引入电解过程。对于对接件所在的区域清除掉落的电解质结壳。移除的结壳被运送到粉碎区域，在那里将其研磨并重新引入生产过程。将阳极组件残余物研磨并引入新的阳极生产过程。电解质结壳的等离子体切割的主要开发思想是避免使用破裂器(气动锤)。

当切割电解质结壳时，可以视觉或自动监测切割进度和结壳切割深度。在等离子体切割过程中，可以使用或不使用保护罩，因为在该过程中，等离子体射流被引导到结壳下面的空间，并且喷射非常少量的颗粒。出于安全考虑，还提供了外部按钮，用于在手动模式下远程关闭等离子体炬弧，该模式复制自动命令。喷射排放的速度为600-1500mm/sec级别，其中温度越高，结壳越薄，速度越高。在完成切割程序后，关闭装置并供应等离子气体并停止冷却剂。该装置缩回到运送位置并从切割区域移除。

使用在安装于起重机上的装置的基座上制造的原型来测试本发明的实际实施。本发明的装置已在申请人的工厂的铝电解操作设备中通过测试。测试表明，本发明可防止固体覆盖材料片的形成和其向电解质熔体中的渗透。选择使电解质结壳破裂的方法的基本条件如下：没有结壳片落入熔体中；减少电解槽的减压时间；降低原料熔化的能耗。

在项目的技术和经济评估的背景下，与通过旋臂进行的切割和旋转锯切割相比较地分析了等离子体切割的有效性，这已经证实了等离子体切割的有效性和优选使用。

Claims (14)

1.一种在铝生产用电解槽中通过分割使电解质结壳破裂的方法，其特征在于，结壳切割和破裂包括用热等离子体射流热能的高速高温的集中流将结壳物质热熔，为此产生定向热等离子体射流并使其沿预定路径在所述电解质结壳上移动，从所述热等离子体射流冲击的区域连续地除去形成的熔融材料，从而在电解质结壳中以热等离子体射流形成狭缝，其中，所述狭缝足以进行所述结壳的连续分割和破裂。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电解质结壳中形成的所述狭缝的尺寸由所述电解槽的技术处理操作限定，其中所述狭缝宽度小于25mm。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电解质结壳上的热等离子体射流的速度为0.5-2.5m/min。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从等离子体射流排放点到所述电解质结壳表面的距离优选为15mm以下。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热等离子体射流在排放点的宽度优选为3-10mm。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热等离子体射流的排放速度优选为600-1500mm/sec。

7.一种用于根据权利要求1所述的方法等离子体切割铝生产用电解槽中的电解质结壳的装置，其包括：固定在关节型机械手的吊臂上的等离子体炬的组件，其具有执行器，该执行器构造成将其上固定有所述等离子体炬的吊臂从运送位置延伸到工作位置，反之亦然，从而当使所述等离子体炬在具有复杂形貌的电解质结壳表面上移动时，使所述等离子体炬以预定速度沿切割路径移动并保持等离子体炬尖与所述电解质结壳之间的必需间隔。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述组件安装在起重机臂上。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，其包括用于改变所述等离子体炬相对于电解质结壳表面的倾斜角度的单元。

10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，其包括：配置用于在切割过程中无接触地激发电弧和稳定的振荡器，控制和电源元件，以及所述等离子体炬的冷却***。

11.如权利要求7所述的装置，其特征在于，将电弧等离子体炬用作所述等离子体炬。

12.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述等离子体炬的技术特征使得可以随着切割路径厚度和熔化温度变化来对电解质结壳进行分割。

13.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述等离子体炬尖与所述电解质结壳之间的间隔通过等离子体炬主体上的凸起或通过固定在等离子体炬组件上的可移动滑件或辊形式的元件形成，其在操作中在结壳上滑动或直接移动产生等离子体炬尖与电解质结壳之间的预定距离。

14.如权利要求7所述的装置，其特征在于，其配有自动控制***。