EP0124480A1 - Electropneumatic drive system for a crust braking device, and method for its operation - Google Patents
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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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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.The drive system used for electrolytic cells for the production of aluminum is fed from a compressed air network with a compressor and compressed air storage. It comprises at least one working cylinder (34) with piston (38) and piston rod (42), a slide (14) installed after the network branch, valves (20, 24, 28), compressed air lines (18, 22, 26, 30, 32, 48) and a microprocessor (16). In the normal working cycle during the pushing movement, the working cylinder (34) forms a circuit with a 5/2-way valve (20), a 3/2-way valve (24) and corresponding compressed air lines (48, 22, 32), which is operated via a compressed air reducing valve ( 28) and its compressed air line (30) is fed. By briefly switching the 5/2-way valve (20), normal pressure can be switched on and the positive chamber (46) of the working cylinder (34) can be vented, which greatly increases the impact force of the system.
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.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.
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.For the production of aluminum by melt flow electrolysis of aluminum oxide, this is dissolved in a fluoride melt, which consists largely of cryolite. The cathodically deposited aluminum collects under the fluoride melt on the carbon bottom of the cell, the surface of the liquid aluminum forming the cathode. Anodes which consist of amorphous carbon in conventional processes are immersed in the melt. At the carbon anodes, the electrolytic decomposition of the aluminum oxide produces oxygen, which combines with the carbon of the anodes to form CO 2 and CO. The electrolysis takes place in a temperature range of approximately 940 - 970 ° C.
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.In the course of the electrolysis, the aluminum oxide or the alumina in the electrolyte is consumed. At a lower concentration of about 1-2% by weight of alumina in the electrolyte, there is an anode effect, which results in an increase in the Voltage of 4 - 5 V, for example, affects 30 V and above. Modern electrolysis cells are therefore operated at intervals of a few minutes, even if there is no anode effect. It is important that a corresponding crust breakthrough is always open so that the alumina can be fed into the electrolyte in portions. In modern electrolysis cells, alumina charging and crust breaking devices are therefore always combined locally and functionally. An electronic process control solves z. B. every 2 - 5 min. The lowering and lifting of the crusher of the crust breaking device, immediately after or before the alumina charging. With an anode effect, the frequency is greatly increased.
Das Absenken des Brechmeissels bewirkt, dass allfällig in der Oeffnung erstarrtes Elektrolytmaterial nach unten gedrückt und im Schmelzfluss wieder aufgelöst wird.Lowering the chisel causes any electrolyte material that has solidified in the opening to be pressed down and dissolved again in the melt flow.
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.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. However, 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.
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.In large electrolysis halls with hundreds or more electrolysis cells, each equipped with at least one crust breaker, there are huge amounts of compressed air consumed, which is a crucial cost factor. A lot of energy is inevitably necessary.
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.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.
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.With regard to the device, the object is achieved by
- a 5/2-way valve installed after the slide with an actuating element which can be controlled by the microprocessor via a connection,
- - a pressure reducing valve installed parallel to the 5/2-way valve via compressed air lines,
- a 3/2-way valve installed after the 5/2-way valve or the pressure reducing valve with an actuating element which can be controlled by the microprocessor via a connection,
- - A working cylinder, which is connected via ventable compressed air lines on the side of its cylinder head - the negative side - to the 3/2-way valve and on the other side penetrated by the piston rod - the positive side - to the 5/2-way valve ,
- - A piston axially movable in the working cylinder with a relatively large outside diameter piston rod, which is connected to the crusher for the crust, and
- a device which indicates the end of the pushing movement of the electropneumatic drive system and which is connected to the microprocessor via a connection,
the working cylinder in the normal working cycle during the shock movement with the 5/2-way valve, the 3/2-way valve and the corresponding pressure lines forms a circuit fed via the pressure reducing valve and its compressed air line.
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.Thanks to the formed circuit, 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.
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.In the case of a combination of alumina charging and crust breaking device designed as an operating unit of a melt flow electrolysis cell for the production of aluminum, 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. As a result, 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.
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.
- - The smaller the piston rod, the smaller the force difference acting on the piston between the negative and the positive side, ie the lower the performance of the piston.
- - The working cylinder of crust breaking devices in melt flow electrolysis cells, which is generally arranged vertically or almost vertically, must also be able to lift a crushing tool jammed in the crust opening with reduced pressure. Therefore, the outside diameter of the piston rod must not be too large, even if this would be desirable in terms of efficiency.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, Kolbenstangen mit einem Aussendurchmesser, der 25 - 85 %, vorzugsweise 40 - 70 %, des Innendurchmessers des Arbeitszylinders beträgt, auszubilden.It has proven to be advantageous to design piston rods with an outside diameter that is 25-85%, preferably 40-70%, of the inside diameter of the working cylinder.
Weil Kolbenstangen, entsprechend den obenstehenden Ausführungen, im allgemeinen einen verhältnismässig grossen Aussendurchmesser haben müssen, sind sie zweckmässig rohrförmig ausgebildet.Because piston rods, in accordance with the above statements, generally have to have a relatively large outside diameter, they are expediently tubular.
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.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. For this purpose, a stroke range of the working cylinder of 400-600 mm has proven to be advantageous.
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.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.
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 practice, 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.
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.In the idle position, 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. For a longer-term fixation in the rest position, especially when removing the crust breaking device, the piston can be locked with a lock.
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 practical operation of the electrolysis cell, it must be possible to determine whether the chisel has completely penetrated the crust or not. For this, z. B. 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.
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.
- - The 3/2-way valve which is in the rest position and which vents the interior of the working cylinder between the cylinder head and the piston via a compressed air line, reverses it by means of an actuation pulse, thereby forming the closed circuit, and possibly unlocks the piston, and
- - After reaching the end position, the control pulse for the 3/2-way valve is canceled and the piston is locked, if necessary.
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.If the crusher of the crust breaking device does not reach the end position during a second adjustable time interval, 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.
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.
- - The pressure exerted on the piston on the negative side of the working cylinder is increased, and with it the force.
- - By venting the positive side of the working cylinder, the counter pressure is eliminated, which increases the force exerted on the piston.
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.If the chisel does not reach the end position despite the switchover, the microprocessor triggers the repetition of the striking movement in succession until the crust is broken through.
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.For maximum energy saving, the 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.
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.With all circuit variants, the return movement to the negative side of the cylinder always takes place with reduced pressure. For the electropneumatic drive system, the pressure taken from the feed network is usually 6-8 bar, the reduced pressure 3-4 bar. In practical electrolysis operation, 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. According to another variant, 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.
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.It is also within the scope of the invention to use a closed circuit, formed from the working cylinder, the 5/2-way valve, the 3/2-way valve and the corresponding compressed air lines, which is not supplied by the pressure reducing valve but directly by the branch of the feed network . As a result, the impact force of the drive system can be increased accordingly. The maximum possible force can only be reached if not only the pressure reducing valve is switched off, but also the positive side of the working cylinder is vented. Of course, the compressed air consumption is correspondingly higher in these cases.
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.
- 1 is an overview sketch of the electropneumatic control for working cylinders for crust breaking devices of melt flow electrolysis cells for the production of aluminum
- - Fig. 2 shows a section through the negative part of the working cylinder.
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.A pipe branch 12 leads from a compressed
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.A
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.A
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.A
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.The
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.In the idle position of the pneumatic drive system, the interior 40 is vented via the
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 Bund ein Betätigungsorgan 66 um,das Druckreduzierventil 28 wird geschlossen, und/oder - -
der Innenraum 46 wird über dieDruckluftleitung 48, das 5/2-Wegeventil 20 undden Stutzen 52 entlüftet, wodurch kein Druckluftkreislauf mehr gebildet wird.
- - The
microprocessor 16 controls the 5/2-way valve 20 via the connection B and anactuator 66, thepressure reducing valve 28 is closed, and / or - - The interior 46 is vented via the
compressed air line 48, the 5/2-way valve 20 and thenozzle 52, whereby a compressed air circuit is no longer formed.
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.Fig. 2 shows the upper area of the working
Der Kolben 38 ist mit drei Dichtungsringen 64 versehen. Wegen Material- und Gewichtseinsparung ist die Kolbenstange 42 mit dem Aussendurchmesser D2 rohrförmig ausgebildet.The
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.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.
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.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.
Für eine Ab- und eine Aufwärtsbewegung werden also verbraucht: 425,8 dm3.For a downward and an upward movement, the following are consumed: 425.8 dm 3 .
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.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.
- Befüllen der negativen Seite unter Wiederverwendung der Abluft aus dem plusseitigen Innenraum:
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.The compressed air or energy consumption thus drops compared to previous practice to 26%. This saving occurs with normal cell operation. The saving is reduced by briefly increasing the force.
Die vorgängig berechneten Druckluftverbräuche beziehen sich auf heute grössenordnungsmässig üblicherweise verwendete Zylinderabmessungen und Druckbereiche im Druckluftnetz.The previously calculated compressed air consumption relates to the cylinder dimensions and pressure ranges commonly used today in the compressed air network.
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:
Claims (14)
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.1. From a compressed air network with a compressor and compressed air reservoir powered electro-pneumatic drive system for crust breaking devices of aluminum melt flow electrolysis cells, which consists of at least one working cylinder with piston and piston rod, a built-in slide valve, valves, compressed air lines and a microprocessor, characterized by
the working cylinder (34) in the normal working cycle during the pushing movement with the 5/2-way valve (20), the 3/2-way valve (24) and the corresponding compressed air lines (48, 22, 32) via a pressure reducing valve (28) and whose compressed air line (30) forms the fed circuit.
dadurch gekennzeichnet,
dass der Mikroprozessor in einem ersten einstellbaren Zeitintervall alternativ
characterized,
that the microprocessor alternatively in a first adjustable time interval
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