一种铝电解槽自动换极系统及其换极方法与流程

本发明属于铝电解槽技术，具体涉及一种基于无覆盖料结构的铝电解槽自动换极系统和方法。

背景技术：

铝电解槽为电解铝工业的核心设备。在铝电解生产中，每组预焙阳极的使用寿命约为28-36天，因此当预焙阳极寿命终止后，需取出残阳极重新装上新阳极，此过程称为阳极更换，简称换极。现有的铝电解槽换极流程包括扒料、打壳、拔残阳极、残阳极定位、新阳极定位、捞块、新阳极安装、收边等一系列步骤。正常生产中，换极作业所需时间约占总人工作业量的60％以上。

在现有的预焙铝电解槽进行换极作业中基本为人工为主导，在天车的协助下完成打壳与换极工作，对于人工便宜的地区，该工艺所受影响有限，但随着我国铝电解往西部和北部地区转移，人工成本日益成为企业的负担，因此如何实现换极过程的自动化是实现铝电解无人化的前提。

除了技术上受限制外，电解工艺的上部覆盖料亦为自动换极的另一个重大障碍，主要是因为由于在阳极周边和侧部存在着氧化铝粉料和电解质结壳的存在，在换极前，需要使用多功能天车驱动打壳装置砸开结壳，以便提出残阳极并安装新阳极。此过程会产生部分料块和料渣，必须人工捞出，致使换极时间长、电解槽内漏入大量的空气，且操作环境恶劣。

申请号为201610490099.7的中国专利申请文件中公开了一种可控铝电解槽阳极覆盖密封结构，包括固定罩设在电解槽上的结构框架，以及铺设在结构框架上的若干密封板。该发明以密封板取代了传统的覆盖料，避免了换极作业中的打壳操作，但是其应用的换极过程仍具有大量的人工操作步骤，如何提高换极的效率是提高铝电解生产的一个技术难题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：针对现有的铝电解槽存在的换极效率低的难题，提供一种铝电解槽自动换极系统和方法，尤其是针对无上部结壳的铝电解槽，通过自动换大幅缩短换极时间，从而避免电解槽在换极过程中长时间处于非稳定状态运行，节约能耗同时减少人员的使用。

本发明采用如下技术方案实现：

一种铝电解槽自动换极系统，包括具有竖直升降自由度和水平面内任意位置直线运动自由度的自动换极机械臂；所述自动换极机械臂的执行终端设有用于固定夹持阳极导杆的夹紧元件、用于锁紧或解锁阳极卡具的套筒扳手和第一定位元件，所述套筒扳手通过伸缩机构设置在自动换极机械臂上，所述夹紧元件、伸缩机构以及套筒扳手均为电动控制的自动执行件，并和第一定位元件一同与铝电解槽的槽控机控制模块通过信号连接。

进一步的，所述自动换极机械臂通过机架与天车的起吊端连接，所述天车的控制电机与所述槽控机控制模块通过信号连接，实现自动换极机械臂的竖直升降自由度和水平面内任意位置直线运动自由度。

进一步的，本发明的一种铝电解槽自动换极系统还包括阳极输送装置，所述阳极输送装置为布置在铝电解槽一侧的输送机，所述输送机的端部连接阳极堆垛区。

进一步的，所述输送机上设有用于承接阳极的若干个托盘。

进一步的，所述输送机的两侧设有挡板，所述挡板上设有检测阳极升降位置的第二定位元件。

进一步的，所述天车、自动换极机械臂及输送机上还设有位置标识和距离检测设备，所述位置标识包括条形码、二维码、反光标识中的至少一种，所述距离检测设备包括激光测距仪、红外测距仪、超声测距仪、视觉控制摄像头的至少一种。

优选的，所述夹紧元件为电动、气动或液压驱动的夹爪。

优选的，所述伸缩机构和套筒扳手均采用电动、气动或液压驱动。

进一步的，本发明的一种铝电解槽自动换极系统，还包括设置在铝电解槽槽壳上的槽盖板自动开启装置，所述盖板自动开启装置包括固定在电解槽槽壳上的电动驱动元件，所述电动驱动元件与所述槽控机控制模块通过信号连接，阳极上方的槽盖板与电解槽侧壁槽壳铰接，所述电动驱动元件的输出端与槽盖板连接，驱动槽盖板绕铰接点摆动。

本发明还公开了一种上述铝电解槽快速自动换极系统的换极方法，包括以下步骤：

1)预备工作，槽控机发出换极命令，首先通过阳极输运装置，将阳极堆垛区的新阳极运送到对应所需换极的铝电解槽的输送机位置上，通过阳极输运装置上的位置标识及距离检测设备辅助控制输送，以确保新阳极到达对应铝电解槽的位置；

2)定位残阳极与移出残阳极，移动天车及自动换极机械臂，通过第一定位元件找到需要更换残阳极的阳极导杆顶端位置，记录此时天车高度为H0，使用夹紧元件卡紧阳极导杆，然后操控伸缩机构，通过套筒扳手松开该阳极导杆上的阳极卡具螺栓，操控槽盖板自动开启装置，开启该残阳极上方的槽盖板，通过天车提升残阳极，并将残阳极平移至阳极输运装置对应的空托盘上，当残阳极底面向下接近托盘时，通过第二定位元件测定天车下降的距离，结合天车相对于第二定位元件之间的固定高度，计算得到残阳极的底面与阳极导杆顶端的实际高度H1；

3)定位新阳极与安装新阳极，移动天车至新阳极的阳极导杆处，通过第一定位元件定位，使用夹紧元件卡紧并提升新阳极，新阳极底面与阳极导杆顶端的高度为固定值H2，则天车应到达的高度为H＝H0+(H2-H1)+A，其中A为工艺控制参数，将新阳极平移至原阳极坑位置，控制天车缓慢下降至高度H处即停止，操纵伸缩机构，通过套筒扳手锁紧阳极卡具螺栓，夹紧阳极导杆上的阳极卡具，松开夹紧元件，移走天车，通过槽盖板自动开启装置关闭对阳极坑的槽盖板。

4)结束工作，向槽控机发送换极完成命令，通过阳极输运装置将残阳极运送到阳极堆垛区域，完成换极流程。

本发明通过设计一种含定位功能的自动换极机械臂，解决了阳极导杆高度的定位、阳极卡具的自动操作问题；通过增加阳极输运装置，解决了新阳极和残阳极输运、残阳极的高度定位问题；通过对槽盖板进行自动化改造，使用槽控机自动控制来替代人工开闭槽盖板。

本发明从根本上提高换极过程的自动化程度。首先，铝电解槽的阳极表面不需依靠粉状氧化铝覆盖进行保温，换极过程中便不需要进行打壳、扒料、捞块等一系列操作，要取出残阳极仅需要开启槽盖板和松开阳极卡具，这为进行彻底的自动化改造提供了有利条件；其次，电解槽主体和阳极的位置坐标相对固定，即使进行阳极更换，也仅仅是在阳极导杆高度上有所调整，水平位置坐标仍然不变，通过定位需要更换阳极的高度，便可对目标阳极进行精准的定位，进而开展换极作业；最后，残阳极测高和新阳极划线一直是换极作业的一大难题，由于残阳极的炭块发生了消耗，其高度与新阳极有一定差异，需要测量出残阳极和新阳极的高度差以进行调整，由于新阳极高度一致，实质问题变转换为如何测量残阳极高度。本发明中加入了阳极输运装置，通过固定高度设置的定位元件给高度测量提供了一个基准平面，当天车吊出残阳极下降至输运机平面时，可根据天车下降的距离和基准平面到天车之间的高度，测量出残阳极高度。

本发明对现有铝电解槽的换极系统和方法进行彻底的改造，尤其是针对无上部结壳的铝电解槽，可通过自动换极大幅缩短换极时间，从而避免电解槽长时间处于非稳定状态运行，节约能耗同时减少人员的使用。

由上所述，本发明与现行的铝电解槽换极方案相比，具有如下有益效果：

(1)基于阳极周围无结壳可快速更换的特性，设计了一套自动换极系统和方法，可大大减少换极作业所需时间，减少热量与烟气的外泄，提高铝电解的能量利用率。

(2)通过阳极导杆位置和阳极输运的精准定位，以槽控机的自动控制来替代换极过程中所需的各类人工操作，可实现完全的无人化作业。

(3)配合多功能天车本身的定位装置和阳极输运系统上的定位元件，可解决传统作业中需要人工测量新旧阳极之间高度差的难题。

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为实施例中的自动换极机械臂的示意图。

图2为实施例中的槽盖板自动开启装置示意图。

图3为实施例中的阳极输送装置示意图。

图4为实施例中的阳极在阳极输送装置上的示意图。

图5为实施例中的天车、阳极输送装置相对铝电解槽的布置示意图。

图中标号：61-第一定位元件，62-夹紧元件，63-伸缩机构，64-套筒扳手，65-机架，66-第二定位元件，67-天车，68-输送机，69-托盘，610-阳极槽盖板，611-阳极堆垛区，612-电动驱动元件，613-挡边，8-阳极，81-阳极导杆，82-阳极卡具，9-槽控机，100-铝电解槽，11-电解槽侧壁槽壳。

具体实施方式

实施例

参见图1至图5，本实施例中的一种铝电解槽自动换极系统为本发明的一种优选方案，具体包括由第一定位元件61、夹紧元件62、伸缩机构63、套筒扳手64、机架65构成的自动换极机械臂，驱动自动换极机械臂实现竖直升降自由度和水平面内任意位置直线运动自由度的天车67，由第二定位元件66、输送机68、托盘69、阳极堆垛区611、挡边613构成的阳极输送装置，由阳极槽盖板610、电动驱动元件612构成的槽盖板自动开启装置。

具体如图1所示，自动换极机械臂通过机架65与天车的起吊端连接，通过天车67带动自动换极机械臂升降和平移，在机架65上设有夹紧元件62，夹紧元件62采用电动、液压或气动控制的夹爪，用于夹紧阳极8上的阳极导杆81，通过夹紧阳极导杆81对阳极8进行升降移动。

在机架65上还设有第一定位元件61，通过第一定位元件61可准确的将自动换极机械臂移至阳极导杆81的正上方。第一定位元件61可采用反射式位置传感器。

在机架65上还通过伸缩机构63设置套筒扳手64，在夹紧元件62夹紧阳极导杆后，通过伸缩机构63移动套筒扳手64对准阳极导杆81上固连的阳极卡具82，阳极卡具82为将阳极与铝电解槽连接的固定装置，其通过螺栓连接将阳极卡具82和阳极导杆81固定，伸缩机构63采用电动伸缩杆、液压伸缩杆或气动伸缩杆，套筒扳手64同样采用电动、液压或气动驱动的自动套筒，在夹紧元件62夹紧阳极导杆81后，设定好伸缩机构63的伸缩运动方向，能够直接将套筒扳手64对准阳极卡具上的螺栓进行锁紧或解锁。

夹紧元件62、伸缩机构63以及套筒扳手64的均通过电信号与铝电解槽的槽控机连接，通过槽控机发出对应的控制信号，依次控制夹紧元件63的夹紧和松开、伸缩机构63的伸缩动作以及套筒扳手64对螺栓的锁紧和解锁，实现电动控制自动换极机械臂对阳极和电解槽之间的连接和分离。

为了实现全自动换极，本实施例还在阳极上方设置有槽盖板自动开启装置，具体如图2所示，在阳极上方的槽壳上设置可打开的阳极槽盖板610，阳极槽盖板610侧边与电解槽侧壁槽壳11铰接，在电解槽侧壁槽壳11上方通过机座设置电动驱动元件612，电动驱动元件612与阳极槽盖板610连接，操控阳极槽盖板610绕铰接点自动摆动，实现在换极前打开阳极槽盖板、在换极后关闭阳极槽盖板。电动驱动元件612可采用减速电机，减速电机的输出轴直接连接至阳极槽盖板的铰接转轴，该铰接转轴与阳极槽盖板一体固定，通过电机转动带动阳极槽盖板摆动。

为了实现新阳极和残阳极的自动输送，本实施例还在铝电解槽的一侧设有阳极输送装置，具体如图3和图4所示，阳极输送装置主体为输送机68，输送机68设置在铝电解槽的一侧，输送机68的两端分别连接阳极堆垛区，可分别用于堆放新阳极和换下的残阳极。本实施例中的输送机68采用鳞板式输送机，在输送机上设有若干用于盛放阳极的钢质托盘69，阳极放置在托盘69上通过输送机进行输送。在输送机的两侧固定设有挡边613，输送机的输送带宽度要比托盘及阳极宽度宽0.2-1m，避免阳极在输送过程中与挡边613发生碰撞，挡边613上设有第二定位元件66，第二定位元件66与第一定位元件61采用同样的位置传感器，在将残阳极下降放置托盘上时，以第二定位元件66所在的水平面为基准，通过第二定位元件66检测到残阳极下降的高度，并结合天车的初始高度计算出残阳极的实际高度。

在实际应用中，本实施例可对同一车间的多组铝电解槽进行统一换极管理，如图5所示，若干组铝电解槽100平行布置在车间内，车间内的天车67平行与铝电解槽设置，阳极输送装置的输送机68垂直于铝电解槽100设置在一侧，并与铝电解槽的平行布置方向的长度相等，保证能够对任意位置的铝电解槽100进行阳极输送，阳极堆垛区611布置在输送机68的两端。天车、自动换极机械臂及输送机上还设有位置标识和距离检测设备，所述位置标识包括条形码、二维码、反光标识中的至少一种，如条形码和二维码可记录对应的铝电解槽或阳极的编号，便于天车、自动换极机械臂及输送机实现定位动作，所述距离检测设备包括激光测距仪、红外测距仪、超声测距仪、视觉控制摄像头的至少一种，通过距离检测设备能够对天车、自动换极机械臂的各部件以及输送机的移动距离进行反馈检测，并且对位置标识进行识别。本实施例中，选用长宽为5cm×5cm的反光标识作为位置标识，选用激光测距仪作为距离检测设备。关于距离检测设备和位置标识在移动设备上的设置为自动控制领域常用技术手段，本领域技术人员可根据铝电解槽车间的实际情况进行选择设计，本实施例在此不对其具体工作原理进行赘述。

本实施例中的第一定位元件61、第二定位元件62以及多组距离检测设备作为信号输入模块与槽控机的控制模块通过信号连接，夹紧元件62、伸缩机构63、套筒扳手64、天车67、输送机68以及电动驱动元件612作为输出执行模块分别与槽控机的控制模块通过信号连接，槽控机为铝电解槽的控制系统，具体用于铝电解槽在电解生产过程中的自动控制调节，如何将本实施例中的自动换极系统中的上述部件通过信号连接至槽控机，本领域技术人员可通过现有的信号通信自动控制技术进行选择设计，本实施例在此不做赘述。

本实施例的自动换极方法包括如下步骤：

1)预备工作，槽控机发出换极命令，首先通过阳极输运装置，将阳极堆垛区的新阳极运送到对应所需换极的铝电解槽的输送机位置上，通过阳极输运装置上的位置标识及距离检测设备辅助控制输送，以确保新阳极到达对应铝电解槽的位置；

2)定位残阳极与移出残阳极，移动天车及自动换极机械臂，通过第一定位元件找到需要更换残阳极的阳极导杆顶端位置，记录此时天车高度为H0，使用夹紧元件卡紧阳极导杆，然后操控伸缩机构，通过套筒扳手松开该阳极导杆上的阳极卡具螺栓，操控槽盖板自动开启装置，开启该残阳极上方的槽盖板，通过天车提升残阳极，并将残阳极平移至阳极输运装置对应的空托盘上，当残阳极底面向下接近托盘时，通过第二定位元件测定天车下降的距离，结合天车相对于第二定位元件之间的固定高度，计算得到残阳极的底面与阳极导杆顶端的实际高度H1；

3)定位新阳极与安装新阳极，移动天车至新阳极的阳极导杆处，通过第一定位元件定位，使用夹紧元件卡紧并提升新阳极，新阳极底面与阳极导杆顶端的高度为固定值H2，则天车应到达的高度为H＝H0+(H2-H1)+A，其中A为工艺控制参数，将新阳极平移至原阳极坑位置，控制天车缓慢下降至高度H处即停止，操纵伸缩机构，通过套筒扳手锁紧阳极卡具螺栓，夹紧阳极导杆上的阳极卡具，松开夹紧元件，移走天车，通过槽盖板自动开启装置关闭对阳极坑的槽盖板。

关于工艺控制参数A，是指新阳极温度较低，在刚放入的时候会对高温电解质(960℃)产生热冲击，所以新阳极位置一般比原阳极位置稍微高一点，预热一段时间再下移，如没有该参数，新阳极放入的位置将和原有阳极完全一致，容易造成大面积温度降低、电解质发粘，不利于稳定槽况。工艺控制参数A即为新阳极相对于原有阳极位置的高度。

4)结束工作，向槽控机发送换极完成命令，通过阳极输运装置将残阳极运送到阳极堆垛区域，完成换极流程。

以上实施例描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的具体工作原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。