用于通过刮擦铝生产用电解槽的底部来收集槽中存在的电解浴和金属液中的固体残留物的设备

本发明涉及使用Hall-Héroult工艺通过火法电解来生产铝。更具 体地，涉及一种设备，该设备用来收集浸没或漂浮在电解浴和金属液 中的固体残留物，尤其是来自电解浴的且积累在槽底部的沉积物，以 及尤其因在移除废阳极之前和期间进行的各种操作而产生的剩余碳和 壳碎屑。

铝在工业上是使用公知的Hall-Héroult工艺通过火法电解在电解 池中生产的。工厂中具有大量的电解池，这些电解池在被称为电解车 间或电解室的建筑物内成排布置，并且利用连接导体串联地电连接， 从而最佳地利用工厂的地面区域。这些池通常被排布为两条或更多条 平行线并且所述平行线由端部导体相互电连接。在每个池中，电解浴 和金属液被容纳在称为“电解槽”的槽中，该槽包括钢制容器和位于 槽底部的阴极组件，所述钢制容器的内侧覆有耐火材料和/或绝缘材 料。通常由碳质材料制成的阳极被部分地浸没在电解浴中。

在运行时，铝电解工厂需要对电解池进行干预，包括尤其是把废 阳极更换成新阳极、对金属液进行取样，以及对电解质进行取样或补 充。为了进行这些工作，工厂通常都配有一个或多个服务单元，包括： 桥式吊车，其能沿着一系列电解池在上方移动；一个或多个服务模块， 每个服务模块包括能够在桥式吊车上移动的车架；以及，操作和干预 设备，诸如铲和吊机，通常被称为“工具”。这些服务单元常常被称 为“电解服务组件”(PTA)或“电解服务机器”(PTM)。所述服 务模块通常包括附接至车架的转动架，也被称作工具转动架(tourelle  porte-outils)，所述工具转动架能够围绕一个竖直轴线转动以及与所述 工具相连。每个工具可被固定至线缆的端部，所述线缆由附接至所述 工具转动架的绞盘操作，或者每个工具可固定至臂的端部，所述臂可 以是伸缩和/或铰接的臂。

阳极更换期间的一个必要操作是清理废阳极占用的、且将被新阳 极占用的区域。这个区域主要由电解浴和金属液组成，但是也可能包 括许多固体残留物，这些固体残留物必须在安置新阳极之前被去除。 在电解期间，电解浴的上表面形成氟化冰晶石和氧化铝的硬壳。该壳 具有保持电解浴内热量的优点，因此构成一个有效的绝热封套。但由 于其十分坚硬并粘附至阳极块的壁，所以有必要将废阳极周围的壳打 破从而将废阳极取出。通常，需借助工具(例如，风镐(piqueur)， 称为“破壳风镐”)来打破壳。所以，在去除废阳极期间，壳上会形 成一开口，该开口被保留直到装配了新阳极，且此后称为“阳极孔”。 打破壳和操作废阳极块不可避免地会产生固体碎片或固体块，这些固 体碎片或固体块漂浮在电解浴上、或悬浮在电解浴中、或者落到槽底 部。因此，有必要借助一种通常已知为“壳铲”的收集工具来移除这 些固体碎片或块。

欧洲专利申请EP-A-0440488描述了与特定车辆——而非PTA—— 一起使用的壳铲的一个实例。欧洲专利申请EP-A-0618313非常简略地 描述了PTA的一个实例，该PTA配有用于打破废阳极附近的外壳以及 清理阳极孔的设备。通常使用的壳铲是由两个斗组成的夹具，这两个 斗相对于基本竖直的平面对称放置，并绕两条基本水平轴线铰接、旋 转，这两条轴线也可以重合为一条。每个斗都具有一个前缘，也称为 “刃”，其与另一个斗的前缘对立。为了收集残留物，将处于打开状 态的壳铲伸入电解浴，然后通过使用至少一个直接作用于斗的致动器， 或者优选作用于一个连杆组件(embiellage)——该连杆组件被设计用 于使两个斗作基本相互对称的旋转运动——的致动器，将壳铲从打开 状态转为闭合状态，从而捕获这两个斗之间的固体残留物，而液体介 质以及电解浴和金属液的混合物仍可以漏出，尤其是通过斗壁上的开 口漏出。

常规地，壳铲的打开和闭合运动是通过致动作用于连杆组件的气 动起重器驱动的，该连杆组件被设计为将气动起重器的平移运动转化 为两个斗的两个对称旋转运动。在将新阳极放置到池中之前，必须确 保阳极孔中的所有的壳和碳的残留物都已被去除。由于一些残留物可 能会落在槽底部，有必要将壳铲伸入由电解浴和金属组成的液体介质 中，使得壳铲的前缘与槽的底部齐平。但是，由于当壳铲闭合来收集 残留物时，斗的前缘沿着圆形轨道动作，因此操作壳铲非常需要技巧， 因为构成槽底部的阴极组件在该操作中很可能受到严重损坏。为了避 免这样的损坏，必须使斗的一条旋转轴线或多条轴线位于如下高度位 置，使得斗的前缘在该操作过程中永远不接触槽的底部，同时尽可能 靠近底部以进行有效清洁。然而，这样的位置是很难估计的，因为不 能视觉观察到槽的底部。另外，因为刃采用圆形轮廓，这样的理论位 置使得刃在其处于最远离槽的底部的阶段时不能有效工作，有可能收 集不到残留在槽的底部的一些残留物。

因此，使用壳铲进行这样的阳极孔清洁操作遇到两个相互矛盾的 困难：由于铲太靠近槽的底部而有可能损坏槽的底部，或者由于太远 离槽的底部而使清洁不彻底。无论采用何种步骤，在槽工作的过程中 都仍然存在相当大的普遍电力和磁场不稳定的风险，导致降低装置的 产量。

欧洲专利申请EP-A-1178004提出了一种能解决上述问题的方案。 该方案涉及使用如下的铲斗，该铲斗装配在竖直臂上，但是不将与所 述斗的轴线相互依赖的框架直接安装在所述竖直臂上。为此，所述框 架被分为两个对应部分：称为“铲-保持器框架”的部分，其保持与附 接至工具转动架的臂相互依赖；以及，称为“斗-支承框架”的部分， 其相对于铲-保持器框架竖直移动，使得斗的瞬时旋转的中心会移动而 臂相对于槽的底部保持静止，导致所述斗的前缘可被赋以基本直线轨 道。所述铲可被放置为使得其前缘在整个铲闭合操作中与槽的底部齐 平。然而，这样的方案使得铲机械结构变得更加复杂，使用复杂的斗 闭合连杆组件，“包括负载传递杆，该负载传递杆的一端铰接在斗上， 另一端铰接在一个旋转致动杆上，该负载传递杆本身铰接在斗-支承框 架上，所述旋转杆通过铰接在铲-保持器框架上的补偿杆被机械连接至 铲-保持器框架，所述旋转杆另外借助致动器起重器被旋转致动，所述 致动器起重器的施力点与所述斗-支承框架相互依赖”。这样的方案使 得需要为壳铲引入许多转接器，这些转接器被设计为在恶劣环境下工 作并且受到高幅振动，尤其是由于与猛力投掷所述斗相关的应力。这 需要频繁更换这些易于快速磨损的部件。

申请人确定的目的是在阳极更换时实现对阳极孔的有效清理，而 无槽底损坏风险，同时使用的工具简单、廉价且易于清洗、维护和保 养。

本发明的第一目标是一种收集单元，其被设计用于收集在铝生产 池的液体介质——诸如电解浴和金属液——中的固体残留物和沉积物， 所述收集单元尤其被设计用于清理阳极孔，该收集单元包括：

a)一个竖直柱，其被第一致动器致动，第一致动器还被称为提升 致动器，用于沿竖直方向移动所述竖直柱；

b)一个框架，其安装至所述竖直柱；

c)至少一个铰接斗，其围绕一个基本水平轴线旋转，该至少一个 铰接斗安装至所述框架，且具有一个被第二致动器致动的基本水平前 缘，第二致动器还被称为闭合致动器，该至少一个铰接斗与所述框架 联结(solidaire)，使得所述斗围绕所述基本水平轴线旋转运动，其特 征在于，

所述第一致动器由至少一个液压起重器组成，该液压起重器包括 主体、与杆相联的活塞和位于杆侧的腔室，该液压起重器由一个液压 管路提供动力，该液压管路被布置使得，至少当第二致动器工作时， 位于杆侧的腔室中的油压被保持在基本恒定值，以允许所述起重器支 承如下一个负载，该负载相应于所述收集单元的重量减去预定值的载 荷，该预定值的载荷优选小于1000daN，一般在200和600daN之间。 为实现该目标，向位于杆侧的所述腔室提供动力的管路部分被有利地 设置一个压力调节器或压力补偿设备。

所述第一致动器包括至少一个液压起重器，这使得其上附接有收 集单元其余部分的所述竖直柱能够竖直移动。优选地，所述收集单元 的操作臂是伸缩式的，使得所述液压起重器的杆与所述竖直柱联结， 并且所述液压起重器的主体也可竖直移动，通过与可移动框架联结的 一个致动器的致动，所述可移动框架沿水平面移动，例如，所述可移 动框架固定至一个能够沿桥式吊桥的梁移动的车架。以这样的方式， 所述收集单元可以快速移动并且定位在工作区域上方，然后向下移动 到阳极孔的水平以执行收集操作。

显然，“对称”方案也是可能的，即，涉及使可移动竖直柱与起重 器的主体联结，以及使杆与可移动框架联结。根据本发明，对负载上 升时工作的腔室进行操作。由于在两种情况下，收集单元都通过向位 于杆侧的腔室施加压力而实现上升，在下文还将该杆侧的腔室称为“杆 -腔室”，因此在向所述位于杆侧的腔室提供动力的液压管路上增加了一 个压力调节器。

根据本发明，使提升致动器在补偿模式工作，这涉及将杆-腔室中 的压力维持在如下一个值，即，使得至少在收集残留物时，可以保持 住提升单元的几乎全部重量。所述提升单元处于类似液压悬置 (quasi-suspension hydraulique)的状态，在该液压悬置的状态中，“表 观重量”限于上述预定值，优选小于1000daN，一般在200和600daN 之间。由于碰撞的风险主要与当收集单元位于槽的底部附近时其基本 竖直运动相关，因此收集单元的表观重量的显著减少，使得能够限制 当斗旋转以收集碎片时由斗的前缘接触槽的底部所产生的力的强度。

所述第一致动器可包括多个液压起重器。在该情况下，应理解， 所有的杆-腔室都可由相同管路提供动力，以及至少当第二致动器工作 时，它们必须处于基本恒定的压力，以允许所有所述起重器支承如下 负载，该负载相应于所述收集单元的重量减去预定值的载荷，该预定 值的载荷优选小于1000daN，一般在200和600daN之间。

这样的设备使得尤其能够通过刮擦槽的底部来收集碎片，即，通 过使斗的前缘沿槽的底部移动，同时持续保持与槽的底部相接触：在 类似液压悬置状态中，收集单元可根据所述斗打开的程度而几乎自由 地向上或向下移动。然而，明显小于收集单元的实际重量的支承力必 须具有一定正值，优选限于1000daN，一般在200和600daN之间， 以在提升某些碎片有困难的情况下，防止所述收集单元太轻易地向上 移动。

有利地，为了使用相同设备完成所有的上升和下降功能，所述第 一致动器还包括位于活塞侧的腔室，其可由液压管路提供动力：这是 一个双作用的起重器(vérin double effet)。

显然，如果收集单元包括一个框架和安装至所述框架的两个斗， 则可以更轻松地收集碎片，所述两个斗相对于一个基本竖直平面对称 布置，以及围绕两个基本水平轴线——任选地重合——铰接、旋转，每 个斗都具有一个前缘，其中一个斗的前缘与另一个斗的前缘相对设置。 优选地，与所述框架联结的第二致动器使得所述斗中的每一个斗都相 对于所述基本竖直平面作基本对称旋转运动，使得位于两个斗之间的 固体残留物被所述斗截获。利用该设备，可通过刮擦所述槽的底部而 不损坏它来收集残留物。

根据本发明，至少在当第二致动器致动时，为作为第一致动器的 液压起重器提供动力的液压管路包括压力调节器，还称为压力补偿设 备。压力调节器是如下一种设备，其被设计使得当管路中的压力达到 某一较高临界值时，就使管路中的油流向槽中，以及当管路中的压力 达到某一较低临界值时，就供应来自液压单元的油。

有利地，用于移动竖直柱的第一致动器是双作用起重器，该双作 用起重器的杆与所述收集单元联结，且具有位于杆侧的腔室，称为下 部腔室，能够持续地使所述竖直柱竖直向上移动；以及具有位于活塞 侧的腔室，称为上部腔室，能够持续地使所述竖直柱竖直向下移动。 有利地，这两个腔室可以通过分配器连接至液压单元的“压力管线” 或“返回管线”，馈送管路包括能够提供以下液压馈送配置的多个管路 部分：

a)差动配置，其中位于杆侧的腔室和位于活塞侧的腔室都连接至 液压单元的压力管线，允许所述柱迅速下降；

b)相应于静止位置的配置，所述收集单元保持悬置：所述管路被 布置使得，所述收集单元在其竖直向上或向下的移动过程中遇到障碍 时，保持承受限定载荷；

c)如下的一配置，其中位于杆侧的腔室连接至液压单元的压力管 线，相应于收集单元的上升运动；

d)“补偿”配置，相应于当收集单元刮擦槽的底部的阶段，其中 馈入位于杆侧的腔室的管路部分中的压力被控制，使得保持在如下值 左右，该值相应于所述收集单元的重量减去预定值的载荷，该预定值 的载荷优选小于1000daN，一般在200和600daN之间。

在下文给出的实施例中，我们更加详细描述了收集单元的这些操 作阶段。

本发明的另一主题是服务模块，其被设计用于通过火法电解生产 铝的工厂，包括车架，以及操作和干预设备，其特征在于，还包括如 上所述的本发明的收集单元。

本发明的另一主题是服务单元(PTA)，用于通过火法电解生产铝 的工厂，包括桥式吊车，其特征在于，还包括如上所述的本发明的至 少一个服务模块。

本发明的另一主题是本发明的服务模块的用途，其用于对设计用 于通过火法电解生产铝的电解池进行工作，尤其是用于清洁阳极孔。

图1是在生产铝的一般电解车间中的PTA的示意性截面图。

图2示出收集单元的一个具体实施方案，该收集单元是壳铲，被 安装至可伸缩的竖直引导柱。

图3是图2中示出的实施方案的连杆组件和铲斗的立体图。

图4至7示出馈入本发明的收集单元的第一致动器(起重器)的 液压管路的四种不同配置的示意图。这些配置对应于下列工作模式： 静止(图4)、快速下降(图5)、补偿(对应于刮擦的阶段)(图6) 以及上升(图7)。

铝生产电解工厂包括具有一个或多个电解车间的液态铝生产区 域。图1中示出的电解车间(1)包括电解池(2)和PTA(5)。电解 池(2)通常以行或列布置，每行或列通常包括超过一百个池。池(2) 被布置以沿电解车间(1)的长度留出一个过道。池(2)包括一系列 设有金属杆(4)的阳极(3)，所述金属杆用于固定所述阳极并将它 们电连接至金属阳极框架(未示出)。

PTA(5)用于对池(2)进行操作，诸如更换阳极或者用渣壳和 氟化铝(AlF₃)来填充进料斗。PTA(5)也可以用于操纵各种载荷， 诸如槽部件、在出铝期间使用的装金属液的包(“浇包”)或阳极。 PTA(5)也可以用于在移除废阳极之后和装备新阳极之前清理阳极孔。

服务单元(5)包括：桥式吊车(6)，其能在电解池(2)上方移 动；以及，至少一个服务模块(7)，其包括一个可移动车架(8)， 也称为“工具架”，该可移动车架(8)能够在桥式吊车(6)上移动 并且设有多个操作和干预设备(10)，诸如工具，其中之一可以是壳 铲(100′)。这些工具在此安装至竖直伸缩柱(9)，所述竖直伸缩柱 附接至可移动车架(8)。如我们已知的，例如在欧洲专利申请 EP-A-0440488中，壳铲也可以在车辆而非PTA上移动和操作。本发明 适用于任何收集单元，无论它是如何移动的，以及其本身在工作区域 上方的位置。

图2和图3示出了收集单元(100)的一个具体实施方案，所述收 集单元是固定至伸缩臂的末端的壳铲(100′)，在可移动臂(这里称为 “铲杆”(11))的末端。所述铲杆是在竖直柱(9′)内滑动的可移动 竖直柱(9″)，所述竖直柱(9′)也通过如下致动器(未示出)致动 而竖直移动，所述致动器与服务模块(7)的可移动车架(8)的工具 转动架联结。所述壳铲包括框架(110)，该框架设有彼此对立布置的 两个斗(120a和120b)，所述两个斗相对于一个基本竖直平面基本对 称，围绕两个基本水平轴线(115a和115b)铰接、旋转。每个斗(120a 和120b)都具有一个前缘(128a和128b)，其与另一个斗(120b和 120a)的前缘(128b和128a)对立。第二致动器在这里为与框架(110) 联结的两个起重器(200，201)，它们同时作用，导致每个斗相对于 基本竖直平面基本对称旋转运动，使得位于两个斗之间的固体残留物 被所述斗捕获。

实施例(图2至图7)

图4至图7示出馈入本发明的收集单元的第一致动器(50)的液 压管路的四种不同配置，所述液压管路附有上述特征(图2和图3)。

第一致动器或起重器(50)是具有主体(55)和与杆(52)相联 的活塞(56)的双作用起重器(51)。所述杆(52)与收集单元(在 图4至7中未示出)联结。双作用起重器(51)具有：位于杆侧的腔 室(53)，称为下部腔室，其能够在任意时间使可移动竖直柱(9″) 竖直向上移动；以及，位于活塞侧的腔室(54)，称为上部腔室，其 能够在任意时间使所述可移动竖直柱竖直向下移动。液压管路包括两 个部分(63)和(64)，它们馈入双作用起重器(51)的两个腔室(53) 和(54)。所述管路可通过三位置分配器——在下文中将其称为“方 向分配器”(80)——连接至液压单元的“压力管路”(P)和“返回 管路”(R)。所述方向分配器(80)自然情况下处于与静止对应的位 置(802)并且可被激励处于以下另外两种可能位置之一：其中起重器 的杆(52)根据差动模式将收集单元向下移动的位置(803)，以及其 中所述起重器杆将所述收集单元向上移动的位置(801)。

第一部分管路(64)包括主支路(640)，该主支路的一端连接至 方向分配器(80)，该主支路的另一端分为两个支路：第一支路(641) 连接至起重器(51)的活塞-腔室(54)，第二支路(642)连接至压力 调节器(70)的返回口(73)。

第二部分管路(63)包括主支路(630)，该主支路的一端连接至 方向分配器(80)，该主支路的另一端分为两个子支路：每个子支路 都设有一个双位置分配器(81，82)，第一子支路(631，631′，631 ″)与一个截止阀(90)相联，第二子支路(632，632′，632″)与 所述压力调节设备(70)相联。所述两个子支路在它们的另一端相遇， 以构成末端部分(633)，该末端部分馈入位于起重器(51)的杆侧的 腔室(53)。所述截止阀(90)在不通行时完成两个功能：保持负载 (收集单元)的功能，以及在碰撞情况下通过限制杆腔室内的压力而 实现的安全功能。这两个功能可以通过其他分立的设备来完成，例如， 提升阀(distributeur àclappet)，用作负载保持装置，以及用来确保 安全的压力限制装置。

图4示出当起重器处于静止时的管路。方向分配器(80)在自然 情况下处于位置(802)，该位置使两个部分的管路(63)和(64)通 过各自的主支路(630)和(640)相互连接。所述分配器(82)处于 位置(821)，其阻挡第二子支路中的流通，以及使压力调节器(70) 不起作用。通过处于位置(821)的分配器(82)的隔离、以及“不通 行”的截止阀(90)的隔离(连接处(92)和(93)的控制压力不足 以使其通行)，杆-腔室(53)被保持在基本恒定压力——与收集单元 的重量相关，只要其不受任何碰撞。管路支路(633)设有一个安全设 备，其与截止阀(90)的功能相结合，以在碰撞情况下限制杆-腔室内 的压力。

图5示出当起重器快速向下移动时的管路。方向分配器(80)被 激励以占据位置(803)，该位置使得两个部分的管路(63)和(64) 与液压单元的压力管线(P)相通，在方向分配器(80)——其处于位 置(803)——的水平处，两个部分的管路(63)和(64)还通过它们 各自的主支路(630)和(640)相互连通。分配器(82)处于位置(821)， 该位置使得压力调节器(70)不起作用。分配器(81)处于位置(812)， 并且允许截止阀(90)运行：只要由来自支路(92)(“外部控制”) 和支路(93)(通过阀(91)-“内部控制”)的控制压力形成的最终 结果的力高于某一值，截止阀(90)就变成通行的。

截止阀(90)被设在临界值，一般为约180bar，使得一旦其控制 具有足够压力，它就变成通行的，并且油能够从杆-腔室(53)通过支 路(630)和(640)流向活塞-腔室(54)，所述两个支路在方向分配 器(80)——位于位置(803)——的水平处相互连通。以这样的方式， 来自液压单元的油的流量增加以来自活塞-腔室的油的流量。如果活塞- 腔室(54)的部分和杆(52)的部分之间的比率是x，则来自液压站的 流量被乘以x，使得利用这样的差动组件，活塞杆能够以高于常规组件 x倍的速度下降。

图6示出当起重器为所谓的补偿模式、通过刮擦所述槽的底部收 集残留物而进行动作时的管路。方向分配器(80)被激励以占据位置 (801)，该位置将主支路(630)与液压单元的压力管线(P)相连， 以及通过返回管线(R)将主支路(640)与液压单元箱相连。分配器 (82)处于位置(822)，分配器(81)处于位置(811)，这使得压 力调节器(70)可工作：如果杆-腔室(53)内的压力高于既定值，一 般在约58bar，油就从杆-腔室(53)流向活塞-腔室(54)。另一方面， 如果杆-腔室(53)内的压力低于该既定值，液压单元中的油就馈入所 述杆-腔室。

在刮擦过程中，如果收集单元不与槽的底部接触，位于杆侧的腔 室(53)内的压力就会增加，因为起重器必须支承相应于所述收集单 元的重量的负载，所述重量高于预定载荷。压力调节器控制系统将标 定弹簧(ressort de tarage)(71)提供的载荷与由于支路(72)中的 压力形成的载荷相比较，所述支路(72)通过第二子支路的部分(632′)、 处于位置(822)中的分配器(82)以及末端部分(633)连接至位于 杆侧的腔室(53)。如果标定载荷较低，则调节器通过出口(73)使 第二子支路的部分(632′)与第一部分的管路(64)的支路(642) 相通，使得调节器变成通过返回管线(R)在杆-腔室(53)和液压单 元箱之间是通行的。以这样的方式，杆侧的腔室内的压力降低，并且 收集单元的表观重量再次增加。

相反，在刮擦过程中，如果收集单元过重地按压所述槽的底部， 则位于杆侧的腔室(53)内的压力就会小于预定载荷。于是，压力调 节器控制系统——其将标定弹簧(71)提供的载荷与由于支路(72) 中的压力形成的载荷相比较，所述支路与位于杆侧的腔室(53)相 通——通过出口(74)使第二子支路的部分(632′)与第二子支路的 另一部分(632)相通，使得调节器变成在杆-腔室(53)和液压单元的 压力管线(P)之间是通行的。以这样的方式，杆侧的腔室(53)内的 压力增加，并且收集单元的表观重量减少。

图7示出当起重器将杆(52)升起时的管路。方向分配器(80) 被激励以占据位置(801)，该位置将主支路(630)与液压单元的压 力管线(P)相连，以及通过返回管线(R)将主支路(640)与液压单 元箱相通。分配器(82)处于位置(821)，分配器(81)处于位置(812)， 这使得压力调节器(70)不起作用。受压的油通过主支路(630)，通 过处于位置(812)的分配器(81)，通过止回阀(91)使部分(631 ″)和(633)重新结合，以馈入杆-腔室(53)。随着活塞上升，活塞 -腔室(54)内的油通过主支路(640)被送出至液压单元的返回管线(R)。