用于收集在生产铝的电解槽中的固体碎片的装置

摘要

斗式铲类型的收集单元（100），用在铝生产池中，包括：a)固定在移动支撑件（5’）上的装置；b)由第一驱动器（50）驱动的连接件（52，52’），相对于移动支撑件在竖直方向上移动；c)与连接件联结的框架（110）；d)至少一个铰接的斗（120a，120b），其围绕轴线（115a，115b）转动，安装在框架上，具有刀刃（128a，128b），并围绕所述基本水平轴线转动。第一驱动器（50）连接至可编程控制系统，可编程控制系统能够确定所述轴线的高度以及所述刀刃和所述轴线之间的高度差，限定要赋予收集单元的竖直运动，以及限定和传递合适的控制流给第一驱动器以赋予所述竖直运动。控制流可以为由变速器传递给电动机的控制电流或由伺服分配器控制的、供应液压千斤顶的腔室的油流。

说明书

技术领域

本发明涉及通过霍尔-赫罗尔特（Hall-Héroult）法使用火法电解进 行的铝生产。更具体地，本发明涉及一种为收集浸没在电解液和金属液 中或浮在电解液和金属液上的固体碎片而设计的装置，所述固体碎片尤 其是来自电解液、聚集在槽的底部的淀渣，以及尤其因在去除废阳极之 前和过程中进行的各种操作而出现的炭残余物和外壳碎片。

背景技术

工业上，铝是在电解池中使用公知的霍尔-赫罗尔特法通过火法电 解来生产。工厂包含数量众多的直线排列在被称作电解车间或电解室的 建筑物中并使用连接导体电串联连接的电解池，从而充分利用工厂的房 屋面积。电解池通常被布置为形成两条或更多条通过端部导体相互电连 接的平行线。在每个电解池中，电解液和金属液被包含在槽（被称为“电 解槽”）中，该槽包括钢容器，该钢容器在内部覆有耐火和/或隔热材 料，并且阴极组件位于该槽的底部。阳极，通常由碳素材料制成，部分 浸没在电解液中。

在运行时，电解工厂需要对电解池进行作业，这尤其包括：用新阳 极更换废阳极、对金属液进行取样、以及增加电解液或对其进行取样。 为了进行这些作业，工厂通常装备有：一个或多个服务单元，其包括一 个可以在一系列电解池上方并沿着所述一系列电解池移动的天车；以及 一个或多个服务模块，每个服务模块都包括能够在天车上移动的滑架， 以及操作和作业装置，诸如铲子和升吊器械，这些常被称为“工具”。 这些服务单元经常称为“槽管理组件”（Pot Tending Assembly,PTA） 或者“槽管理机”（Pot Tending Machine,PTM）。所述服务模块通常 包括附接至滑架的回转框架，所述回转框架称为工具支架转台，能够围 绕竖直轴线旋转，并且与所述工具联结（solidaire）。每个工具都可以 固定至一缆绳的端部（该缆绳由附接至所述转台的绞车操纵），或固定 至一臂部的端部，该臂部可以是伸缩的和/或铰接的。

在更换阳极过程中所需要的其中一项作业是清理原来由废阳极占 据的且将由新阳极占据的区域。该区域主要由电解液和金属液组成，但 可包含许多必须在安装新阳极前去除的固体碎片。在电解过程中，在电 解液的上表面上形成了氟化冰晶石和氧化铝的一层硬外壳。该外壳具有 保存电解液中热量的优点，因此构成有效的隔热包层。但该外壳非常硬 且附着至阳极块的壁，以至于必须围绕废阳极破碎所述外壳，从而允许 取出所述废阳极。通常使用诸如开口机（piqueur）的工具（称作“碎 壳机”）来破碎所述外壳。于是在去除废阳极的过程中，在外壳中形成 开口，在安装新阳极之前，保持该开口未被占用，后文我们将所述开口 称为“阳极孔”。破碎外壳以及操作废阳极块不可避免地导致形成固体 断片或固体碎片，它们浮在电解液上或悬浮在电解液中，或者落到槽的 底部。因此，必须使用收集工具（常称为“外壳铲”）将它们去除。

欧洲专利申请EP-A-0 440 488描述了与专用车辆结合的外壳铲的 一个实例，该专用车辆不同于PTA。欧洲专利申请EP-A-0 618 313不 太详细地描述了PTA的一个实例，该PTA装备有能确保在废阳极附近 破碎外壳以及清理阳极孔的装置。常用的外壳铲为由两个斗构成的夹 钳，所述两个斗相对于基本竖直平面对称布置且铰接、围绕两根基本水 平轴线转动，所述两根水平轴线任选重合。每个斗都有与另一个斗的前 缘相对的前缘（也称为刀刃）。为了收集碎片，处于打开位置的外壳铲 插入电解液中，随后通过使用至少一个驱动器使外壳铲从打开位置到关 闭位置（所述至少一个驱动器要么直接作用于斗，要么优选地作用于一 个连接杆组件（embiellage），该连接杆组件被设计为使得所述斗相对 于彼此基本对称地旋转运动），位于两个斗之间的固体碎片被捕获，而 液体介质——电解液和熔融金属的混合物——仍可以漏出，尤其是通过 斗壁中形成的开口漏出。

常见的是，外壳铲的打开和关闭是由至少一个气动千斤顶的动作而 驱动，所述至少一个气动千斤顶作用在一个被设计为将千斤顶的平移运 动转换为斗的两个对称旋转运动的连接杆组件上。在将新阳极放置在池 中之前，必须确保阳极孔中所有的外壳碎片和炭碎片已被去除。因为一 些碎片可能位于槽的底部，所以必须把外壳铲插入到由电解液和金属组 成的液体介质中，以使得它的前缘与槽的底部齐平。但随着当外壳铲闭 合以收集碎片时斗的前缘画出圆形轨迹，操作铲变得非常复杂，这是因 为构成槽的底部的阴极组件可能在该操作过程中受到严重损坏。为了避 免这种损坏，必须使得斗的旋转轴线位于一高度处，以使得斗的前缘在 该操作过程中自始至终不接触槽的底部，同时尽可能靠近该底部以进行 有效清理。然而，难于估量该位置，这是因为视觉上不能看到槽的底部。 另外，因为刀刃画出的圆形轨迹，该理论位置使得外壳铲在刀刃最远离 槽的底部的阶段中几乎不起作用，留在槽的底部的一些碎片有可能无法 收集。

因此，使用外壳铲进行的阳极孔清理作业遇到两个纠结难题：要么 铲离槽的底部太近、可能损坏槽的底部，要么铲离得太远且清理不够充 分。无论采取哪种程序，在槽的作业过程中仍有相当大的发生通常的电 不稳定性和磁不稳定性的风险，从而导致工厂产量的下降。

欧洲专利申请EP-A-1 178 004提出一种可解决上段中提到的问题 的方案。该方案包括使用安装在竖直臂上的斗铲，但没有把与斗的轴线 联结的框架直接固定到所述竖直臂上。为此，所述框架被分成两个部分： 一个被称为“铲支承框架”，这与附接到工具支架转台的臂保持联结； 一个被称为“斗支撑框架”，相对于所述铲支承框架竖直移动，以使得 斗的瞬时旋转中心可以移动而所述臂相对于槽的底部保持不动，可以使 得斗的前缘具有基本直线轨迹。所述铲可以被放置为它的前缘在铲闭合 作业的整个过程中与槽的底部齐平。然而，这种方案使得铲机构更加复 杂，具有用于关闭斗的复杂的连接杆组件，其包括“负载传动杆，该负 载传动杆的一端铰接……在斗上……，以及另一端铰接在旋转致动杆 上，所述旋转致动杆本身铰接在斗支撑框架上，所述旋转杆通过铰接在 铲支承框架上的补偿杆机械连接至铲支承框架，所述旋转杆另外凭借驱 动千斤顶旋转致动，所述驱动千斤顶的应用点与所述斗支撑框架联结”。 此方案使得需要把许多中间部件引入外壳铲中，所述中间部件将要在恶 劣的环境中工作并承受大幅度的振动，尤其是因为与撞击所述斗相关的 应力。这导致频繁更换受到快速磨损的这些部件。

发明内容

本申请人的目的在于：在阳极更换过程中使用易于清理和维修以及 保养不贵的简单工具实现对阳极孔的有效清理，而不会损坏槽的底部。

本发明的第一主题为一种收集单元，其用于收集在铝生产池的液态 介质中的固体碎片和淀渣，所述液态介质诸如电解液和金属液，所述收 集单元尤其是一种用于清理阳极孔的外壳铲，所述收集单元包括：

a）固定装置，用来把所述收集单元固定到一移动支撑件上，所述 移动支撑件能够使所述收集单元在待清理的区域上方移动；

b）由第一驱动器驱动的连接件，所述第一驱动器使得所述连接件 相对于所述移动支撑件在竖直方向上移动；

c）与所述连接件联结的框架；

d）至少一个铰接的斗，所述斗围绕基本水平轴线转动，安装至所 述框架，具有基本水平的刀刃，所述斗由与所述框架联结的第二驱动器 驱动，所述第二驱动器使得所述斗围绕所述基本水平轴线旋转运动，

其特征在于，所述第一驱动器连接至可编程控制系统，所述可编程 控制系统能够：

i）直接地或间接地确定所述基本水平轴线的高度以及在所述斗的 所述刀刃和所述基本水平轴线之间的高度差；

ii）根据i）中确定的值，限定竖直运动，所述竖直运动必须被应用 到所述连接件，以使得所述刀刃的高度保持高于一预定值；

iii）限定一合适的控制流并将所述合适的控制流传递给所述第一驱 动器，以使得所述第一驱动器能够把所述竖直运动应用到所述连接件。

所述第一驱动器使得能够竖直地移动所述连接件；该连接件——通 常为刚性杆、滑动竖直杆或缆绳的形式——与所述收集单元联结。根据 本发明，第一驱动器（也称为“升降驱动器”），尤其是在斗旋转过程 中，被使得以如下方式运行：在该方式下根据斗刀刃的高度施加斗的旋 转轴线的高度。为此，所述第一驱动器在所述斗旋转过程中受到所述可 编程控制系统的控制，该可编程控制系统有利地包括一个测量和控制单 元和一个转换器。所述测量和控制单元：

-获取通常由测量传感器提供的、与所述基本水平轴线的所述高度 和在斗刀刃和基本水平轴线之间的所述高度差相关的数据；

-通常使用一相关的计算用存储器，根据这些数据推断一设定值， 所述设定值必须被施加在所述基本水平轴线的高度上，以使得刀 刃的高度至少等于一预定值，这使得能够避免在所述刀刃和位于 所述收集单元下方的障碍物之间发生接触的风险，所述障碍物例 如为槽底部；

-发射一表示所述设定值的信号给所述转换器。

所述转换器把所述信号转换成控制流，并且传递所述控制流至所述 第一驱动器。根据驱动器的类型，所述转换器例如可以为与千斤顶结合 的伺服分配器（servo-distributeur），或者为与电动机结合的变速器 （variateur de vitesse）。在第一种情况下，所述控制流为朝向千斤顶 腔室的油流量。在第二种情况下，所述控制流为电信号或控制电流，所 述电信号或所述控制电流的特性（强度、频率等）对电动机的旋转方向 和速度有影响。

基本水平轴线的高度和刀刃的高度可以由传感器直接测量，但是因 为腐蚀环境和难于接近，这些直接测量可以有利地由使用间接测量进行 计算所代替。因此，所述可编程控制系统可以连接至用于测量所述连接 件相对于参考水准面的竖直运动的第一传感器，并且连接至用来直接或 间接测量斗刀刃和所述斗转动所围绕的所述基本水平轴线之间的高度 差的第二传感器。所述参考水准面可以为限定在电解车间的参考系中一 个固定水准面。它也可以与安装有所述收集单元的移动支撑件关联。在 后一种情况下，显然需要考虑到所述移动支撑件的高度可能变化。关于 所述第二传感器，可以使用能确定所述斗的角位置的传感器。为此，如 果所述第二驱动器为通过一根杆在所述斗上施加旋转的千斤顶，则可以 使用一测量所述千斤顶的杆相对于所述千斤顶的主体的运动的位移传 感器。

有利地，传递到所述第一驱动器的控制流的特性对所述第一驱动器 必须执行的运动的方向和强度产生作用：观察到的在基本水平轴线的测 量高度和它的设定高度之间的差异越大，施加到所述驱动器的运动强度 越大。

显然，可能更加需要对刀刃的轨迹进行控制，因为当刀刃离槽的底 部太远时所述收集单元的效率降低。在本发明的一优选方案中，待施加 给所述基本水平轴线的高度的设定值被限定为使得刀刃的高度不仅更 大而且尽可能接近所述预定值。有利地，通过进行很多次测量并且在每 次测量时进行所述连接件的纠正运动以使得所述基本水平轴线位于允 许刀刃处在预期高度的设定高度处，可以赋予所述刀刃一预定轨迹。为 此，所述测量和控制单元有利地是工业用可编程逻辑控制器（automate  programmable industriel），所述工业用可编程逻辑控制器在不同时刻， 优选地以固定时间间隔，通常为几十毫秒：

a）获取由所述第一传感器和所述第二传感器提供的数据；

b）使用基于在适当的参考系中描述刀刃的轨迹的运动学模型的 计算机程序，根据这些数据，推断必须施加给斗的枢转轴线的高度的设 定值；以及

c）传递表示所述设定值的信号（S）给所述转换器。

有利地，用在所述可编程逻辑控制器中的计算机程序是基于描述在 槽的底部上方但又离槽的底部不太远经过的刀刃的轨迹的运动学模型。 该轨迹可以根据槽底部的理论轮廓通过沿一竖直向上指向的向量平移 而推断出，所述平移的强度对应于预设安全距离。

例如，根据本发明的收集单元可以为用于清理阳极孔的“外壳铲”， 所述收集单元包括一个框架和安装在所述框架上的两个斗，所述两个斗 相对于基本竖直平面对称布置、是铰接的、围绕两根基本水平轴线转动， 每个斗都有与另一个斗的刀刃相对的刀刃，与所述框架联结的第二驱动 器在每个所述斗上都施加相对于所述基本竖直平面基本对称的旋转运 动，从而位于所述两个斗之间的固体碎片被所述斗捕获。

优选地，为了在所述斗上施加流畅运动，第二驱动器（也被称为“关 闭驱动器”或“关闭/打开驱动器”）不应是气动千斤顶，因为这种类 型的千斤顶不能在斗的关闭阶段期间连续地控制斗的旋转速度。虽然可 以选择（电气）机械驱动器，但是优选地，应选择由一回路供应的液压 千斤顶，所述回路的一部分被差动组装，以使得所述斗具备下面描述的 撞击功能，该撞击功能对于在阳极孔清理期间使用的机械铲是必不可少 的。

为了收集碎片，所述收集单元（是外壳铲）在它处于打开位置时被 插入电解液中；然后通过使用闭合驱动器使它从打开位置到闭合位置， 所述闭合驱动器作用在被设计为使所述斗相对于彼此基本对称旋转运 动的一连接杆组件上。因此，位于两个斗之间的固体碎片被捕获，而液 态介质——电解液和熔融金属的混合物——仍可漏出，尤其通过设在斗 壁中的开口而漏出。部分所述液态介质（所述液态介质非常粘）附着至 斗壁，以使得所述斗覆盖有每次外壳铲进入槽之后必须去掉的矿渣 （gangue），因为斗很快就变得阻塞，因此不能工作。为了去除最大量 的附着至斗表面的电解液和金属（所述电解液和金属冷却且固化），进 行被称为“斗撞击”的作业。在该作业中，使用斗关闭/打开驱动器， 以使得以这样的速度驱动斗的相互面对的边缘，以至于当所述边缘相互 接触时，产生足够剧烈的震动，足以使冷却的电解液和金属脱离且从所 述斗的表面弹出。

常规地，尤其因为非常适于撞击作业，所以斗关闭/打开驱动器由 一个或多个气动千斤顶组成。在此，在本发明的范围内，为了保证斗的 流畅运动并且为了更好地控制刀刃的轨迹，有利的是用连接至供应回路 的至少一个双向作用的液压千斤顶代替气动千斤顶，所述供应回路具有 用于关闭所述斗的至少两个工作方案：

第一方案，其中所述斗缓慢向前移动，但所述关闭千斤顶可以 提供足以带走由所述斗遇到的固体碎片的力；

第二方案，其中不必传递力，但是必须给所述斗传递足以执行 撞击功能的动能。该第二方案对应于与下面在实施例1中在对 收集单元的快速下降进行的评论中描述的相似的差动线路 （montage en différentiel），如图5所示。显而易见，由于待 执行的功能不同，所以供应第二驱动器的所述回路不同于供应 第一驱动器的回路，但差动线路的原理仍相同。

以前的看法是外壳铲的有效撞击仅可以通过气动装置执行。看法 是，因为加压空气，所以可以更容易和更快速使斗进行足够快的对称旋 转运动以由所述运动产生震动，从而分离和弹出正在斗表面上固化的电 解液和金属。另外，过去总是能够在槽管理机上得到加压空气源。最后， 过去期望避免在可能直接靠近电解液的地方设置液压回路。

在此，在本发明的优选实施方案的框架内，选择一个或多个液压千 斤顶作为第二驱动器。为了防止它（它们）靠近电解液，要么可以使所 述液压千斤顶远离，并且使用作用在所述连接杆组件上的中间部件，要 么可以将所述液压千斤顶留在所述斗附近，但受到保护免受喷射。例如， 可以使用装在所述槽管理机上并已处在高处以远离电解液的液压站，并 且操作所述千斤顶所需的液压回路被安装为更暴露于恶劣环境的部分 被限于供应双向作用的千斤顶的隔间的软管。为了进一步提高对该回路 部分的保护以免受恶劣环境和可能的电解液喷射，铲支承框架可以用作 屏障，把千斤顶安装在该屏障上方，并且通过围绕所述千斤顶和所述软 管的竖直壁完全保护了在所述千斤顶附近的液压回路软管。

另外，选择一个或多个液压千斤顶作为关闭驱动器的事实能够使由 槽管理机的机载压缩机提供的加压空气专注于其他功能，或者优选地能 够选择低容量的压缩机（因此该压缩机会更轻）来装配所述槽管理机。

在根据本发明的第一实施方案中，所述第一驱动器（也称作“升降 驱动器”）包括与所述移动支撑件联结的电动机，连接件与所述收集单 元联结并且连接到所述电动机，从而所述电动机的旋转凭借所述连接件 使得所述收集单元移动；以及所述转换器是能够传递控制电流到所述电 动机的变速器，所述控制电流的特征允许所述电动机将所述竖直运动赋 予所述连接件。所述电动机可以是电千斤顶的引擎，所述连接件是千斤 顶的支撑所述收集单元的竖直杆的杆或与所述收集单元的竖直杆连接 的杆。它也可以是电动绞车的引擎，所述连接件是支撑所述收集单元的 缆绳。下面描述的实施例2示出了此实施方案。

在本发明的第二方案中，所述第一驱动器包括至少一个液压千斤 顶，该液压千斤顶包括与移动支撑件联结的主体和连接至一个杆的活 塞，所述杆充当所述连接件；以及所述转换器为安装至用受控流供应所 述液压千斤顶的杆侧腔室的液压回路部分的分配器。这样，至少当所述 第二驱动器被激活时，杆侧腔室中的油量被所述分配器利用了，有利地， 所述分配器为具有受控流（asservi en débit）并由所述可编程控制系统 控制的电液式伺服分配器。优选地，所述分配器是电控式比例作用的 4/3伺服分配器。

在本发明的该第二方案中，所述第一驱动器包括至少一个液压千斤 顶，所述液压千斤顶能够竖直移动所述连接件，所述收集单元的其余部 分附接至所述连接件。优选地，所述收集单元的作业臂为伸缩臂，该伸 缩臂包括在“固定”臂内部滑动的“移动”杆，所述液压千斤顶的杆与 所述“移动”杆联结，所述液压千斤顶的主体与所述“固定”杆联结， 所述“固定”杆连接至所述移动支撑件，例如一个工具支架转台，所述 工具支架转台固定在一个滑架上，所述滑架能够沿着天车的梁行进，以 使得所述收集单元可以在向下到阳极孔处之前在工作区域上方移动和 定位。包括使得“移动”杆与千斤顶的主体联结以及与“固定”杆联结 的杆与所述移动支撑件联结的“对称”方案也是可能的。在这两种情况 下，通过给杆侧腔室供应油而使得收集单元上升。在本发明的第二方案 中，一个优选实施方案包括由一个可编程控制器控制的分配器，所述可 编程控制器以固定时间间隔（通常为几十毫秒）获取斗转动所围绕的基 本水平轴线的高度H以及第二驱动器的活塞杆的位移值L，使用相关的 计算用存储器根据这些值推断必须赋予斗的枢转轴线的高度的设定值， 并且发出信号给所述分配器，以降低或增加供应杆侧腔室以及达到正确 高度所必需的油量。

所述第一驱动器可以包括若干液压千斤顶。然而，因为不容易控制 每个杆侧腔室中的油量，所以优选地使用单个千斤顶作为第一驱动器， 仅使用一个受控分配器（distributeur asservi）供应该单个千斤顶的杆 侧腔室。

根据本发明的装置尤其能够在槽底部和斗刀刃之间限定安全距离 的同时收集碎片：一旦估计的距离小于该安全距离，控制系统就发送指 令给所述分配器，所述指令增加千斤顶的杆侧腔室中的油量，从而在所 述活塞上施加期望高度并因此在斗的基本水平旋转轴线上施加期望高 度。

有利地，为了有效收集碎片，斗刀刃和槽的底部之间的距离也应当 不太大：一旦估计的距离大于预定限制距离，控制系统就发送指令给所 述分配器，所述指令减少千斤顶的杆侧腔室中油量。在下面描述的实施 例1中，仅作用在连接至杆侧腔室的液压回路上：当必须移动所述斗远 离槽底部时，比例作用的伺服分配器控制以所需压力发送的油流进入杆 侧腔室；当需要将所述斗更靠近时，它将受控油流从杆侧腔室发送到油 箱，所述受控油流处于基本相应于收集单元的重量的压力。在实施例2 中，所使用的变速器发出控制电流，该控制电流不仅可以对电动机的旋 转速度的幅度起作用，而且对电动机的旋转方向起作用。

优选地，所述安全距离和所述限制距离被选择为尽可能接近。因为 槽底部大致为一个平面，所以这相当于在斗的前缘上施加一直线轨迹。 显而易见，根据要进行碎片收集的地方处的槽底部的实际几何形状，可 以更准确地限定该轨迹。在实践中，人们为斗刀刃限定目标高度，可编 程控制系统与编有程序的计算用存储器联合，以根据直接或间接测量的 斗开口角提供所述斗的瞬时旋转中心必须有的设定高度。如果槽底部被 认为是一个平面，则刀刃的目标高度是固定的。根据池中待要处理的阳 极孔的位置，该目标高度是可变化的；这仅需要使用和更复杂的控制系 统联合的计算用存储器，根据收集单元工作的地方给出不同的设定值。 因此，根据本发明的装置使得能够把斗定位得尽可能靠近阴极，并因此 能够增加碎片收集作业的效率，而不会接触槽底部。

在实践中，收集单元——悬挂自沿天车移动的移动滑架——有利地 设有位移传感器，该位移传感器能连续地给出斗的基本水平的旋转轴线 的高度。位移传感器可以为具有电缆的编码器（encodeur à）或者 为激光测距器。槽底部的高度本身是已知的，且可以定期检测到，例如， 通过缓慢的降低位于所述预定位置的收集单元，直到斗刀刃接触槽底 部。所述斗总体是由轴向壁（即，由与枢转轴线平行的且沿开口导向曲 线的发生线产生的直纹面（surface réglée））和两个横向壁界定的。这 些横向壁具有基本直线边缘，该直线边缘接合所述开口曲线的端部。所 述斗的位置可以由该边缘与竖直方向形成的角度α表示。通过把从该边 缘到枢转轴线的距离表示为d并且把刀刃和所述枢转轴线在所述边缘 上的投影之间的距离表示为h，随着边缘相对于竖直方向的倾斜角度α， 连续地给出了所述基本水平轴线和所述刀刃之间的高度差，该高度差由 公式ΔZ＝d cosα+h sinα给出。倾斜角度本身与使得斗转动的致驱动器的 尺寸特征直接相关。例如，对于千斤顶，倾斜角度与千斤顶杆的行程直 接相关。

在本发明的优选实施方案中，可编程的控制系统是工业用PLC（可 编程逻辑控制器），该工业用PLC通过使用第一传感器在固定时间间 隔（通常为几十毫秒）获取斗的旋转轴线的高度，以及通过使用第二传 感器获取所述关闭千斤顶的行程值，并且通过使用基于在合适参考系中 描述刀刃轨迹的运动学模型的计算机程序，根据这些值推断设定值，其 中所述设定值必须施加在斗的枢转轴线的高度上，并从而控制伺服分配 器以增加或减少到达正确高度所需要的油量。

有利地，所述液压千斤顶是双向作用的千斤顶，该千斤顶的杆与所 述竖直杆和所述收集单元联结，所述千斤顶具有能够连续地在所述杆上 施加向上的竖直运动的杆侧腔室，以及能够连续地在所述杆上施加向下 的竖直运动的活塞侧腔室，这两个腔室凭借至少一个分配器连接至压力 源或油箱，所述供应回路包括若干回路部分，所述若干回路部分使得能 够提供以下的液压供应方案：

a）差动方案，其中杆侧腔室和活塞侧腔室连接至所述压力源，允 许所述杆高速下降；

b）对应于静止位置的方案，所述收集单元保持悬挂，并且所述回 路被布置为如果所述收集单元遇到障碍物，它能够毫不费力地竖直移 动；

c）其中杆侧腔室连接至压力源的方案，该方案对应于所述收集单 元的向上运动；

d）处于受控作业（fonctionnement asservi）的方案，其中供应杆 侧腔室的回路部分包括一个具有受控流和由可编程控制系统控制的分 配器，所述可编程控制系统包括一个测量和控制单元，该测量和控制单 元获取与所述基本水平轴线的高度以及在斗刀刃和基本水平轴线之间 的高度差相关的数据，根据这些数据推断必须给所述基本水平轴线的高 度施加的设定值，以及发出表示所述设定值的信号给所述分配器。

在下面给出实施例1中，更详细地描述了所述收集单元的这些不同 运行阶段。

本发明的另一个主题为一种服务模块，该服务模块用在通过火法电 解生产铝的工厂中，并且包括一个滑架，以及作业和维护装置，其特征 在于，所述服务模块还包括根据本发明的收集单元，例如如上所述的收 集单元。

本发明的另一个主题为一种用于通过火法电解生产铝的工厂的 PTA，所述PTA包括天车，其特征在于，所述PTA还包括至少一个根 据本发明的服务模块，例如如上所述的服务模块。

本发明的另一个主题为根据本发明的服务模块的用途，该服务模块 用于对通过火法电解生产铝的电解槽的作业，尤其用于清理阳极孔，其 中所述第一驱动器由所述可编程控制系统控制，以使得所述斗刀刃遵循 预定轨迹，该预定轨迹通常位于槽底部上方并平行于所述槽底部。

本发明的另一个主题为一种用于在阳极更换过程中清理阳极孔的 方法，其中使用根据本发明的收集单元，所述第一驱动器被安装为与槽 管理机联结；并且进行以下步骤：

a.使用PTA驱动器，使所述收集单元处于关闭位置，与所述阳极 孔成直线，所述第一驱动器处于静止；

b.启动所述第一驱动器以快速下降到预定高度，所述预定高度高 于位于槽中的电解液的水平面，从而允许打开所述收集单元；

c.启动所述第二驱动器，以使得它打开所述斗，直到所述斗到达 一参考打开位置，该参考打开位置通常接近由所述第二驱动器的行程允 许的最大开口；

d.启动所述第一驱动器以缓慢下降到预定高度；在一具体和优选 实施方案中，选择的所述预定高度为当斗刀刃接触槽底部时所述连接件 的一个代表点达到的高度。启动所述第一驱动器以缓慢下降直到检测到 至少一个刀刃接触在槽底部；例如，如果所述驱动器为液压千斤顶，则 使用一用来检测供应所述活塞侧腔室的油回路中的压力突然增加的时 间的传感器、一能给出斗的打开角度的传感器、以及一能给出在所述接 触时所述连接件的高度的位移传感器；

e.根据在前一阶段结束时所述达到的高度，推断必须将所述刀刃 限定在的高度，要考虑一安全距离，以及推断所述刀刃在所述参考打开 位置和关闭位置之间必须遵循的轨迹；

f.启动所述第一驱动器以把所述收集单元举起到在前一阶段中限 定的轨迹的原点；

g.启动所述第二驱动器，所述第一驱动器处于受控模式，以使得 刀刃遵循在步骤e）中限定的轨迹；

h.一旦关闭所述收集单元，将所述第一驱动器启动为上升模式； 然后，当所述收集单元达到一定高度时，使用PTA驱动器移动该组件 朝向一接收收集起来的碎片的区域。

附图说明

图1是在生产铝的典型电解车间中的PTA的一个示例性剖视图。

图2示出了收集单元的一个具体实施方案，该收集单元是外壳铲， 该外壳铲安装至由液压千斤顶驱动的伸缩式竖直导向杆。

图3是图2示出的实施方案中的连接杆组件和斗式铲的立体图。

图4至图7示出液压回路的四个不同配置，该液压回路供应根据本 发明的收集单元的第一驱动器（千斤顶）。这些配置对应于以下工作模 式：静止（图4）、快速下降（图5）、上升（图6）以及受控作业（图 7）。

图8示意性示出了根据本发明的收集单元，其中所述第一致动器是 电气机械千斤顶。

具体实施方式

生产铝的电解工厂包括铝液生产区域，该区域包含一个或多个电解 车间。图1示出的电解车间（1）包括电解池（2）和PTA（5）。电解 池（2）常常成排或成列排列，每排或每列通常包括一百个以上的电解 池。电解池（2）排列为沿电解车间（1）的长度留有过道。电解池（2） 包括一系列阳极（3），所述阳极设有用于固定阳极且将所述阳极电连 接至金属阳极框架（未示出）的金属棒（4）。

PTA（5）用来对电解池（2）进行作业，诸如更换阳极或给进料斗 填充压碎的熔体和氟化铝（AlF3）。它也可用来处理各种负载物，诸如 槽部件、用在铸造中的液态金属的浇包（“铸造浇包”）、或者阳极。 它也可用来在去除废阳极之后以及在安装新阳极之前清理阳极孔。

PTA（5）包括：天车（6），该天车可以在电解池（2）上方移动； 以及至少一个服务模块（7），该服务模块包括移动滑架（8）（称为“工 具支架”），其能够在天车（6）上移动并且装备有几个操作和维护装 置（10），诸如，工具，尤其可以为外壳铲（100’）。所述工具在此安 装到竖直的伸缩杆（9）上，该竖直的伸缩杆附接到移动滑架（8）。如 我们已经看到的，例如，在欧洲专利申请EP-A-0 440 488中，外壳铲也 可以由不同于PTA的车辆移动并且操纵。本发明适用于所有收集单元， 而不论它在工作区域上方如何移动和定位。

图2和图3示出收集单元（100）的一个具体实施方案，该收集单 元为固定至伸缩臂——在移动臂的端部——的端部的外壳铲（100’）， 所述移动臂在此称为“铲柄”（11）。铲柄为在竖直杆（9’）内部滑动 的移动式竖直杆（9’’），该移动式竖直杆（9’’）本身在驱动器（未示 出）的作用下竖直移动，能够实现较快速的移动，同时与服务模块（7） 的移动滑车（8）的工具支架转台保持联结。所述外壳铲包括设有两个 斗（120a和120b）的框架（110），所述两个斗相互对置、相对于基本 竖直平面基本对称、是铰接的、围绕两根基本水平轴线（115a和115b） 转动。每个斗（120a，120b）都有与另一个斗（120b，120a）的刀刃（128b， 128a）相对的前缘或刀刃（128a，128b）。第二驱动器在此示作两个与 框架（110）联结的千斤顶（200，201），所述千斤顶同时作用，通过 连接杆（300，300’）使得每个斗都相对于所述基本竖直平面作基本对 称的旋转运动，从而位于所述两个斗之间的固定碎片被所述斗捕获。在 本发明之前，第二驱动器的两个千斤顶是气压千斤顶，其尤其适于撞击 作业。

实施例

实施例1（图2至图7）

图4至图7示出了液压回路在四个不同配置中的方案，所述液压回 路供应用于本发明的收集单元的第一驱动器（50），所述收集单元另外 还具有上述（图2和图3）的特征。

第一驱动器（50）或升降千斤顶是双作用的千斤顶（51），其具有 主体（55）和连接有杆（52）的活塞（56）。杆（52）与所述收集单元 （未在图4至图7中示出）联结。双作用的千斤顶（51）具有：杆侧腔 室（53），其称为“低腔室”，在任何时候都能够使得移动式竖直杆（9”） 竖直向上移动；以及活塞侧腔室（54），其称为“高腔室”，在任何时 候都能够使得所述移动式竖直杆竖直向下移动。所述液压回路包括供应 双作用的千斤顶（51）的两个所述腔室（53）和（54）的两个部分（63） 和（64）。所述回路可以通过三位置分配器（称为“方向分配器”，80） 连接至液压站的“压力管线”（P）和“返回管线”（R）。方向分配 器（80）正常地处于静止位置（802），并且可以被激励到位于其他两 个可能位置中的一个：位置（803），在该位置，千斤顶的杆（52）向 下移动所述收集单元；以及位置（801），在该位置，千斤顶杆向上移 动所述收集单元。

回路部分（64）包括主分支（640），其一端联接至方向分配器（80） 以及另一端连接至千斤顶（51）的活塞腔室（54）。

回路部分（63）包括主分支（630），其一端连接至方向分配器（80）， 以及另一端分成两个子分支，每个子分支设有一个双位置分配器（81， 82）：第一子分支（631，包括6310，6311，6312以及6313）连接有 截止阀（90）；第二子分支（632，包括6320，6321以及6322）连接 有电液式伺服分配器（83）。这两个子分支在它们的另一端会合以组成 回路部分（633），该回路部分（633）供应千斤顶（51）的杆腔室（53）。

图4示出了升降千斤顶静止时的回路。方向分配器（80）正常地处 于位置（802），该位置（802）将两个回路部分（63）和（64）通过它 们各自的主分支（630）和（640）相互连接。分配器（82）处于阻止在 第二子分支中流通的位置（821）。由于该杆腔室（53）被处于位置（821） 的分配器（82）以及“不开通”的截止阀（90）（连接（92）和（93） 的控制压力不足以使该截止阀开通）隔离，该杆腔室（53）不受任何冲 击地保持在与所述收集单元的重量相关的基本固定压力。回路分支 （633）设有集成到截止阀（90）的功能中的安全装置，以在发生冲击 的情况下限制杆腔室中的压力。

图5示出了升降千斤顶快速向下移动时的回路。方向分配器（80） 被激励到占据位置（803），该位置（803）使得两个回路部分（63）和 （64）与液压站的压力管线（P）连通，这两个回路部分（63）和（64） 通过它们各自的主分支（630）和（640）在方向分配器（80）——处于 该位置（803）——处也相互连通。分配器（82）处于阻止在第二子分 支中流通的位置（821）。分配器（81）处于位置（811），并且允许截 止阀（90）运行：一旦来自分支（92）和分支（93）的控制压力的合力 高于某个值时，截止阀（90）即开通。

截止阀（90）被设定一个临界值，通常大约180巴，以使得一旦它 的控制器具有充足压力，它即开通，并且油可以从杆腔室（53）流出， 通过在位于位置（803）的方向分配器（80）处相互连通的分支（630） 和（640），流到活塞腔室（54）。这样，来自液压站的油流被来自活 塞腔室的油流增加了。如果活塞腔室（54）的截面与杆（52）的截面之 比为x，则来自液压站的流乘以x，以使得在这种差动线路的情况下， 活塞杆可以比在常规线路下快x倍的速度下降。

图6示出了在升降千斤顶升起杆52时的回路。方向分配器（80） 被激励到占据位置（801），该占据位置（801）把主分支（630）与液 压站的压力管线（P）连接，并且使得主分支（640）通过返回管线（R） 与液压站的油箱连通。分配器（82）处于位置（821），分配器（81） 处于位置（811）。加压油穿过主分支（630），经过处于位置（811） 的分配器（81），经由单向阀（91）汇入部分（6313）和（633），以 供应杆腔室（53）。随着活塞上升，活塞腔室（54）中的油经由主分支 （640）被送出到液压站的返回管线（R）。

图7示出了在碎片收集过程中升降千斤顶被启动处于受控模式时 的回路。方向分配器（80）被激励到占据位置（801），该占据位置（801） 把主分支（630）与液压站的压力管线（P）连接，并且把主分支（640） 与液压站的返回管线（R）连接。分配器（82）处于位置（822），分配 器（81）处于位置（812）。根据需要升起还是降低千斤顶，伺服分配 器被激活以处于降低位置（831）或升起位置（833）。

伺服分配器由PLC（84）控制，该PLC接收由两个传感器提供的 读数：

-第一传感器指示在参考水平高度（N）（例如，工具支架转台的 平台）和收集单元的框架（110’）上的固定点（在图7中由斗旋转轴线 的共同水平高度示出）之间的距离（H），该距离使得能获得斗（120’） 转动围绕的轴线（115’）的高度，该斗的形状以虚线示出；

-第二传感器指示关闭千斤顶杆（200’）的行程（L），该关闭千 斤顶杆通过共用杆（300’）控制两个斗的打开和关闭。

给定的斗打开角（等于斗的边缘（129’）与竖直方向所成角度（α） 的两倍）对应于关闭千斤顶的活塞行程的值L。该边缘（129’）到枢转 轴线（115’）的距离表示为d，刀刃（128’）和枢转轴线（115’）在所 述边缘（129’）上的正投影之间的距离表示为h，任何时候总能得到轴 线（115’）和所述刀刃之间的高度差，该高度差由公式ΔZ＝d cosα+h sinα 表示。

因此，关闭千斤顶杆的任意位置对应于所述轴线必须所处的高度， 使得刀刃（128’）处于一大于或等于给定值的高度（该给定值对应于槽 的底部的理论高度），外加通常为十或几十毫米的某个安全余量。可编 程控制系统为与计算机用存储器（85）结合的PLC（84），该计算机 用存储器使其能够根据传送的（H）和（L）的测量值为升降千斤顶（50） 限定一设定点高度。如果该设定点高度高于升降千斤顶的实际高度，则 存在斗刀刃和槽底部之间碰撞的危险，并且伺服分配器必须被激活至位 置（833）以快速修正所述刀刃的轨迹。PLC（84）发送信号（S）给伺 服分配器（83），该伺服分配器（83）为比例作用伺服分配器，该伺服 分配器（83）在供应杆侧腔室的回路部分上赋予增加油流（Φ），该油 流与相对于设定点的位置的差成比例地增加。该信号具有能够根据处于 预期压力的油流来移动所述伺服分配器的移动部件进入或多或少超前 的位置类型（833）的特征，该油来自分支（630）和（632）并且通过 分支（6321），（6322）和（633）供应杆侧腔室。

另一方面，当设定点的高度低于升降千斤顶（50）的实际高度时， 伺服分配器必须被激活以降低刀刃的高度。PLC（84）发送信号（S） 给伺服分配器（83）以使其进入对应位置（831）的配置，在该位置处， 加压油不再供应杆侧腔室，该杆侧腔室通过分支（65），（6321），（6322） 和（633）与返回管线（R）连接，朝返回管线的排出油流（Φ）由伺服 分配器的开口控制，该伺服分配器受PLC发送的信号控制。

以固定时间间隔（通常为几十毫秒），PLC（84）获取斗的枢转轴 线的高度H以及关闭千斤顶的行程值L，并且利用基于在合适的参考系 中描述刀刃轨迹的运动学模型的计算机程序，从这些值推断出斗的枢转 轴线的高度必须被赋予的设定值，以及给伺服分配器（83）发送信号（S）， 以输入或排出为达到正确高度所需要的油量。

第二驱动器（200’）在此主要为了示出其在第一驱动器（50）的工 作原理中所起的作用而被简单示意性示出，第一驱动器（50）尤其是根 据所述第二驱动器的空间配置控制的。该第二驱动器（其主体与第一驱 动器（50）的杆（52）联结）在此为连接至供应回路的双向作用的千斤 顶，该供应回路的一部分使得能够差动线路布置以确保撞击功能。

于是，为了在更换阳极期间清理阳极孔，可以使用本发明的收集单 元，例如图2至图7所示的本发明收集单元，其安装在与电解槽管理机 （PTM）联结的竖直伸缩杆上。过程如下：

-使用PTA驱动器，使处于关闭位置的所述收集单元与所述阳极 孔成直线，升降千斤顶处于静止（图4所示的配置）；

-启动所述升降千斤顶以快速下降（图5所示的配置）直到高于位 于所述槽中的电解液的水准面的预定高度，以允许打开所述收集 单元；

-启动被称为“关闭千斤顶”的斗驱动器，以使得它打开所述斗， 直到所述斗到达参考打开位置，通常接近由所述关闭千斤顶的行 程所允许的斗的最大开口。

-启动所述升降千斤顶到“缓慢”下降模式（特定的活塞侧腔室供 应），直到检测到至少一个刀刃接触在槽底部上；例如，一个传 感器用来检测何时供应活塞侧腔室的油回路中的压力突然增加， 以及一个位移传感器用来记录在所述接触的时刻刀刃的高度；

-从该高度，考虑一个安全距离，限定所述刀刃必须处在的高度， 并且推断所述刀刃在所述打开参考位置和闭合位置之间遵循的 轨迹；

-启动所述升降千斤顶以升起所述收集单元到在前一阶段限定的 轨迹的起点处（图6所示的配置）；

-启动关闭千斤顶，升降千斤顶处于受控模式，以使得刀刃遵循以 前限定的轨迹（图7所示的配置）；

-一旦收集单元关闭，就启动升降千斤顶处于升起模式（图6所示 的配置）；随后，当收集单元已到达一定高度时，使用PTA驱 动器朝接收所收集的碎片的区域移动该单元。

实施例2（图8）

图8是收集单元的示意图，在该收集单元中，第一驱动器（50）为 电动机（53’），该电动机是通过使用能够控制所述电动机的旋转的电 路供电的。在此，电动机为电千斤顶（51’）的引擎，该电千斤顶给与 框架（110’）联结的连接件（52’）上施加竖直运动。在该实施例的变体 中，电千斤顶由电动绞车替代，所述连接件则为联接至所述框架的缆绳， 所述框架的竖直运动例如由固定至移动支撑件的引导装置引导。

根据由变速器（83’）传送的控制电流，电动机（53’）总是能够以 所需速度在连接件（52’）上施加竖直向上或向下运动。所述变速器（83’） 受PLC（84）的控制，该PLC接收由两个传感器提供的读数：

-第一传感器指示在参考水平高度（N）（例如，工具支架转台的 平台）和收集单元的框架（110’）上的固定点（在图中由斗旋转轴线的 共同水平高度示出）之间的距离（H），该距离使得能够获得斗（120’） 转动围绕的轴线（115’）的高度，该斗的形状以虚线示出；

-第二传感器指示关闭千斤顶杆（200’）的行程（L），该关闭千 斤顶杆通过共用杆（300’）控制两个斗的打开和关闭。

给定的斗打开角（等于斗的边缘（129’）与竖直方向所成角度（α） 的两倍）对应于关闭千斤顶的活塞行程的值L。该边缘（129’）到枢转 轴线（115’）的距离表示为d，刀刃（128’）和枢转轴线（115’）在所 述边缘（129’）上的正投影之间的距离表示为h，任何时候总能得到轴 线（115’）和所述刀刃之间的高度差，该高度差由公式ΔZ＝d cosα+h sinα 表示。

因此，关闭千斤顶杆的任意位置对应于所述轴线必须所处的高度， 使得刀刃（128’）处于一大于或等于给定值的高度（该给定值对应于槽 的底部的理论高度），外加通常为十或几十毫米的某个安全余量。可编 程控制系统为与计算机用存储器（85）结合的PLC（84），该计算机 用存储器使其能够根据传送的（H）和（L）的测量值为斗转动所围绕 的基本水平轴线限定设定点高度。如果该设定点高度高于实际高度，则 存在斗刀刃和槽底部之间碰撞的危险。于是启动变速器（83’）以使得 它能够快速修正所述刀刃的轨迹。PLC（84）发送信号（S）给变速器 （83’），该变速器将所述信号变换为控制电流（I），所述控制电流在 所述电动机上施加一旋转方向和速度，该速度与相对于设定点的位置的 差成比例地增加。相反，当该设定点高度低于实际高度，则启动变速器 （83’）以使得它能够快速修正电动机伺服系统（asservissement），以 降低刀刃的高度。PLC（84）发送信号（S）给变速器（83’），该变速 器在所述电动机上施加一旋转方向和速度，该速度与相对于设定点的位 置的差成比例地增加。