CC BY
114
В. А. Калискаров
Б. Нуржанов атындагы Еюбастуз ГРЭС-1 куаттылыгы 500 мВт коректенд1рпш соргыларын пайдалану мэселелер1 жене ПН-1500-350-3 жене ПН-1500-350-4 коректенд1рг1ш соргыларыныц кайта курастырылымдылыгы кез1ндег1 жYзеге асырылган ic-шаралар
Инновациялык Еуразия университетi, Павлодар к.
Материал 01.06.15 6acnaFa TYCTi
V. A. Kaliaskarov
Exploitation problems of feed pumps at Ekibastuz GRES-1 LLP 500 MW power units, and activities undertaken during the reconstruction of FP-1500-350-3 and FP-1500-350-4 feed pumps
Innovative University of Eurasia, Pavlodar.
Material received on 01.06.15.
Аталган мацалада ПН-1500-350-4 hppeKmeHdipern сореыларын жацгырту жолында сореыларды пайдалану мэселелерт шешедi.
This article offers a solution to pump's exploitation problem through upgrading FP-1500-350-4 feed pump.
УДК 669.347.3:504
Ж. Т. Кимелова1, Н. К. Жаксалыкова2, Н. Б. Дуйсебаева2, Э. Е. Каирбаева2, М. М. Суюндиков3, Р. И. Сержанов4
'магистрант; 2студенты; 3к.т.н., профессор; 4к.т.н., профессор, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕРАСХОДУЕМЫХ АНОДОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ АЛЮМИНИЯ
В данной статье описывают процесс перехода на инертные аноды вместо углеродных в алюминиевой промышленности, что дает возможность снижения стоимости производства первичного алюминия, сокращения расходов электроэнергии.
Ключевые слова: технология, нерасходный анод, алюминий, снижение стоимости, сокращение расходов, производство, электролиз.
Поскольку выделения газов, образующихся при электролитическом производстве алюминия, практически невозможно прекратить полностью, расположение, проектирование и сооружение алюминиевых заводов имеют определенные традиции, согласно которым заводы располагают с учетом розы ветров, стремясь причинить наименьший вред окружающей среде.
Для анализа влияния компонентов анода в процессе электролиза алюминия на окружающую среду в лаборатории кафедры металлургии ПГУ им. С. Торайгырова был проведен эксперимент с применением имитационного моделирования. К имитационному моделированию прибегнули, вследствие следующих причин:
- дорого и невозможно экспериментировать на реальном объекте;
- невозможно построить аналитическую модель: в системе есть время, причинные связи, последствие, нелинейности, стохастические (случайные) переменные;
- необходимость сымитировать поведение системы во времени.
При имитационном моделировании изучаемая система заменяется моделью, с достаточной точностью описывающей реальную систему, в которой проводятся эксперименты с целью получения информации об этой системе.
При исследовании сложное реальное явление заменяется некоторой упрощенной копией или схемой. Иногда построенная схема отражает какие-то существенные черты, позволяет разобраться в механизме явления, дает возможность предсказать его изменение.
Как правило, заводы по производству первичного алюминия расположены вблизи лесных массивов, которые являются естественными преградами вредных химических выбросов. Однако длительное воздействие газовых эмиссий оказывает губительное действие на деревья, особенно на хвойные породы. Установлено, что накопление фторидов в древесной ткани при воздействии газообразного фторида водорода происходит в 30-40 раз быстрее, чем под действием микрочастиц твердых фторидов.
В нашем случае для эксперимента использовались мультиметр, емкость с водой, мерная ложка, мерный стакан, источник света, 3 % раствор H2O2, 90% раствор C2H5OH, порошок KMnO4, светочувствительный фотодиод, многожильные медные провода.
Вода имитировала окружающую среду, порошок KMnO4 - источник выделения газов и всех смолистых веществ образующихся при электролизе алюминия. При добавлении порошка KMnO4 в воду, она резко меняла окрас, т.е. загрязнялась, наподобие ухудшения состояния экологии.
При добавлении в раствор марганцовки спирта изменялся его цвет, становился светлее. При добавлении в раствор марганцовки H2O2 раствор становился еще светлее и происходило выделение чистого кислорода:
2КМП04 +5Н202 ^ 2МП02+2К0Н+302Т+2Н20
2КМП04 + С2Н5ОН ^ 2К0Н+2МП02+ЗСН3СН0+2Н20
Замеры производились при помощи мультиметра, где фиксировались значения после добавления каждого из компонентов. В результате наглядно представлялось уменьшение степени «загрязненности» среды.
Для определения адекватности выбранной пары величин (степень осветленности раствора КМп04) определяли коэффициент парной корреляции. Обработка результатов экспериментов методом парной корреляции производилась при помощи программы GWBASIC.
В результате уравнение регрессии имеет вид:
Y=0,3x1+0,01x2+0,1
Корреляционное отношение равно 0,95, средняя относительная ошибка программирования - 7,6 %.
В результате экспериментов пришли к выводу о целесообразности поиска новых путей решения проблем.
Решить целый комплекс проблем, связанных с расходом углеродных материалов, улучшением технологических и экологических параметров электролиза, позволило бы использование стойких индифферентых анодов. Поэтому задача создания инертных анодов для электролиза криолитглиноземного расплава стала привлекать внимание исследователей.
Переход на инертные аноды вместо углеродных в алюминиевой промышленности, по разным оценкам, должен снизить стоимость производства первичного алюминия на 15-20 %, сократить расход электроэнергии и капитальные вложения на 25 % и при этом полностью исключить выбросы оксидов углерода, соединений серы, фторидов углерода, бензопирена и пр. [1-3]. Стоимость материалов инертных анодов может колебаться от 2 $/кг для массивных анодов до 580 $/кг для тонких покрытий [1].
Технологическая схема получения керметов представлена на рисунке 1 [1]. Порошки смешиваются в смесителях в течение 10 ч. В полученную смесь добавляют спирт в качестве связующего, прессуют методом двустороннего одноосного прессования в цилиндрической пресс-форме диаметром 26,7 мм при Р~ 110 МПа до плотности 60 % от теоретической и производят спекание. Таким образом, были приготовлены образцы керметов следующих составов, %: №Ре204-17Си, NiFe2O4-18NiO-17Cu, NiFe2O4-24NiO-17Cu, NiFe2O4-16.92NiO-5,0 Zn-17Cu, №iFe2O4-18№iO-14,78Cu-2,22 Ag.
Данная схема аналогична тому, что изложена в патентах РФ, США и Китая [1-7], в которых реализован один и тот же алгоритм получения инертных анодов. Для производства инертных анодов в разных источниках предложено много различных вариантов и пропорции использования компонентов.
Рисунок 1 - Технологическая схема получения керметов [1]
Для достижения наибольшей плотности спеченных образцов необходимо использовать мелкодисперсные порошки. Уменьшение размера частиц от 100 до 20 мкм приводит к снижению пористости до 3 % и отсутствию выпотевания меди. Для изготовления высокоплотных керметных образцов методом порошковой металлургии необходимо применение исходных порошков с размером частиц <10-^20 мкм. Пористость синтезированного двухфазного керметного материала №Ре204-17Си оказалось на ~ 3 % ниже, чем добавка серебра в количестве 2,22 %, не влияет на пористость двухфазного кермета, величина которой составила -7^8 % [1, 2].
Новым техническим решением в создании инертного анода является синтез капсулированного градиентного композиционного (КГК) материала, представляющего собой беспористую многослойную композицию с барьерными защитными слоями, способными увеличить стойкость анода одновременно и к воздействию атомарного кислорода, и к электрохимической коррозии в процессе
"I—Г и /■"' и и и
электролиза. При этом внешний беспористый слой из оксидной керамики или кермета защищает материал от воздействия атомарного кислорода (в процессе разрежения ионов кислорода на аноде). Термин «капсулированный» указывает на необходимость полной изоляции поверхности анода (включая и место контакта с электрической шиной) путем нанесения беспористого оксидного (керметного) покрытия, например по технологии плазменного напыления. Следующий слой (или несколько слоев при разных соотношениях оксида и металла) - перемешанный, выполненный из смеси оксида с интерметаллидом, несет в себе двойную защиту. От воздействия атомарного кислорода защищает оксидная составляющая, а наличие интерметаллида снижает химический потенциал протекания электрохимической
коррозии. Наконец, центральная часть анода состоит из металлического сплава (интерметаллида), обладающего высокой тепло- и электропроводностью и приемлемой устойчивостью против электрохимической коррозии. В этом случае металлическая сердцевина позволяет достаточно просто решить проблему крепления шины к аноду. Основной проблемой создания КГК - анода является оптимальный подбор составов интерметаллида и оксида, соотношения оксидной и металлической фаз в перемешанном слое и состава внешнего напыленного слоя [1,2].
В результате изучения патентов ученых РФ, США и Китая [1-7] были выявлены 2 основные формы инертных анодов: чашеобразный и ряд удлиненных анодов, соединенных с литой или профилированной опорой. В таблице 1 приведены способы изготовления, усредненные составы, достоинства и недостатки двух видов анодов.
Таблица 1 - Виды анодов
Вид формы анодов Состав анода Технология изготовления анода
Чашеобразный анод Fe-Ni-Zn или Fe-№-Со 1. Полые или чашеобразные аноды можно заполнять защитным материалом 2. Токоподводящий стержень изготавливают из инконеля или Си. Стрежень можно крепить к аноду посредством пайки, твердым припоем, спеканием и механическое крепление. 3. Пространство между анодом и стержнем можно заполнить порошком Си и малых шариков Си. Порошок спекается либо в процессе предварительного нагрева, либо непосредственно в электролизере [6].
Чашеобразный анод Fe-Ni-Zn или Fe-№-Со 1.Токоподводящий стержень крепится посредством резьбового соединения.
Ряд удлиненных элементов 64-66 вес.% №, 25-27 вес.% Fe, 7-9 вес.% Мп, 0-0,7 64-66 вес.% Си, 0,4-06 вес.% Si Анод содержит ряд удлиненных прямых анодных элементов, соединенных с литой или профилированной опорой для соединения с положительной токоподводящей шиной. Анодные элементы выполнены в виде параллельных стрежней, разделенных друг от друга межэлементными зазорами. Анодные элементы могут быть закреплены посредством тугой посадки или приваривания в лапе.
К достоинствам чашеобразных анодов можно отнести следующие качества: не выделяют СО и СО2, долгий срок службы, коррозионностойкость к криолитглиноземному расплаву [1-7].
В результате проведения испытаний предложенных инертных анодов были выявлены следующие недостатки:
1. В условиях высоких температур под действием веса инертного анода металлический стержень будет деформироваться. Следовательно, наблюдается подъем данной контактной стенки с отрывом ее от дна керамического корпуса.
2. Не обеспечивает плотное прилегание контактных стенок стрежня к аноду.
3. В процессе нагрева в корпусе инертного анода возникает избыточное термонапряжение как следствие термического расширения токоподводящего стержня и наполнителя. В результате такого терморасширения в течение времени наблюдается растрескивание корпуса инертного анода [1-5].
Ряд удлиненных элементов обладает следующими преимуществами:
1. Межэлементные зазоры образуют проточные отверстия для циркуляции элемента и выхода аноднообразующихся газов [6, 7];
2. Не выделяют СО и СО2;
3. Долгий срок службы;
4. Коррозионностойкие к криолитглиноземному расплаву [1-5].
Основные технические требования предъявляемые к изготовлению и
электролизным испытаниям инертного анода:
- скорость износа менее 1 см/год;
- высокая электропроводность, сравнимая с таковой для графитовых материалов;
- устойчивость к резким колебаниям температуры (термическим ударам);
- длительная механическая прочность (устойчивость к сколам, постоянство формы);
- электросопротивление (при рабочей температуре ~960 0С) менее 50 мкОм*м;
- термостойкость не менее 100 теплосмен;
- прочность при сжатии не менее 50 МПа;
- трещиностойкость не менее 1,5 МПа*м1/2;
- сохранение геометрических размеров при Т<1000 0С;
- возможность сварки или механической обработки для создания конструкции анода [1-3].
Таким образом, кардинальным решением проблем, связанных с расходом материалов, особенно, экологической ситуации в электролизном производстве алюминия, является использование нерасходуемых анодов, изготавливаемых из металлокерамических материалов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Лайнер, Ю. А., Лякишев, Н. П., Алымов, М. И., Калита, В. И. и др.
Разработка и синтез инертных анодов для алюминиевой промышленности. -Известия вузов. - Цветная металлургия. 2004. - №3. - С.50-59.
2 Ковров, В. А., Шуров, А. П., Зайков, Ю. П. Характер и причины коррозионного разрушения инертных анодов при электролизе криолитглинозменого расплава. - Известия вузов. - Цветная металлургия. 2009. - №5. - С.46-54.
3 Лякишев, Н. П., Лайнер, Ю. А., Самойлов, Е. Н., Рожков, Д. Ю. и др. Исследования синтеза и стойкости инертных анодов при электролизе криолитглиноземных расплавов. - Известия вузов. - Цветная металлургия, 2005. -№6. - С. 23-29.
4 Джашеми, С. С., Калантар, М. Изготовление и характеристика инертных анодов на основе феррита никеля при производстве алюминия. - Журнал разработки материалов. - Май, 2014. - С.1656-1664.
5 Шао Вень-Чжу, Чжень Лянь, Се Нин, Иванов В. В. Применение Cu2O/ CuO в качестве инертного анода, для производства алюминия электролитическим способом. - Журнал сплавов и составов. - Октябрь 2014. - С.214-223.
6 Лерой, Е., Д'Астольфо, Дж., Лоуэр, Б. Токоподводящий инертный анод. - 2007. - 11 с.
7 Ричард, Р. Соединение керметного анода и металлического стержня. - 1984. - 5 с.
8 Электролизеры для электролитического получения алюминия с анодами, выделяющими кислород. - Де Нора Витторио, Патент №2242539.Опубл. 20.12.2004, 19 с.
Материал поступил в редакцию 01.06.15.
Ж. Т. Кимелова, Н. К. Жаксалыкова, Н. Б. Дуйсебаева, Э. Е. Каирбаева, М. М. Суюндиков, Р. И. Сержанов
Алюминий енд1р1с1нде шыгындалмайтын анодтарды колданудаFы экологияльщ баFалануы жене технологияльщ ерекшелжтер1
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемелекетлк университет^ Павлодар к.
Материал 01.06.15 баспаFа тYстi.
Zh. T. Kimelova, N. K. Zhaksalykova, N. B. Duysebayeva, E. E. Kairbaeva, M. M. Suyundikov, R. I. Serzhanov
Environmental assessment and technological features of using non-consumable anodes in aluminium production
S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar.
Material received on 01.06.15.
Аталган мацалада алюминий внеркэЫбтде бастащы алюминий eHdipici к^нынъщ твмендеуте, электрэнергиясы шыгыныныц кыскрртылуъта мумктдж беретт, квмipтектеpдiц орнына инеpттi анодтарыныц ауысу урхИст сипаттайды.
This article describes the process of transition to the inert anodes instead of the carbon in the aluminium industry, which makes it possible to reduce the primary aluminium production costireducing electricity consuption.
