CC BY
60
ГРНТИ 53.03.15
Г. Г. Пинчук1, А. Ж. Таскарина2
'магистрант, Факультет Металлургии, машиностроения и транспорта, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан; 2PhD, ассоц. профессор, Факультет Металлургии, машиностроения и транспорта, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан e-mail: 'pinchukgg@mail.ru
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРЕССОВАНИЯ НА КАЧЕСТВО АНОДНЫХ БЛОКОВ
В статье рассматриваются вопросы, направленные на повышение качества анодов, которые применяются при электролитическом получении алюминия. Проводится анализ возникновения, характер направленности и распределение внутренних трещин в обожженных анодах. Также приведено преимущество гидравлического прессования, параметры, влияющие на качество анодов, описаны этапы проведения исследований, влияние технологических параметров прессования на качество анодных блоков, таких как давление прессования и температура прессования. Представлены результаты экспериментальных исследований, в виде графиков изменения целевых показателей, таких как прочность на сжатие и изгиб, удельного электрического сопротивления и т.д. Полученные оптимальные параметры прессования анодной массы могут быть реализованы на действующем анодном производстве в качестве инструмента повышения технико-экономических показателей.
Ключевые слова: анодные блоки, обожженные аноды, прессование, давление прессования, температура прессования, качество.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из ключевых сырьевых материалов при производстве алюминия является обожженный анод, его высокая доля в себестоимости при производстве алюминия (~ 30 %), обуславливает тот факт, что минимальное изменение параметров анода несет значительные колебания технико-экономических параметров электролиза, а значит совершенствование производственного процесса сулит большие экономические перспективы для предприятия.
Качество углеродных анодов оказывает существенное влияние на производство алюминия. Расход углерода зависит от реакционной способности анодов и от образования в них трещин. Поскольку аноды подвергаются сильной тепловой атаке в электролизерах, большое значение имеет их стойкость к образованию трещин. Отказ анода в электролизере из-за появления трещин приводит к серьезным нежелательным побочным эффектам, в результате которых возможны серьезные финансовые убытки [1].
В предыдущей работе [2] и результате литературного обзора по изучению проведенных ранее исследований и испытаний в области гидравлического прессования «зеленых» анодных блоков установлено, что некоторые параметры данного процесса рассматривались ранее на примерах лабораторных образцов
либо данных промышленных оптимизаций, полученных от заводов, занимающихся производством обожженных анодов с использованием гидравлического прессования.
Однако лабораторные результаты не имеют достаточной практической ценности по причине сильного влияния на процесс как со стороны применяемого оборудования, так компоновки.
Результаты промышленных испытаний не имеют достаточного аналитического описания и представлены в качестве примера общей тенденции к которой ведет то или иное изменение.
Примером вышеуказанного параметра является температура прессования, касательно которой имеются совершенно определенные данные и направления зависимости, в частности повышение качественных показателей прочности и газопроницаемости при снижении температуры, однако эти показатели не согласуются с изменением плотности, имеющую обратную зависимость от газопроницаемости, те есть при снижении кажущейся плотности снижается и газопроницаемость, что не совсем логично. С точки зрения автора, влияние параметра температуры прессования на показатели анодов требую исследования, в результате которых могут быть установлены факторы, не учтенные втором работы [3]. То же касается данных испытаний влияния давления прессования.
В 2000 году в арсенале большинства анодных производств имелись технически устаревшее оборудование гидравлического прессования и спустя 17 лет техническое оснащение дает новые возможности для достижения лучших результатов.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Согласно индивидуальному рабочему плану магистранта, в период прохождения экспериментально-исследовательской работы, на базе АО «Казахстанский электролизный завод» были проведены исследования направленные на повышения физико-механических показателей анодов путем оптимизации параметров прессования.
Целью проведения экспериментальных исследований являлось повышение эксплуатационных характеристик обожженных анодов.
На качество производимых анодов влияют следующие параметры:
- качественные характеристики сырья;
- гранулометрический состав сухого композита;
- технологические параметры приготовления и смешивания анодной массы;
- метод и параметры прессования анодных блоков;
- технологические параметры обжига «зеленых анодов».
Для проведения испытаний применялся натурный эксперимент, то есть изменение параметров прессования проводилось в рамках действующего процесса, а в качестве образцов использовались «зеленые» и обожженные аноды, произведенные с измененными параметрами.
Такой метод испытания позволяет получить наиболее представительные результаты, нежели прессование и обжиг «зеленой» массы, произведенное
в лабораторных условиях. Как правило, лабораторные результаты имеют определённые отличия от фактических производственных показателей.
Для сведения к минимуму риска производства бракованной продукции, эксперимент необходимо проводить поэтапно, перед каждым новым шагом оценивая полученные результаты и наметившуюся динамику.
На первом этапе проводились испытания по снижению давления прессования с шагом 0,05 кКст2. Данные испытания производились в первую очередь с целью снижения числа внутренних трещин в обожженных анодах, которые играют значительную роль в повышении расхода электроэнергии при электролизе.
Для исследования характера направленности трещин в обожженном аноды были отобраны пробы - керны, направление слома которых схематически отражено на рисунке 1.
Исследование трещинообразования в теле анода показало, что основная масса трещин имеет специфическую ориентацию.
При отборе проб наблюдался слом трех видов:
1 Горизонтальный слом на глубине сверления (отмечены голубыми окружностями) - свидетельствует о высоком качестве участка отбора, отсутствии внутренних трещин;
2 Горизонтальный слом на глубине выше глубины сверления (отмечены оранжевыми окружностями) - свидетельствует о наличии горизонтальной внутренней трещины;
3 Наклонный слом (отмечены голубыми полу овалами) - свидетельствует о наличии наклонных внутренних трещин, образованных в результате градиента напряжений в соседних областях, образованных неравномерным уплотнением материала анода.
Рисунок 1 - Распределение направления трещин в обожженном аноде
Оранжевым цветом отмечена область высокого остаточного напряжения после прессования, ее образование вызвано неполным вытеснением анодной массы из-под так называемых «знаков», формирующих ниппельные гнезда. Данные знаки в процессе прессования углубляются в тело будущего анода на 115 мм ниже поверхности верхнего пуансона пресса, что влечет большее напряжение в данной области. Чрезмерное усилие, приложенное к анодной массе при прессовании, влечет упругие деформации кокса - наполнителя, особенно это касается мелкой пылевой фракции [3], как следствие обратное упругое последействие создает вертикально направленные растягивающие напряжения по периферии тела анода. Учитывая температуру прессования, превышающую точку размягчения пека - наполнителя, прочность на растяжение только что прессованного анода не достаточна чтобы выдерживать возникающие нагрузки. Разрывы, образованные в теле «зеленого» анода, в дальнейшем представляют собой трещины - преграды течению электрического тока, вызывают повышение падения напряжения на электролизере и перерасход электроэнергии.
Для снижения градиента напряжений в теле анода необходимо минимизировать упругое расширение после снятия прессующего усилия, добиться этого можно путем снижения давления прессования.
В рамках эксперимента была произведена партия анодов для определения динамики количества внутренних трещин при отборе проб (рисунок 2), индикаторами которых являются керны, сломанные выше глубины сверления аноды при отборе проб.
Рисунок 2 - Динамика обнаружения внутренних трещин в обожженных анодах
На следующем этапе производилось снижение температуры прессования до 130 0С, для эксперимента требуется партия из 1000 анодных блоков. Далее, при получении удовлетворительных результатов, производилась аналогичная партия
с температурой 125 0С. Учитывая средние показатели температуры размягчения каменноугольного пека на момент планирования эксперимента, дальнейшее снижение температуры не планировалось, так как высокая вязкость пека при 1200 может привести к значительному снижению плотности и повышению пористости анода.
При проведении эксперимента по снижению температуры прессования производился стандартный отбор проб анодов, которые тестируются согласно схеме для рядовых анодов.
Для управления движением экспериментальных анодов, а также контроля достоверности результатов исследования разработана программа промышленных испытаний с установленными сроками, параметрами и картой движения анодов.
Первые испытания показали явную положительную динамику изменения физико-механических показателей обожженных анодов и послужили основанием для проведения эксперимента дальнейшего снижения температуры, при котором были достигнуты еще более ощутимые изменения характеристик анодов (таблица 1), позволяющие получить улучшение технико-экономических показателей использования анодов с новыми параметрами производства при электролизе алюминия.
Таблица 1 - Средние показатели проведения испытаний
№ п/п Температура прессования Значение Кажущаяся плотность, не менее 1,56 г/см3 Истинная плотность, 2,06-2,10 УЭС, не более 58 мкОм*м° Прочность на сжатие, не менее 32 МПа Прочность на изгиб, не менее 9,5 Мпа Газопроницаемость, 0,5-2,0 нПм Теплопроводность, 3,0-4,5 Вт/м*К
1 140 1,56 2,07 51,5 40,62 9,72 0,61 3,83
2 130 тт 1,57 2,07 50,6 40,31 11,19 0,63 4,07
3 125 1,56 2,07 50,2 42,84 10,77 0,47 4,08
4 140 1,59 2,09 54,7 57,43 12,06 2,19 5,01
5 130 тах 1,59 2,09 52,7 57,71 13,61 2,31 4,82
6 125 1,58 2,10 51,8 53,51 13,57 1,43 4,63
7 140 1,58 2,08 53,1 47,18 10,85 0,98 4,29
8 130 сред. 1,58 2,08 51,42 49,8 12,23 1,11 4,36
9 125 1,57 2,08 50,84 49,13 12,65 0,76 4,29
10 140 0,01 0,01 0,94 4,42 0,71 0,34 0,24
11 130 отклон. 0,01 0,01 0,75 4,98 0,7 0,54 0,27
12 125 0,01 0,01 0,63 3,29 0,92 0,33 0,18
Из данных таблицы 1 видно, что наилучшие результаты имеют аноды, произведенные при температуре прессования 125 0С, наименьшее стандартное
отклонение данных анодов почти по всем показателям является индикатором более высокой стабильности процесса.
Динамика изменения целевых показателей при проведении экспериментального исследования представлена на рисунках 3-5, выделенные области - испытания 130 и 125 градусов соответственно.
55,00
50,00
45,00
40,00
35,00
*• + • 1 * « * * *
* ¿г* * .1 -• * * *+ * * + * 1 ♦ \
г # * * • *' 1 » • + + + * » * *
♦ *
Рисунок 3 - График изменения прочности на сжатие
Рисунок 4 - График изменения удельного электрического сопротивления
Рисунок 5 - График изменения прочности на изгиб
Как видно из рисунков 3-5 наиболее чувствительной к изменению температуры прессования является прочность на изгиб - один из ключевых параметров, наряду с коэффициентом теплового расширения, играющий роль в устойчивости анода к температурному шоку при установке в электролизер. При этом наиболее ощутимую и очевидную эффективность дает снижение удельного электрическуого сопротивления, как параметра, напрямую влияющего на расход основного компонента себестоимости алюминия - электроэнергии.
Таким образом, анализируя результаты проведенных экспериментальных исследований можно отметить, что результаты испытания на сегодняшний день находятся на достаточно высоком уровне на фоне мировых практик анодного производства, показывают высокий потенциал гидравлического прессования для управления качественными показателями производимых анодов. При этом управление параметрами гидравлического прессования сравнительно простое и гибкое, в отличие от вибропрессования, для управления качества анодов в котором, ключевое влияние оказывает управление рецептурой - более трудоемкий и длительный процесс.
Полученные результаты экспериментальных исследований применяются в качестве «рядовых» для производства обожженных анодов на предприятии АО «Казахстанский электролизный завод».
ВЫВОДЫ
В этой статье представлены результаты проведенных экспериментальных исследований по оптимизации параметров гидравлического прессования, которые позволяют производить анодные блоки более высокого качества без дополнительных затрат на модернизацию оборудования, материальные и энергетические ресурсы.
Достигнутые показатели являются полезными в практическом применении и позволяют оптимизировать затраты на производство продукции предприятия.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Fischer, J. C. Prebaked Anodes for Aluminium Electrolysis [Text] / J. C. Fischer, P. Raymond, 2014. - 82 p.
2 Пинчук, Г. Г. Перспективы развития технологии производства анодных блоков [Текст] / Г. Г. Пинчук, А. Ж. Таскарина // Международная научная конференция молодых ученых, магистрантов, студентов и школьников «XVII Сатпаевские чтения». - Т. 18. - Павлодар : ПГУ имени С. Торайгырова, 2017. -С. 394-399.
3 Hulse, Kristine Louise. Raw materials, formulation and processing parameters [Text] // Anode manufacture, 2000. - P. 541-546.
Материал поступил в редакцию 12.12.17.
Г. Г. Пинчук, А. Ж. Таскарина
Анод блогыныц сапасына гидравликалык баспалаудын параметрлершщ эсерш эксперименталды зерттеу
Металлургия, машинажасау жэне кeлiк факультетi, С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекеттiк университетi, Павлодар к., 140008, Казахстан Республикасы.
Материал баспаFа 12.12.17 тYстi.
G. G. Pinchuk, А. Zh. Taskarina
Experimental researches of the influence of hydraulic pressing parameters on the quality of anode blocks
Faculty of Metallurgy, Machine Building and Transport, S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan.
Material received on 12.12.17.
Мацалада aлюминийдi электролиттк алуда цолданылатын анод сапасын квтеруге багытталган сурацтар царастырылган. КYйдiрiлген анодтардыц шт сызаттарынъщ таралуын жэне багытталу сипаттарыныц пайда болу aнaлиздерi жургизтеди Сонымен цатар, гидравиликалыц баспалаудыц артыцшылыцтары, анодтардыц сапасына эсер етушi пaрaметрлерi, зерттеудi жург1зу кезецдерi, анод блоктарыныц сапасына баспалаудыц технологиялыц параметрлерЫц эсерi жэне баспалау температурасы сипатталады. Эксперименталды зерттеудщ нэтижелерi сыгылуыг жэне шлуге берiктiктi, меншiктi электр кедергшерт жэне т.б. мацсатты кврсеткштер графиктер туртде кврсет^ен. Анод массасын баспалауда алынган оцтайлы параметрлер ктеп жатцан анод вндiрiсiнде техника-экономикалыц кврсетюштерт квтеру цуралы реттде кке асыруга болады.
The article deals with the directed issues at improving the quality of anodes, which are used in the electrolytic production of aluminum. The analysis is made of the origin, the nature of the directivity, and the distribution of internal cracks in the baked anodes. The advantages of hydraulic pressing, the parameters that affect the quality of the anodes are also described, the stages of research, the effect of the process parameters ofpressing on the quality of the anode blocks, such as the pressing pressure and the pressing temperature, are described. The results of experimental studies are presented in the form of graphs for changing targets, such as compression and bending strength, resistivity, etc. The obtained optimum parameters for pressing the anode mass can be realized in the existing anode production as a tool for improving the technical and economic indicators.
