CC BY
20
ГРНТИ 53.03.05, 55.35.37 Суюндиков Мерхат Мадениевич
к.т.н., профессор, кафедра «Металлургия»,
Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: suyundikovm@mail.ru Боранбаев Айдос Женисович
магистрант, кафедра «Металлургия»,
Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: boranbaev.ajdos@yandex.ru
ИЗМЕНЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СВОЙСТВ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ КРИОЛИТО-ГЛИНОЗЕМНОГО РАСПЛАВА
Известно, что криолито-глиноземные расплавы реагируя с катодной футеровкой разрушает его структуру. В результате снижается срок службы алюминиевых электролизеров.
Целью данной работы является сравнение взаимодействия криолито-глиноземных расплавов с основными катодными подовыми блоками, используемого в производстве алюминия.
Были сравнены и подверглись анализу поверхности образцов катодных подин с разным содержанием графита.
Приводится график зависимости ширины образованных трещин и пор от содержания графита.
В результате исследования было определено, что с увеличением содержания степени графитизации уменьшается ширина трещин и пор, возникающих при взаимодействии с электролитом, соответственно увеличивается срок службы катодных подин алюминиевых электролизеров.
Ключевые слова: алюминий, электролизер, катодная подина, углеродный блок, криолито-глиноземный расплав, футеровка, графит.
ВВЕДЕНИЕ
Электролиз глинозема с применением криолито-глиноземных расплавов является основным способом получения алюминия в производственных условиях. Катодная подина промышленного электролизера является одновременно токопроводящим элементом электролизера и частью его футеровки. Повышение устойчивости углеродных блоков к воздействию высоких температур и криолито-глиноземного расплава, приводят к продлению срока службы промышленных электролизеров.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ В настоящее время имеется тенденция перехода на катодные подины с увеличенным содержанием графита с целью увеличения срока службы и
повышением технологических характеристик алюминиевых электролизеров. Существует множество катодных блоков имеющие следующий состав - антрацит + 15, 20, 30, 50, 70, 80, 85 и 100 % графита [1-5]. Обычно производители углеродных блоков производят блоки с содержанием графита 30, 50, 70-80 и 100 %. Производство углеродного подового блока с содержанием графита 100 % формируют из синтетического графита и связующего пека (20-25 %) и обжигают в печах обжига при 1200 °С. После окончания процесса обжига состав такого углеродного блока - 88-93 % и 7-12 % связующего пека.
Некоторые зарубежные предприятия [1] стремятся полностью заменить антрацит на графит и в качестве наполнителя используют 100 % графита (графитовые блоки). Другие предприятия производят блоки из нефтяных «игольчатых» коксов, затем обжигают их и графитизируют, доводя содержание графита почти до 100 % (графитизированные блоки).
Подобные усовершенствования дают возможность снизить удельное электрическое сопротивление (УЭС) с 30-50 мкОм*м у блоков рядового состава до 18-20 мкОм*м у графитовых блоков и до 12-13 мкОм*м у графитизированных [6-8]. Относительное расширение («разбухание») в электролите при этом снижается соответственно с 1,0 до 0,3 и 0,03 %. Последний фактор предохраняет подину от деформации и способствует повышению срока службы электролизера.
Препятствием для широкого использования графитовых катодных блоков является их низкая устойчивость к истиранию [9-14]. Поэтому большая часть специалистов склоняется к тому, что рациональнее использовать блоки с 70-80 % графита (остальное антрацит), что повышает их устойчивость к истиранию.
При выборе состава и типа катодных блоков всегда приходиться искать компромисс между свойствами углеродных подовых блоков и технико-экономическими показателями электролизеров. Кроме того, при принятии решения по выбору состава и типа катодных блоков нужно учитывать местные условия, стоимость электроэнергии, конструкцию ванны и себестоимость производимого алюминия.
Для сравнения изменения свойств катодной подины были выбраны три вида углеродных образцов с содержанием графита 50,70 и 100 %. Основные показатели качеств данных материалов приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Показатели качества углеродных материалов
Показатель Единица измерении 50 % 70 % 100 %
Кажущаяся плотность г\см3 1,58 1,60 1,63
Истинная плотность г\см3 1,90 1,94 2,07
Общая пористость % 20 19,4 21,6
УЭС мкОм-м 30 27 21
Прочность на сжатие Мпа 32 30 19
Модуль упругости ГПа 11 9 7
Теплопроводность Вт\м-К 10 13 21
Относительное удлинение % 0,6 0,4 0,27
Содержание золы % 3,6 2,2 1,5
Образец катодных подины прошли обжиг на камерных печах обжига. График обжига представлена на рисунок 1.
Для проведения исследования по изучению влияние криолито-глиноземного расплава на катодный блок, образцы (рисунок 2) выдерживались 60 минут в электролите промышленного электролизера следующего состава:
- Температура электролита 953 С;
- Концентрация глинозема 1,92 %;
- Фторид кальция 5,93 %;
- Криолитовое отношение 2,23.
Рисунок 1 - Кривая обжига для испытуемых образов
а - Образец с 50 % содержанием графита после выдержки на промышленном электролизере; б - Образец с 70 % содержанием графита после выдержки на промышленном электролизере; в - Образец с 100 % содержанием графита после выдержки на промышленном электролизере. Рисунок 2 - Образцы катодных блоков после выдержки на электролите
Для проведения исследования по изучению возникающих трещин на поверхности образцов катодной подины для попытки классификации трещин и пор на образцах был проведён анализ в приложение Micro Measurement [15]. На рисунках 3 - 5 представлены фрагмент образцов. По анализу фрагментов образцов составляется сравнительная таблица 2. 22
Таблица 2 - Анализ трещин и пор образцов катодных блоков с различным содержанием графита
Образец Ширина трещин и пор, мм Среднее, мм
Содержание графита 50 % 1,421 1,2496
0,490
1,825
0,848
1,664
Содержание графита 70 % 1,156 1,2246
1,156
0,660
1,515
1,636
Содержание графита 100 % 0,905 0,964
1,044
1,158
0,744
0,969
Рисунок 3 - Фрагменты образцов катодного блока с содержанием графита 50 %
Рисунок 4 - Фрагменты образцов катодного блока с содержанием графита 70 %
Рисунок 5 - Фрагменты образцов катодного блока с содержанием графита 100 %
Сравнительная диаграмма трещин и пор представлена в рисунок 6.
1 о
1 1 к
1,2 1,15 1,1 1,05 1 0,95 п п |-
50% 55% 60% 65% 70% 75% 8С »% 85% 90% 95% 100%
Рисунок 6 - Сравнительная диаграмма зависимость ширины трещин от содержания графита в образцах
По полученным данным можно сказать что с повышением содержания графита в катодной подине электролизёра сравнительная ширина трещин и пор уменьшается пропорционально содержанию графита.
ВЫВОДЫ
1 Анализ физико-химических показателей промышленных образцов подовых блоков на основе антрацита, показывает, что с увеличением содержания графита в шихте технические характеристики блоков изменяются:
- повышается истинная плотность, пористость, теплопроводность;
- снижается удельное электросопротивление, относительное удлинение.
2 Для электродных изделий, которые, как правило, являются проводниками тока в электрических печах, их удельное электросопротивление определяет не только электрические потери, но и обуславливает при эксплуатации локальный перегрев участков изделий с повышенным сопротивлением за счёт тепла, является причиной возникающих градиентов температуры, проводящих к трещинообразованию.
3 По полученным данным можно сказать что с повышением содержание графита в катодной подине электролизера сравнительная ширина трещин и пор уменьшается пропорционально содержанию графита.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Горох, О. П. Углеродные футеровочные материалы для алюминиевых электролизеров за рубежом. Обзорная информация ГосНИИЭП. - Челябинск, 1986. - 157 с.
2 Касен, К. К., Жунусов, А. К., Жунусова, А. К. Анализ способов утилизации отработанной футеровки электролизеров производства алюминия // Наука и техника Казахстана. - 2018. - № 3. - С. 107-112.
3 Rafiei, P., Hitmann, F., Welch, B. Electrolytic Degradation within Cathode Materials // Light Metals. - 2001 - P. 747-752.
4 Жетписов, Д. Б., Богомолов, А. В. Методы повышения стойкости катодной футеровки электролизеров // Наука и техника Казахстана. - 2020. - № 1.
5 Feng, G., Naixiang, F., Qingren, N., Hua, H., Liguo, H., Yang, J. Study on Graphitization of Cathode Carbon Blocks for Aluminum Electrolysis // Light Metals. - 2012. - P. 1355-1361.
6 Sorlie, M., Oye, H. Cathodes in aluminium electrolysis. Aluminium-Verlag. Dusseldorf. Germany, second edition. - 1994. - 127 p.
7 Lombard, D., Beheregaray, T., Feve, B., Jolas, J. M. Aluminium Pechiney experience with graphitized cathode blocks // Light Metals. - 1998. - P. 653-658.
8 Саитов, А. В., Бажин, В. Ю., Фещенко, Р. Ю. Проблемы эксплуатации футеровки из графитированных катодных блоков в современных алюминиевых электролизерах. Новые огнеупоры. - 2017. - № 3. - С. 88-91.
9 Фещенко, Р. Ю., Ерохина, О. О. Анализ причин разрушения современных подовых устройств алюминиевых электролизеров // Инновация в науке : Сборник статей по материалам LXVI международной научно-практической конференции-№ 12(61). Часть II. - Новосибирск : СиБАК, 2016. - C. 66-73.
10 Dreyfus, J-M., Lacroix, S. Cathode producer's proposals for the improvement of the erosion resistance of graphitized cathodes // Light Metals. 1999. - P. 199-207.
11 Ерсаин, К. С., Суюндиков, М. М., Толымбекова, Л. Б. Подбор состава формовочной смеси и применение криотехнологии для литья по выплавляемым моделям // Наука и техника Казахстана. - 2020. - № 1.
12 Sato, Y., Patel, P., Lavoie, P. Erosion measurements of high density cathode block samples through laboratory electrolysis with rotation // Light Metals. - 2010. - P. 817-822.
13 Oye, H. A., Welch, B. Cathode Performance : The Influence of Design, Operations, and Operating Conditions // JOM 50. - 1998. - V. 2. - P. 8-23.
14 Reny, P., Wilkening, S. Graphite Cathode Wear Study at Alouette // Light Metals. - 2000. - P. 399-404.
15 https://play.google.com/store/apps/details?id=com.micro.measurements&hl. [Электронный ресурс].
Материал поступил в редакцию 08.06.20.
Сушндтов Мерхат Мэденщлы
т^.к., профессор, «Металлургия» кафедрасы,
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университет^
Павлодар к., 140008, Казахстан Республикасы
e-mail: suyundikovm@mail.ru
Боранбаев Айдос Женисович
магистрант, «Металлургия» кафедрасы,
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университет^ Павлодар к., 140008, Казахстан Республикасы e-mail: boranbaev.ajdos@yandex.ru Материал баспаFа 08.06.20 тYстi.
Алюминий электролизер! к^рылымындагы кем1ртект1 материалдардыц
химиялык к^рамына жене касиеттерше криолитт1-глиноземд1 балкымасынын есер ету кезшдеп езгер1с1
Криолитт^сазбалшыцты балцыма катодты шегендемемен эрекет ету нэтижестде оныц цурылымын бузатындыгы белгш. Нэтижестде алюминий электролизерлершщ цызмет ету мерзiмi твмендейдi.
Бул жумыстыц мацсаты криолитт^сазбалшыцты балцымасыныц алюминий вндiрiсiнде цолданылатын катодтыц табандарымен взара эрекеттесут салыстыру болыптабылады.
Катодты табандар улгшерШц бетш жазыцтыгы салыстырылып, талдауга ушырады.
Химиялык, эрекеттесу кезтде пайда болган сызаттар жэне жарыцтар влшемдерi катодтыц табан курылымындагы графит мвлшерте тэуелдшгт кврсететт диаграммасы келтiрiлдi..
Зерттеу нэтижестде графитизация децгешнщ улгаюына карай электролитпен взара эрекеттесу кезтде пайда болатын сызаттар мен жарыцтардыц влшемдерi азаяды, сэйкестше алюминий электролизерлертщ катод табаныныц цызмет ету мерзiмi артады.
Кiлттi свздер: алюминий, электролизер, катодты табан, квмiртектi блок,криолит-глиноземдi балцыма, шегендеме, графит.
Suyundikov Merhat Madenievich
Candidate of Technical Sciences, Professor, Department of «Metallurgy», S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan, e-mail: suyundikovm@mail.ru. Boranbayev Aidos Jenisovich undergraduate student, Department of «Metallurgy», S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan, e-mail: boranbaev.ajdos@yandex.ru Material received on 08.06.20.
Changes in the chemical composition and properties of carbon materials in the design of electrolyzers under the influence of cryolite-alumina melt
It is known that the cryolite-alumina melt reacting with the cathode lining destroys its structure. As a result, the service life of aluminum electrolyzers is reduced.
The purpose of this work is to compare the interaction of cryolite-alumina melts with the main cathode hearth blocks used in the production of aluminum.
The surface of cathode plate samples with different graphite content in the samples was compared and analyzed.
The graph of the dependence of the width of the formed cracks and pores on the content of graphite is given.
As a result of the study, it was determined that with increasing levels of graphitization, the width of cracks and pores that occur when interacting with the electrolyte decreases, and the service life of the cathode plates of aluminum electrolyzers increases accordingly.
Keywords: aluminum, electrolyzer, cathode plate, carbon block, cryolite-alumina melt, lining, graphite.
