CC BY
32
ГРНТИ 53.37.29
Жетписов Дархан Бейсенбаевич
магистрант, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: darhan_jetpisov@mail.ru Богомолов Алексей Витальевич
к.т.н., профессор, кафедра «Металлургия»,
Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: bogomolov71@mail.ru
МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ КАТОДНОЙ ФУТЕРОВКИ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ
В статье рассматриваются вопросы, связанные с увеличением стойкости катодных блоков электролизеров. Увеличение доли графитированных катодных блоков, используемых в современных сборках для производства первичного алюминия электролитическим способом, признано основным направлением развития этой технологии. Эти блоки имеют ряд неоспоримых преимуществ, в первую очередь низкое электрическое сопротивление и высокий уровень электропроводности.
Повышенный абразивный износ во время движения расплава представляется наиболее важной проблемой при работе таких блоков. Это приводит к уменьшению срока службы электролизера и увеличению стоимости производимого металла. Ведущие мировые производители проводят комплексные работы, направленные на повышение качества графитированных блоков. Эти работы включают ряд научных направлений: рациональный выбор сырья, выбор оптимальных параметров технологического процесса, различные варианты пропиток и т.д. Большинство исследователей сходятся во мнении, что повышение плотности материала катодных блоков, приводит к снижению абразивного износа, и что этот эффект может быть достигнутым различными способами (прежде всего пропиткой смолы).
Несколько технических решений (например, создание переменного электрического сопротивления по длине блока с более низким значением вблизи краев в зонах с повышенным износом) были признаны успе6шными в ходе производственных испытаний и в настоящее время успешно используются на ряде металлургических производств алюминия.
Ключевые слова: катодные блоки, графитизация, пропитка, абразивный износ, производство алюминия, электролизер.
ВВЕДЕНИЕ
Срок службы алюминиевых электролизеров и их технико-экономические показатели в значительной степени определяются конструкцией и свойствами футеровочных материалов катодного устройства [1, 2]. Футеровка катодного кожуха алюминиевого электролизера состоит из углеродной, огнеупорной и теплоизоляционной частей, каждая из которых выполняет определенную функцию. Особая роль принадлежит углеродной футеровке, на поверхности которой находятся жидкий алюминий и криолит-глиноземный расплав (КГР), обладающий способностью растворять большинство металлов и их соединений. Поэтому в первую очередь от качества подовой футеровки, в значительной степени, зависит срок службы ванны.
В настоящее время в алюминиевой промышленности проводится целенаправленная работа по повышению силы тока серий электролизеров, что позволяет повысить их производительность за счет интенсификации процесса и повышения выхода по току. Тенденция повышения силы тока и возрастающая при этом нагрузка еще больше обостряют проблему правильного выбора футеровочных материалов [3, 4]. Перед электродной отраслью поставлены вопросы о качестве подовых и боковых блоков и их соответствии продукции ведущих зарубежных компаний. Производство футеровочных блоков электролизеров, направлено на переход к углеграфитовым блокам с повышенным содержанием графита (в сочетании с термоантрацитом газовой или электрической кальцинации) [5].
Разработка технологии и оптимизация технологических параметров производства и использования катодных блоков с повышенным содержанием графита продолжает оставаться объектом активных исследований производителей и потребителей как ближнего, так и дальнего зарубежья [6, 7].
Катодные блоки изготавливают из углеродных материалов, в основе которых лежит электрокальцинированный (прокаленный в электрических печах сопротивления) антрацит и связующий материал - каменноугольный пек. Углеродная масса смешивается, прессуется на прошивных прессах или формуется на вибромашинах. Полученные «зеленые» блоки обжигают при температуре 1150-1200 °С, после чего они приобретают свойства термической устойчивости, сопротивления агрессивному воздействию расплавленного электролита и алюминия, а также необходимую электрическую проводимость [1, 4].
Принципиальным отличием углеграфитовых материалов является различная природа их структурных составляющих - термоантрацита, искусственного графита и кокса связующего, представляющих собой уголь наиболее высокой степени метаморфизма с двумерноупорядоченной структурой, трехмерноупорядоченный материал на основе нефтяных коксов и каменноугольный кокс связующего соответственно. Это усложняет управление процессами формирования структуры и свойств, композиционных углеграфитовых материалов, не имеющих аналогов в углеродной продукции.
Несмотря на то, что чешуйчатый графитизированный уголь имеет низкое электрическое сопротивление, высокую теплопроводность, низкий коэффициент термического расширения (КТР) и наилучший показатель стойкости к термоудару, такой кокс не используется в производстве катодных блоков алюминиевых электролизеров. Применение изотропных нефтяных коксов, включая дробленые коксы, более предпочтительно.
Угольный материал формируется из округленных частиц индивидуально или в сплавленном состоянии. Причинами такого выбора является более высокая твердость изотропных нефтяных коксов, которая дает законченному графитизированному продукту лучшее механическое сопротивление трению и соответственно более длительный срок службы в алюминиевом электролизере [8]. Можно выделить несколько факторов, которые оказывают наибольшее влияние на сопротивление к абразивному износу.
Первое, это плотность и пористость блока. Эти параметры зависят от гранулометрического состава исходного углеродного материала.
Второе, температура графитизации, которая определяет электрическое сопротивление блока и размер кристаллитов графита.
Третье, рост электрического сопротивления, которое приводит к увеличению абразивного износа.
Предполагалось, что формованием на вибромашинах можно создать более устойчивую к абразивному износу, изотропную структуру в катодном блоке по сравнению с формовкой экструзией [9, 10], однако это не подтвердилось результатами лабораторных исследований [11]. В данной работе будет проведен анализ работ, направленных на улучшение эксплуатационных характеристик графитизированных катодных блоков.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1 Выбор типа исходного углеродного материала
Свойства исходного углеродного материала отражаются на свойствах готовых изделий. Максимальный уровень структурного упорядочения, характерный для синтетического графита, определяется размером и длиной микрочастиц. Тем самым качество исходного материала может влиять на такие свойства катодного блока, как износостойкость, термическое расширение, электрическое сопротивление и теплопроводность [12].
В настоящее время в мировой практике признано, что нефтяной кокс является исходным материалом для производства наиболее качественных графитированных блоков с высокой теплопроводностью, низким электрическим сопротивлением и высокой устойчивостью к тепловому удару. Относительно небольшое количество смолы при смешивании требуется для изготовления блоков на основе нефтяного
г» и и
кокса. В этом случае конечный продукт характеризуется высокой плотностью и абразивной износостойкостью [13]. Анизотропная микроструктура игольчатого кокса является причиной относительно низких параметров таких свойств, как механическая прочность, эластичность, коэффициент теплового расширения, а также более высокая скорость абразивного износа, несмотря на высокую кажущуюся плотность конечного продукта [13].
Таким образом, использование изотропного нефтяного кокса является более предпочтительным для производства графитированных блоков.
2 Переменное сопротивление катодных блоков
Графитизированные блоки характеризуются W-образной формой износа (рисунок 1), вызванной градиентом плотности тока. Исследования в этой области [14] определили, что повышение плотности тока сопровождается интенсификацией электрохимической реакции образования карбида алюминия. Для снижения этого эффекта, было предложено использовать блоки с переменным сопротивлением по их длине, когда электрическое сопротивление блока по его краям выше, чем в середине.
Получить переменное сопротивление можно разными способами. Известно, что электрическое сопротивление готового блока является функцией температуры обработки вовремя графитизации, и соответственно все методы будут в любом случае основаны на локальных изменениях температурной процедуры. Согласно методу, описанному в [15], блок, проходящий стадии кальцинирования и графитизации, имеет поперечное сечение, большее по его краям, чем в его середине; избыточный материал удаляется механически, позже во время обработки.
Достижение требуемого эффекта обеспечивается разницей температуры графитизации по длине блока, поскольку электрическое сопротивление заготовки обратно пропорционально квадрату поперечного сечения каждого элемента. Кроме того, переменное сопротивление может быть достигнуто путем воздействия на процесс графитизации без изменения размера заготовки [16]. Например, можно уменьшить тепловую изоляцию графитизирующей печи в областях, соответствующих краям блока или используя специальные теплоотводящие пути.
Накопленный практический опыт эксплуатации показывает, что переменное сопротивление катодов не оказывает негативного влияния на технологический процесс при производстве алюминия электролитическим методом [17, 18].
3 Пропитка катодных блоков
Пропитка катодных блоков смолой является одним из общепринятых методов снижения эрозионного износа при производстве катодных блоков. Пек, впитанный открытыми графитовыми порами, снижает электрическое сопротивление блока и его пористость после прокаливания [9]. Кокса в порах после прокаливания является более твердым и аморфным по сравнению с графитом и в то же время снижает образование карбида алюминия.
Предполагается, что сочетание этих двух факторов позволяет снизить общий износ. Наиболее полная пропитка может быть достигнута после сочетания предварительной вакуумной обработки и последующего применения избыточного давления [19].
ВЫВОДЫ
В этой статье согласно представленным современным тенденциям развития электролизной технологии производства первичного алюминия, можно сделать вывод, что важность решения проблемы улучшения рабочих параметров графитированных катодных блоков будет только возрастать.
Для наилучшего решения проблем необходим комплексный подход, включающий как оптимизацию исходного сырья, так и улучшение технологических процессов. Небольшой размер кристаллитов синтетического графита в готовых блоках существенно снижает типичный абразивный износ; добавка таких материалов, как сланцевый кокс или ацетиленовая сажа, также способствуют снижению износа.
Среди методов, направленных на улучшение эксплуатационных параметров после испытаний в промышленных условиях, следует выделить различные варианты пропитки пека и создания переменного сопротивления по длине блока. Оба этих подхода могут существенно увеличить срок службы блоков, однако пропитанные блоки более подвержены износу, чем катоды, изготовленные по технологии переменного сопротивления.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Галевский, Г. В. Металлургия алюминия. Технология, электроснабжение, автоматизация : уч. пособие для вузов / Г. В. Галевский, Н. М. Кулагин, М. Я. Минцис, Г. А. Сиразутдинов. - М. : Наука, 2008. - 529 с.
2 Асаинов, А. А. Анализ условий эксплуатации подовых и бортовых огнеупоров алюминиевых электролизеров // Наука и техника Казахстана, 2015. - № 1-2. - С. 11-17.
3 Борисоглебский, Ю. В. Металлургия алюминия : Учебное пособие / Ю. В. Борисоглебский, Г. В. Галевский, Н. М. Кулагин, М. Я. Минцис, Г. А. Сиразутдинов. - Новосибирск : Наука, 1999. - 438 с.
4 Sorlie, M. Cathodes in aluminium electrolysis / M. Sorlie, H. Oye. - Dusseldorf : Aluminium-Verlag, 2013. - 643 p.
5 Орач, Т. Углеродная и графитовая футеровка катода в производстве первичного алюминия / Т. Орач // 3-ий международный конгресс «Цветные металлы - 2011». - Красноярск, 2011. - С. 678-679.
6 Zhong-hui, Qi. Исследование графитового катодного материала для алюминиевого электролизера / Qi Zhong-hui, Liu Hong-bo, Xiang Zuo Liang // Carbon Tech. (Tansu Jishu). - 2003. - № 4. - С. 15-19.
7 Li, F. Причины растрескивания зеленых углеродистых блоков для электролизеров и практические меры по предотвращению появления трещин / F. Li, J. Wang, N. Wang // Carbon Tech. (Tansu Jishu). - 2003. - № 1. - С. 23-29.
8 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.
9 Patent 2003056067 WO. Method for the production of cathode blocks. Published 11.11.2004.
10 Vorobev, A. G., Timokhin, D. V., Bugaenko, M. V. The development of the Eurasian economic space based on the model of «Economic cross» // Non-ferrous Metals. 2016. - № 1. - P. 3-8.
11 Korneev, S. I. International review of the market of non-ferrous metals // Tsvetnye metally. 2016. №1. pp. 4-7.
12 Sorlie, M., Oye, H. Cathodes in aluminium electrolysis. Aluminium. - Verlag. Dusseldorf, 2013 - 643 p.
13 Hiltmann, F., Patel, P., Hyland, M. Influence of internal cathode structure on behavior during electrolysis. Part I: properties of graphitic and graphitized material. Light Metals. - 2005. - P. 751-756.
14 Patel, P., Hyland, M., Hiltmann, F. Influence of internal cathode structure on behavior during electrolysis. Part III: wear behavior in graphitic materials // Light Metals. 2006. - P. 633-638.
15 Patent 2003056067 WO. Method for the production of cathode blocks. // Published 11.11.2004.
16 Patent 2000046426 WO. Graphite cathode for electrolysis of aluminium. Published 10.08.2000.
17 Dreyfus, J., Rivoaland, L., Lacroix, S. Variable Resistivity Cathode against Graphite Erosion // Light Metals. - 2004. - P. 603-608
18 Lombard, D., Beheregaray, T., Feve, B., Jolas, J. M. Aluminium Pechiney experience with graphitized cathode blocks // Light Metals. - 1998. - P. 653 658.
19 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.
Материал поступил в редакцию 02.03.20.
Жетписов Дархан Бейсенбаевич
магистрант, С. ТораЙFыров атындаFы
Павлодар мемлекетлк университет^
Павлодар к., 140008, Казахстан Республикасы,
e-mail: zhanakhutdinov@mail.ru
Богомолов Алексей Витальевич
т^.к., профессор, «Металлургия» кафедрасы,
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университет^
Павлодар к., 140008, Казахстан Республикасы,
e-mail: bogomolov71@mail.ru
Материал баспаFа 02.03.20 тусть
Электролизерлердщ катодты футерлеушщ тура^тылыгын арттыру эд1стер1
Мацалада электролизерлердщ катодты блоктарыныц турацтылыгыныц артуымен байланысты мэселелер царастырылады. Электролиттж тэалмен бастапцы алюминий eHdipici ушш цазiргi замангы жинацтарда пайдаланылатын графиттелген катод блоктарыныц улест арттыру осы технологияны дамытудыц негiзгi багыты болып танылды. Бул блоктардыц бiрцатар даусыз артыцшылыцтары бар, бiрiншi кезекте темен электр кедергт жэне электр етюзгшттнщ жогары децгеш.
Балцыманыц цозгалысы кезтде жогары абразивтi тозу осындай блоктардыц жумысы кезтде ец мацызды мэселе болып табылады. Бул электролизердщ цызмет ету мерзiмiн азайтуга жэне ендiрiлетiн металл цуныныц есуте экеледi. Жетекшi элемдк ендiрушiлер графиттелген блоктардыц сапасын арттыруга багытталган кешендi жумыстар жyргiзедi. Бул жумыстар бiрцатар гылыми багыттарды цамтиды: шиюзатты тиiмдi тацдау, технологиялыц процестщ оцтайлы параметрлерт тацдау, сщрудщ тyрлi нусцалары жэне т.б. Кептеген зерттеушшер катод блоктары материалыныц тыгыздыгыныц жогарылауы абразивтi тозудыц темендеуше экеледi жэне бул эсердщ эр тyрлi эдютермен (ец алдымен шайырды сiцдiру) цол жеткiзуi мумкт деген ттрде.
Бiрнеше техникалыц шешiмдер (мысалы, тозуы жогары аймацтардагы шеттерге жацын негурлым темен мэт бар блоктыц узындыгы бойынша ауыспалы электр кедергют Цуру) ендiрiстiк сынацтар барысында бшлыц деп танылды жэне цазiргi уацытта алюминийдщ бiрцатар металлургиялыц ендiрiстерiнде табысты пайдаланылады.
Кiлттi сездер: катодты блоктар, графитизация, сiцдiру, абразивтi тозу, алюминий ендiрiсi, электролизер
Jetpisov Darkhan Beisenbaevich
undergraduate student, S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan, e-mail: darhan_jetpisov@mail.ru Bogomolov Alexey Vitalyevich Candidate of Technical Sciences, Professor,
Department of «Metallurgy», S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan, e-mail: bogomolov71@mail.ru
Methods for increasing the resistance of cathode lining of electrolyzers
The article deals with the issues related to increasing the resistance of cathode blocks of electrolyzers. Increasing the share of graphite cathode blocks used in modern assemblies for the production of primary aluminum by electrolytic method is recognized as the main direction of development of this technology. These units have a number of undeniable advantages, primarily low electrical resistance and a high level of electrical conductivity.
Increased abrasive wear during the movement of the melt is the most important problem in the operation of such blocks. This leads to a reduction in the service life of the electrolyzer and an increase in the cost of the produced metal. The world's leading manufacturers carry out complex works aimed at improving the quality of graphite blocks. These works include a number of scientific areas: rational selection of raw materials, selection of optimal parameters
of the technological process, various options for impregnation, etc. Most researchers agree that increasing the density of the cathode block material leads to a decrease in abrasive wear, and that this effect can be achieved in various ways (primarily by impregnating the resin).
Several technical solutions (for example, creating an alternating electrical resistance along the length of the block with a lower value near the edges in areas with increased wear) have been recognized as successful during production tests and are currently being successfully used in a number of aluminum metallurgical plants.
Keywords: cathode blocks, graphitization, impregnation, abrasive wear, aluminum production, electrolyzer.
