Формирование структуры и свойств анодов Содерберга

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ АНОДОВ СОДЕРБЕРГА

Сизяков В.М.

Бажин В.Ю.,

Судницин Е.О.

Крупнейшим потребителем углерода в РФ является алюминиевая промышленность. В процессе электролитического производства алюминия по классической технологии Содерберга используются углеродные аноды. В настоящее время, данная технология имеет ряд серьезных недостатков, из которых главными являются: выбросы в атмосферу загрязняющих веществ (диоксида углерода, смолистых и полиароматических веществ), высокий расход электроэнергии, высокий удельный расход массы (порядка 500 кг на тонну алюминия).

В условиях политики энергосбережения и ужесточения экологических требований появляется острая необходимость решения описанных проблем.

Для ликвидации вышеописанных «побочных» эффектов следует решить ряд задач:

1. снизить степень сегрегации (предотвратить возможность расслоения анодной массы);

2. уменьшить выход канцерогенов в атмосферу;

3. максимально снизить или совсем предотвратить образование угольной пены.

Качество целевого продукта данного производства, технико-экономические и экологические показатели во многом зависят от реологических и физико-химических свойств анодной массы.

Решение поставленных задач кроется в формировании структуры анода по принципу композитного материала, т.е. скелета из модифицированного кокса и антрацита, скрепленного связующим (каменноугольным/нефтяным/гибридным пеком), с учетом требований к конечному продукту. Руководствуясь теорией композитных материалов, можно предположить _ композит (конечный продукт) превосходит по свойствам, составляющие его компоненты.

Понижение степени сегрегации достигается при создании определенной структуры композита и условий, при которых масса, опускающаяся в колонне анода, максимально уплотнялась, что в свою очередь повысит механическую прочность анода, снизит общую пористость, что в сумме дает уменьшение удельного расхода электродной массы на тонну алюминия.

В.И. Крылов [1], Я.С. Каждан [2] и O. Bowitz [3] занимались разработкой рецептур анодных масс и обоснованием такого гранулометрического состава, при котором насыпная плотность композита максимально приблизится к расчетному значению истинной плотности. Более глубокая разработка пекококсовых композиций проводилась специалистами ВАМИ.

Основные диапазоны условного диаметра зерен наполнителя приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Гранулометрические составы анодных масс

Расчетное значение коэффициента объемного заполнения для представленных в табл. 1. фракционных составов составляет 88.6 %. Эмпирические данные расходятся с теоритическими практически на четверть, практический коэффициент объемного заполнения на 20-25 % меньше планируемого, оставшиеся пустоты (35-40 % конечного объема) заполняют тонкой фракцией, с условным диаметром частиц - 0.16 мм.

Разработкой «сухого» анода так же занимался Янко Э.А. [4], предложенная им методика дальнейшего уплотнения массы основана на виброуплотнении. Такой способ позволяет достичь значения насыпной плотности массы 1.30 - 1.32 г/см³.

Для получения массы с такой степенью уплотнения без непосредственного плавления связующего, возможно при практически значимом фракционном составе:

1. крупная фракция - 20-30 %;

2. средняя фракция - 30-35 %;

3. пылевая фракция - 30-45 %.

Интервалы значений процентного содержания каждой фракции в полной мере подтверждаются широко распространенными трехфазными диаграммами, отражающие зависимость вибронасыпной плотности от фракционного состава, при испытании различных сортов кокса (рис. 1.).

Рис. 1 - Трехфазные диаграммы зависимости вибронасыпной плотности от гранулометрического состава массы

Также тело анода следуют рассматривать как электрод, подвергающийся химическому и электрохимическому окислению в процессе электролиза. Следовательно, при обосновании гранулометрического состава нужно учитывать различную реакционную способность (РС) кокса наполнителя и связующего. Разность РС ингредиентов композита определяет селективную скорость окисления компонентов анодной массы [5], а увеличение разности РС приведет к образованию микро- и макротрещин, что в свою очередь, помимо снижения ряда технических параметров эксплуатации электролизеров, может стать причиной разрыва тела анода.

Проведенные исследования в данной области, не предлагают способа полного заполнения как открытых, так и закрытых пор наполнителя, а следовательно получения анода со значением плотности близким к пикнометрической.

Для создания образца высокопрочного низкопористого (ВПНП) анода планируется получение и испытание в качестве компонентов композитной массы мелкодисперсных пековых коксов, обладающих схожими с элементами наполнителя значениями реакционной способности к диоксиду углерода. Полученные микрофракции коксов различного происхождения в рассчитанных пропорциях внедряются в поры наполнителя, посредством вакуумирования с параллельным нагревом до температурного диапазона 285-550 °С. Выбранным значениям температуры соответствуют начало и окончание активной термической деструкции углей, в ходе которой меняется морфология кокса. В результате появления микротрещин в структуре наполнителя появляется доступ в закрытые поры [6], которые в условиях вакуума заполнятся частицами мелкодисперсной композиции коксовой мелочи и связующего.

Определение качественных характеристик разработанных образцов модифицированного каменноугольного/нефтяного кокса проводят при помощи рентгенофлуорисцентного анализа (РФА). Также после проведения ряда испытаний на определение: механической прочности, пластических свойств, плотности как модифицированного компонента, так и композита на его основе, электрического сопротивления и содержания серы, получают технические характеристики разработанной анодной массы сравнивают с аналогичными параметрами образцов масс, используемых на действующих алюминиевых заводах, затем применяют необходимые корректировки к процессу модифицирования наполнителя и условиям формирования целевого анода.

Разработка рецептуры подштыревой массы и решение проблемы различных реакционных способностей наполнителя и связующего, произойдет в результате внедрения в пек технического углерода различных марок, обладающих уникальными свойствами (точечная модификация). Добавление в рассчитанных пропорциях существующих углеродных композиций, после проведения необходимых модификаций, с одновременным обоснованием режимов изменения структуры исходных компонентов, позволит комплексно решить поставленные задачи, без снижения качества получаемого металла и изменения существующих технологических режимов эксплуатации алюминиевых электролизеров, в которых применяется технология Содерберга.

По полученным результатам планируется создание математической и физической моделей процесса создания ВПНП анода.

Конечный продукт исследований это не только ВПНП анод, но и математическая модель, позволяющая, исходя из необходимых физическо-химических и электрических параметров целевой анодной (подштыревой) массы, еще на стадии выбора вариационного состава, ликвидировать нежелательные процессы в ходе электролитического получения алюминия.

анод электролитический алюминий содерберг

Литература

1. Крылов, В.И.//Тр. ЛТИ им. Ленсовета. Вып. XXXIII. 1955.

2. Каждан, Я.С. Технология электродов./ Каждан Я.С.-М.: Металлургиздат, 1941.

3. Bowitz, O., Bockmann, O., Metallurgy of Aluminium, AIME // Light Metals. P 53-60.

4. Янко, Э.А. Аноды алюминиевых электролизеров./ Янко Э.А.-М.: ИД «Руда и металлы», 2001.

5. Гордон, Д. Новая наука о прочных материалах./ Гордон. Д.-М.: Металлургия, 1990.

6. Воздействие на структуру и свойства углей при экстремальной термообработке/ В.Ю.Бажин [и др.]// Международный научно-исследовательский журнал._2015._№ 38._ С. 13-15.

Размещено на Allbest.ru