Содержание к диссертации
Введение 5
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ 10
ТОКОПОДВОДА АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ СОДЕРБЕРГА
Анодные штыри электролизера 14
Коррозия анодных штырей 25
Кинетика коррозионных процессов 27
Скорость и другие количественные характеристики 29 коррозии
Образование оксидных пленок на поверхности штырей 31
Факторы, влияющие на коррозию анодных штырей 32
Внешние факторы коррозии анодных штырей 32
Внутренние факторы коррозии анодных штырей 35
1.5 Электрохимическая коррозия металлов 37
Общие положения 37
Причины образования коррозионных гальванических 37 элементов
Схема процесса электрохимической коррозии 38
Термодинамика процесса электрохимической коррозии 38
Электродный потенциал металла 39
Химический и электрохимический механизмы растворения 40 металлов в электролитах
1.6 Коррозионные процессы с кислородной деполяризацией 41
Поляризация электродных процессов 41
Термодинамика процесса коррозии с кислородной 42 деполяризацией
1.7 Способы защиты металлов от коррозии 43
1.7.1 Контролируемые и защитные атмосферы 43
Жаростойкое легирование 45
Применение жаропрочных и жаростойких сталей 47
Поверхностное легирование 48
Неорганические неметаллические покрытия 49 1.8 Выводы по главе и выбор направления исследований 49
2 ИССЛЕДОВАНИЯ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ 53
ТОКОПОДВОДЯЩИХ ШТЫРЕЙ В АНОДНОЙ МАССЕ
Методика проведения и обработки результатов 53 исследований
Количественные характеристики коррозионных процессов 54
Лабораторные исследования скорости коррозии стали 55 В ст. 3 сп. в анодной массе
Промышленные испытания коррозионной стойкости 60 штырей
Расчет количества железа, поступающего в электролизер 66
Поступление железа от анодного штыря ' 66
Поступление железа от чугунных секций газосборного 61 колокола
2.5.3 Поступление железа от технологического инструмента 61
2.5 А Поступление в электролизер железа вследствие 68
разрушения углеродной футеровки
Оценка сокращения выхода по току в результате 70 поступления в электролизер железа
Выводы по главе 71
3 ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА 73
АЛЮМИНИЯ ПУТЕМ УВЕЛИЧЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ
ШТЫРЕЙ
3.1 Экспериментальное обоснование решения задачи 73
Разработка технологии нанесения композиционного 80 хромуглеродного покрытия
Микроскопический метод анализа качества защитных 86 покрытий
Лабораторные исследования скорости коррозии и 90 электропроводности хромсодержащих материалов в
анодной массе
Расчет энергии активации 92
Измерение электросопротивления на границе метал- 93 анодная масса
3.5 Промышленные исследования скорости коррозии 95
хромсодержащих материалов в анодной массе
3.6 Выводы по главе 96
4 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ 97
ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ
Визуальный баланс железа в алюминии для технологии 97 электролиза с предварительно обожженными анодами
Способы повышения сортности металла 99
Укрупненная технико - экономическая оценка 101 эффективности внедрения анодных штырей с хромуглеродсодержащим покрытием
Расчет экономической эффективности внедрения 101 результатов работы
Расчет затрат на нанесение хромуглеродсодержащих 106 покрытий на поверхность анодного штыря
4.4 Выводы по главе 111
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 113
ЛИТЕРАТУРА 115
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в Росси 60% алюминия получают в электролизерах с верхним подводом тока к аноду с помощью штырей. В процессе эксплуатации штырь изготовленный из стали СтЗ, подвергается интенсивной коррозии в результате взаимодействии с анодной массой при высокой температуре. В последнее десятилетие скорость коррозии возросла в связи с повысившимся содержанием серы в анодной массе, содержание которой' в коксах, используемых для ее производства, увеличилось более чем в 2 раза. Обусловлено это тем, что высокосернистые нефти вовлекаются в более глубокую переработку. Согласно прогнозам рынка, в ближайшие годы улучшения качества коксов, используемых в производстве анодной массы, не предвидится. При- извлечении штыря большая часть соединений железа остается в теле анода, откуда они попадают в расплав электролита и далее, в производимый алюминий, ухудшая его качество. С момента вовлечения в производство анодной массы высокосернистых коксов наблюдается устойчивая тенденция сокращения сортности производимого металла, что негативно отражается на технико-экономических показателях электролизного производства, в частности на прибыли от реализации низкосортного металла и потере производительности электролизера за счет снижения выхода по току. Для- снижения коррозии токоподводящих штырей необходимо изготавливать штыри из коррозионно-стойких материалов. Известно, что высокой коррозионной устойчивостью при высоких температурах обладает хром и его сплавы. Применение нержавеющих сталей для изготовления штырей потребует значительных затрат; поэтому нами предлагается использовать для этих целей композиционные электролитические хромовые покрытия.
На электролизерах Содерберга подвод тока к аноду осуществляют через токоподводящие штыри. Количество штырей, устанавливаемых на электролизере С-8; С-8БМ - 72 единицы. В масштабах современных
алюминиевых заводов, таких как, Братский и Красноярский, общее количество эксплуатируемых анодных штырей, достигает 140 - 160 тыс. единиц. Кроме основного назначения — подвод тока к аноду - штыри являются несущими элементами, удерживающими анод в анодном кожухе. Масса каждого штыря составляет от 130 до 200 кг и более, изготавливаются они, как правило, из конструкционной стали марки Ст Зсп.
В процессе эксплуатации происходит деформация штыря, обусловленная неравномерностью распределения температур по его длине, от 100 — 150 С в верхней части до 900 С и более в нижней, находящейся в непосредственной близости от расплава электролита. При- извлечении' деформированного штыря происходит разрушение анода, что в итоге увеличивает падение напряжения в аноде (увеличение расхода электроэнергии, потребляемой электролизером), а также рост выхода угольной пены (увеличение расхода глинозема, фтористых солей и увеличение выбросов от электролизера загрязняющих веществ в период выполнения технологической операции «съем угольной пены», связанной с разгерметизацией газосборного колокола).
Одной из причин высоких затрат на эксплуатацию анодных штырей является их низкая коррозионная» стойкость, что приводит, кроме, всего прочего, к снижению сортности производимого алюминия: Данное обстоятельство обусловлено тем, что окислы железа с поверхности штыря попадают в анодную массу и далее в расплав. Повышение силы тока на электролизерах С-8; С-8БМ с проектных 156 кА до 170 - 175 кА, а в отдельных случаях и до 180 кА, активно проводимое на алюминиевых заводах в последнее десятилетие, потребовало реконструкции узла токоподвода. Увеличение содержания железа в электролите стало одной из причин падения выхода по току (производительности электролизера), а также снижения сортности производимого металла. В итоге алюминиевые заводы несут убытки, связанные с потерей прибыли от реализации низкосортного, мало востребованного рынком металла.
Отсюда; актуальными являются исследования, направленные на
интенсификацию электролизного производства путем повышения
коррозионной стойкости анодного токоподводящего штыря и увеличения срока его службы.
Целью диссертационной работы является повышение технико-экономических показателей электролизного производства путем повышения коррозионной стойкости анодных токоподводящих штырей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- разработать, методику определения скорости коррозии штырей в
анодной массе;
- изучить механизм и скорость коррозии штырей в анодном массиве в
лабораторных условиях и в условиях действующего электролизера;
разработать технологию нанесения коррозионно-стойких и электропроводных'покрытий-анодного штыря ;
исследовать скорость коррозии штырей с хромуглеродсодёржащим покрытием в лабораторных условиях и в условиях действующего электролизера; \
выполнить технико - экономическую оценку реализации результатов работы в промышленном масштабе.
Методы исследования. В работе для решения поставленных задач использовались гравиметрические методы определения коррозионной стойкости материалов в технологических средах производства алюмріния с привлечением установленных ГОСТом методик при современном метрологическом обеспечении лаборатории ИрГТУ и центральной заводской лаборатории. Братского алюминиевого завода. Эксперименты проводились как в лабораторных, так и в промышленных условиях.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается воспроизводимостью результатов параллельных опытов, использование установленных ГОСТом методик при современном
метрологическом-обеспечении лаборатории ИрГТУ и центральной заводской лаборатории Братского алюминиевого завода.
Научная новизна работы заключается в том, что на основе изучения коррозионного поведения металлов, сплавов и электрохимических покрытий в анодной массе впервые:
установлено, что скорость коррозии стали СтЗ в анодной- массе определяется диффузионными процессами, возрастает с повышением температуры и при температуре 900 С достигает 31,25 мм /год;
определена скорость коррозии токоподводящих анодных штырей в электролизерах с верхним токоподводом на Братском, алюминиевом заводе, которая максимальна более 30 мм/год в нижней части штыря и снижается до 3 мм/год с повышением штыря в анодной массе;
- установлено что скорость коррозии штыря повышается с увеличением
серы в анодной массе и повышением силы тока на электролизере;
- показано, что> хромовые углеродсодержащие композиционные
покрытия обладают повышенной электропроводностью и коррозионной
устойчивостью в анодной массе и снижают скорость коррозии с 30,0 до 9,6
мм в год.
Практическая значимость исследований состоит в том, что на основе изучения коррозионного поведения металлов, сплавов и электрохимических покрытий в анодной массе предложен новый способ антикоррозионной защиты штырей путем нанесении композиционных хромовых покрытий на основе углерода на нижнюю, самую быстроизнашиваемую часть штыря. Применение композиционных покрытий сокращает скорость коррозии штыря в 3 раза при сохранении электропроводности на уровне, сопоставимом с электропроводностью стали. Использование анодных штырей с композиционным хромуглеродсодержащим покрытием в промышленном масштабе на Братском алюминиевом заводе позволит в 3 раза снизить скорость коррозии штырей в анодной массе, что обеспечит:
сокращение расхода анодных штырей в 2 раза;
сокращение поступления в электролизер железа более, чем на 20 %;
снижение выхода угольной пены на 25 %;
увеличение выпуска алюминия на 1049 т/год.
Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов работы на Братском алюминиевом заводе составит более $ 38,9 млн. в год.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение: на 2-ой Региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов алюминиевой промышленности (Иркутск, 2004); научно практических конференциях «Перспективы развития технологии, экологии и автоматизации химических, пищевых и> металлургических производств» (Иркутск, 2005; 2006); 2-ой Всероссийской школе-семинаре ученых «Обогащение руд», с международным участием, посвященной 75-летию со дня рождения члена корреспондента РАН СБ. Леонова (Иркутск, 2006); 4 -ой республиканской научно-технической конференции ученых и специалистов алюминиевой и электродной промышленности (Иркутск, 2006); научно - практической конференции «Оценка эколого-экономической ситуации водных экосистем в бассейне оз. Байкал и управление экологическим риском» (Иркутск, 2006); .6 - ой Всероссийской научно — технической конференции, посвященной 50- летию института СибВАМИ (Иркутск, 2008).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 15 работ.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 114 наименований. Работа содержит 125 страниц машинописного текста, включая 23 таблицы и 33 рисунка.
