Повышение эффективности работы алюминиевых электролизеров путем улучшения свойств минеральной части футеровки катода Бахтин Александр Арнольдович

Содержание к диссертации

Введение

1. Анализ современного состояния производства и применения футеровочных материалов для катодов алюминиевых электролизеров и механизма их разрушения под действием компонентов расплава электролизной ванны 10

1.1. Конструкция катодного кожуха. Назначение, местоположение материалов в цоколе и основные требования к ним 10

1.2. Основные виды футеровочных материалов, применяемых в алюминиевых электролизерах. Химический состав и основные физико-химические свойства футеровочных материалов 12

1.3. Механизм разрушения цокольной части катодов алюминиевых электролизеров. Основные реакции футеровочных материалов с компонентами расплава электролизной ванны 22

1.4. Влияние состояния футеровки цоколя на технико-экономические показатели работы электролизера и его тепловую и энергетическую эффективность 34

1.5. Выводы 40

2. Экспериментальные исследования свойств футеровочных материалов 44

2.1. Изучение физико-химических свойств футеровочных материалов 44

2.2. Исследование зависимости коррозионной стойкости шамотных изделий от их физико-механических свойств. Оценка стойкости огнеупора методом ультразвукового контроля 86

2.3. Изучение температурного поля днища катодного кожуха, как фактора состояния футеровки цоколя 11 5

2.4. Разработка технических решений по совершенствованию конструкции футеровки цоколя с использованием

математического моделирования 123

2.5. Выводы '... 136

3. Исследование эффективности применения сухих барьерных смесей и антидиффузионных барьеров на промышленных электролизерах содерберга на силу токака 140

3.1. Монтаж, обжиг и пуск электролизеров 140

3.2. Эксплуатация электролизеров 147

3.3. Анализ и прогноз срока службы электролизеров 155

3.4. Выводы 159

Заключение :..161

Список литературы

• Основные виды футеровочных материалов, применяемых в алюминиевых электролизерах. Химический состав и основные физико-химические свойства футеровочных материалов
• Механизм разрушения цокольной части катодов алюминиевых электролизеров. Основные реакции футеровочных материалов с компонентами расплава электролизной ванны
• Исследование зависимости коррозионной стойкости шамотных изделий от их физико-механических свойств. Оценка стойкости огнеупора методом ультразвукового контроля
• Эксплуатация электролизеров

Введение к работе

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В условиях современной рыночной экономики, когда каждый производитель первичного алюминия борется за снижение себестоимости металла, значительную долю в этом показателе эффективности производства занимает статья расходов на капитальный ремонт электролизеров. Это особенно актуально для большинства отечественных алюминиевых заводов, на которых уровень технологии и культуры производства на сегодняшний день отстают от ведущих зарубежных производителей.

Высокие требования, предъявляемые к современным футеровочным материалам, определяют их высокую стоимость и общее увеличение затрат на капитальный ремонт электролизеров. Однако повышение надежности катодного устройства, приводящее к увеличению эффективного срока службы электролизера, в конечном итоге, должно окупить рост затрат на футеровку при капитальном ремонте за счет увеличения межремонтного цикла и улучшения производственных показателей работы электролизера.

Воздействие агрессивных компонентов расплава электролизной ванны на минеральную часть футеровки цоколя является неотъемлемой частью комплекса физико-химических процессов, происходящих при электролитическом разложении глинозема. Пористая структура угольной футеровки не является препятствием для проникновения расплава под подину, и инфильтрация последнего в цоколь происходит в течение всего срока эксплуатации электролизера.

Свойства огнеупорной и теплоизоляционной футеровки оказывают непосредственное влияние на эффективность технологического процесса. Поэтому подбор и комплектация цоколя материалами с требуемыми свойствами играют важную роль в общей концепции повышения долговечности катодного устройства и поддержания стабильного теплового равновесия, влияющего на энергетические показатели работы электролизера. ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью диссертационной работы является выдача рекомендаций, направленных на обеспечение стабильных рабочих характеристик минеральной части катодной футеровки, гарантирующих высокий срок службы электролизера и сохранение в течение длительного периода теплового и энергетического равновесия ванны, способствующих достижению высоких технико-экономических показателей работы электролизера.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для изучения свойств футер овочных материалов использованы методики определения механической прочности на сжатие, водопоглощения, кажущейся плотности, общей, открытой и канальной пористости, кажущейся геометрической плотности, истинной плотности, коэффициента газопроницаемости, коэффициента теплопроводности, коэффициента температурного линейного расширения, времени распространения ультразвука, коррозионной стойкости материалов.

Для выполнения практических измерений температуры наружной поверхности элементов катодного кожуха применен бесконтактный метод замеров температуры электронно-лучевым прибором «пирометр точечный «Thermopoint 64/64+»».

Визуализация цифровой информации температурных замеров в виде построения изотерм и температурных полей наружных элементов поверхности электролизера осуществлялась разработанной компьютерной программой «Автоматизированный анализ профилей температурного поля катодного узла электролизера для производства алюминия «Т-поля»».

Контроль температуры на отдельных областях наружной поверхности катодного кожуха осуществлялся тепловизором «AGEMA -570 Flir System».

Расчет тепловых и электрических полей алюминиевого электролизера выполнен с использованием компьютерной программы «Filer» (версия 2.52).

Исследования формы рабочего пространства (ФРП) электролизеров по данным натурных измерений, а также расчет объемного состава незавершенного производства, эффективной рабочей площади катода осуществлены методом компьютерного моделирования при помощи программы «Vega Soft - расчет ФРП» (версия 1.07).

В работе использованы физико-химические методы исследования материалов, такие как: рентгенографический фазовый анализ; визуальный полуколичественный атомно-эмиссионный анализ; рентгеноспектральный, химический и фотоколометрический методы анализа.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в том, что:

- на основе проведенных лабораторных исследований материалов минеральной части футеровки цоколя определены основные свойства теплоизоляционных и огнеупорных изделий, оказывающие влияние на коррозионную стойкость футеровки и эффективность работы электролизера;

- проведены исследования различных составов сухих барьерных смесей (СБС), определены основные свойства СБС, в том числе их коррозионная стойкость. Даны рекомендации по применению СБС;

- установлена взаимосвязь основных физико-механических характеристик шамотных изделий с химической стойкостью к воздействию натрия и фторидов, поступающих в цоколь из электролизной ванны;

- установлены корреляционные зависимости различных характеристик шамотных изделий от скорости распространения ультразвука (УЗ);

- на примере кирпичей марки ШБ-1 «Сухоложского огнеупорного завода» установлен интервал средней скорости распространения УЗ для образцов шамотных изделий, обеспечивающий надежность огнеупорной футеровки и эффективность производственных показателей работы электролизеров, в том числе

- увеличение срока службы;

изучена зависимость температурного поля днища катодного кожуха от состояния футеровки цоколя. Разработана компьютерная программа «Тополя», которая на основе ограниченного набора точек натурных измерений температуры позволяет производить построение профилей температурных полей соответствующих участков теплового агрегата, совместно с другими технологическими данными определять наиболее вероятные очаги разрушения футеровки катодного устройства, повысить эффективность локального ремонта подины катодного устройства алюминиевого электролизёра;

изучено влияние коэффициента неравномерности температурного поля по днищу катодного кожуха в пусковой период на продолжительность образования на ванне стабильного гарнисажа и время выхода электролизера на стационарный режим;

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. По результатам исследований проведены промышленные испытания электролизеров с опытными элементами футеровки в цоколе. Разработаны различные варианты компоновки цоколя катодного устройства (заявка на изобретение № 2004102989 «Катодное устройство электролизера для получения алюминия»). На ОАО «СУАЛ - ИркАЗ» внедрена комплектация для отдельных категорий футеровочных материалов по данным ультразвукового контроля (заявка на изобретение № 2004134995 «Способ формирования подины алюминиевого электролизера»). За счет внедрения программы «Т-поля» (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2003611535) повышена эффективность локального ремонта подин катодных устройств, в 2004 г. средний срок службы электролизеров, отключенных после локального ремонта, составил 10,0 мес, действующих после локального ремонта - 8,2 мес

Результаты выполненных исследований внедрены в электролизном цехе «СУАЛ-ИркАЗ» со среднегодовым экономическим эффектом, начиная с 2001 г. -4,5 млн. руб. (расчет экономической эффективности прилагается).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на заводских, региональных и международных научно-технических и научно-практических конференциях:

- на научно-практической конференции ИркАЗ-СУАЛ «Повышение эффективности действующего производства». Шелехов, 1999 г.;

- на научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы развития алюминиевой промышленности». Иркутск, 1999 г.; - на международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов алюминиевой, магниевой и электродной промышленности. ВАМИ. Санкт-Петербург, 1999 г.;

- на II научно-практической конференции ИркАЗ-СУАЛ «Повышение эффективности действующего производства». Шелехов, 2000 г.;

- на международной конференции «Металлургические технологии и экология». Санкт-Петербург, 2001 г.;

- на III научно-практической конференции ИркАЗ-СУАЛ «Повышение эффективности действующего производства». Шелехов, 2001 г.;

- на VI региональной научно-практической конференции «Алюминий Урала -2001». Краснотурьинск, 2001 г.;

- на II международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов алюминиевой, магниевой и электродной промышленности. ВАМИ. Санкт-Петербург, 2002 г.;

- на IV научно-практической конференции ИркАЗ-СУАЛ «Повышение эффективности действующего производства». Шелехов, 2003 г.;

- на региональной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов алюминиевой, магниевой и электродной промышленности. СибВАМИ. Иркутск, 2003 г.;

- на II региональной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов алюминиевой, магниевой и электродной промышленности. СибВАМИ. Иркутск, 2004 г.;

- на научно-практической конференции «Совершенствование техники и технологии производства алюминия и глинозема». Надвоицы, 2004 г.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертационной работы опубликовано 35 научных трудов, в т.ч. 21 статья, 14 тезисов докладов на конференциях.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа содержит 183 страницы машинописного текста, 75 рисунков, 51 таблицу. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 123 наименований, двух приложений. НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ следующие основные положения:

- результаты исследований основных свойств теплоизоляционных и огнеупорных изделий, влияющих на коррозионную стойкость футеровки и эффективную работу электролизера;

- результаты исследований коррозионной стойкости различных составов сухих барьерных смесей (СБС);

- результаты исследований корреляционной зависимости характеристик шамотных изделий от скорости распространения ультразвука;

- результаты исследований температурных полей катодного устройства алюминиевого электролизера в период обжига, пуска и поелепусков ого периода;

- результаты исследования эффективности применения антидиффузионных барьеров и сухих барьерных смесей на электролизерах Содерберга на силу тока 165 кА.  

Основные виды футеровочных материалов, применяемых в алюминиевых электролизерах. Химический состав и основные физико-химические свойства футеровочных материалов

До недавнего времени объем поставляемых на мировой рынок огнеупоров для цветной металлургии составлял относительно небольшую долю - около 7,5 % мирового производства огнеупоров [5]. Наибольшее количество огнеупоров потребляют производства алюминия, цинка, меди, никеля и свинца, объемы выплавки которых, составляют приблизительно 95 % от общего производства цветных металлов [6]. На производство алюминия приходится около 15 % всех огнеупоров, потребляемых цветной металлургией [5].

В общем объеме мирового производства и экспорта алюминия Россия занимает одно из ведущих мест. Несмотря на это, разработке специальных огнеупорных материалов для алюминиевой промышленности уделяется мало внимания и, как правило, алюминиевые заводы России потребляют огнеупоры, производимые для нужд черной металлургии.

При всем многообразии тепловых агрегатов, используемых в алюминиевой отрасли, наиболее емкими по объемам потребления огнеупоров являются электролизеры для получения первичного алюминия, а именно, цокольная часть катодного устройства. Схема катодного устройства алюминиевого электролизера, применяемая в настоящее время на большинстве российских заводов, показана на рис. 1.1. Средняя стойкость такой футеровки составляет около 38-42 месяцев.

Элементы катодного устройства: 1 - боковые блоки; 2 - боковая засыпка; 3 - металлический катодный кожух; 4 - ребра жесткости; 5 - катодный стержень (блюмс); 6 - бровка; 7 - силовые элементы кожуха; 8 - выравнивающая подсыпка; 9 -теплоизоляция; 10 огнеупорная футеровка; 11 - насыпная подушка; 12 - межблочный шов; 13 подовый блок; 14 - периферийный шов

Компании, являющиеся мировыми лидерами в производстве алюминия, применяют самые современные технологии, которые немыслимы без использования современных специальных футеровочных материалов.

Основными видами огнеупорных материалов для алюминиевых электролизеров являются [6, 7]: о Огнеупорные кирпичи. Алюмосиликаты с содержанием глинозема 15-45 вес.%. Обычно носят название «шамот» или огнеупорные кирпичи. Основными фазами в огнеупорных кирпичах являются муллит (ЗАЬОз ЗЮг), кристобалит (SiCb) и стекловидная фаза с большим содержанием глинозема. о Высокоглиноземистые кирпичи. Изделия в виде кирпичей или плит с высоким содержанием А120з. о «Монолитный глинозем». Футеровка из плотно упакованного путем вибрации глинозема. о Форстеритовые кирпичи. Форстеритовые (оливиновые) кирпичи, содержащие гранулы форстерита (IV SiC ), связанные алюмосиликатами.

Широкое применение в алюминиевой промышленности находят алюмосиликатные изделия, общей чертой которых является содержание более 15% А120з и не более 85% Si02.

В последние годы расширяется применение карбидкремниевых огнеупоров на нитридной связке и нитридкремниевых огнеупоров, которые отличаются плохой смачиваемостью расплавом алюминия, высокой коррозионной стойкостью, высокой механической прочностью и низким термическим расширением. Другим важным свойством таких огнеупоров является высокая стойкость к окислению на воздухе и способность связки противостоять агрессии фторсолей.

Многие специалисты одним из основных путей повышения срока службы тепловых агрегатов алюминиевой промышленности считают применение плавленолитых алюмосиликатных огнеупоров. Эти изделия отличаются низким термическим расширением, высокой термостойкостью и низкой теплопроводностью. По сравнению с однотипными керамическими огнеупорами плавленолитые обладают пониженной химической активностью, более высокими термохимическими свойствами. Высокие эксплуатационные характеристики обусловливают высокую стоимость плавленолитых огнеупоров, их стоимость более чем в 20 раз превышает стоимость шамота [8].

Механизм разрушения цокольной части катодов алюминиевых электролизеров. Основные реакции футеровочных материалов с компонентами расплава электролизной ванны

Огнеупорные материалы, используемые в футеровке катодов алюминиевых электролизеров, подвергаются воздействию компонентов электролита во время всего срока службы электролизера. Химическое разрушение вследствие воздействия расплавленных фторсоединений приводит к изменению физико-химических свойств футеровочных материалов и повышенному расходу электроэнергии, вспучиванию подовых угольных блоков, а в экстремальных случаях может привести к выходу электролизера из строя. Проникновение компонентов расплавленного электролита в катодную футеровку начинается сразу после пуска электролизера. Оно происходит особенно интенсивно в первые месяцы работы электролизера. Позднее скорость проникновения расплава замедляется вследствие увеличения длины пути диффузии компонентов расплава, но он продолжает диффундировать через угольный катод до момента отключения электролизера в капремонт.

Электролизер обычно сконструирован таким образом, что изотермы температуры 800-850С проходят в слое верхнего защитного материала огнеупора - во избежание разрушения нижнего теплоизоляционного слоя футеровки. Самое важное свойство огнеупорной футеровки заключается в стойкости к проникновению расплава, но пока нет единого мнения о способах по обеспечению этого показателя надежности футеровки. Многими авторами отмечается важность высокой температуры солидуса в системе, определяемой самим огнеупорным материалом и продуктами коррозии расплавленными фторсолями [25, 35, 36]. Высокая температура солидуса уменьшает растворимость огнеупорных материалов в расплаве фторсолей и тем самым уменьшает глубину проникновения электролита в футеровку. Однако температура солидуса не может быть выше, чем эвтектика NaF-Na3AlF6 при температуре 888С [37].

На разрушение огнеупорной футеровки прямое влияние оказывают условия работы угольной подовой футеровки электролизера. По результатам «сухой» выбойки отработанных катодов значительное число авторов сосредоточили свои исследования на коррозии огнеупорных материалов расплавом электролизной ванны. Щелочной электролит имеет более высокую концентрацию ионов NaF по отношению как к чистому криолиту NasAlFg, так и типичному промышленному электролиту (10-12% вес. избыток AIF3 по отношению к Na3AlF6). На основе реакций в угольных катодных блоках, под ними присутствует щелочной расплав, на это указывают авторы работ [38, 39]; А1(ж)+ 3NaFw= 3Na Bc) + A1F3(5K); (1.1) 4Na3AlF6 + 12Na(B c) + 3C(TB) = АІ4С3(та)+ 24NaF(jK). (1.2)

Реакция (1.1) происходит на поверхности раздела фаз между расплавленным алюминием и электролитом и способствует воздействию натрия на огнеупоры наряду с воздействием фторсоединений. Реакция (1.2), происходящая в угольных подовых блоках, постепенно снижает концентрацию A1F3 в проникающем электролите. Поэтому расплавленные фторсоединения, воздействующие на огнеупорный материал, являются смесью в основном NaF и Na3AlF6.

Огнеупорные материалы не являются идеальными, беспористыми и инертными. В результате химических реакций с проникающими компонентами расплава образуются новые вещества, которые частично выпадают в осадок. Проникновение электролита и разрушение футеровки не прекращается до тех пор, пока расплав фторсолей не будет насыщен всеми компонентами огнеупорной футеровки. Расплав может также полностью затвердеть из-за изменения его состава, температура плавления которого значительно выше той, в зоне которой он находится. Затвердевание и дальнейшее временное прекращение проникновения возможно также при непосредственном попадании расплава в зону низких температур.

В результате проникновения расплавленных фторидов в открытые поры футеровочного материала увеличится его плотность и теплопроводность, нарушится тепловой баланс электролизера. Авторы работы [1] на основе материалов «сухой» выбойки отработанных катодов подразделяют огнеупоры под угольной разрушенной подиной на три главные группы:

а) сильно пропитанный верхний слой прямо под катодом, содержащий затвердевший в полостях расплав, который образовался вследствие поднятия подины. Футеровка цоколя этого слоя практически полностью изменена за счет растворения и реакций с фторсолями; б) средний слой, содержащий меньше пропитанных и видоизмененных материалов. Исходная форма может быть все еще очерчена, хотя высота, пористость и цвет, изменены. Обычно этот слой содержит нижнюю часть огнеупоров и верхнюю часть теплоизоляции; в) почти не изменившиеся материалы, в большинстве случаев включающие изоляционные слои, которые расположены близко к кожуху. Материалы могут быть с измененным размером и цветом, но все еще не потеряли теплоизоляционные свойства. A.Seltveit [40] и O.Silijan [41] приводят следующее послойное распределение главных компонентов в разрушенной футеровке цоколя (расположены в порядке удаления от катодных блоков): {NaF + Al-Fe-Si + AI4C3} -» {NaF + р-А1203} - {Na3AlF6 + р-А1203} -» {NaF + NaAlSiC 4 + «содолитоподобная» фаза (6NaAlSi04-xNaF)} — {непрсреагировавшие материалы}.

Исследование зависимости коррозионной стойкости шамотных изделий от их физико-механических свойств. Оценка стойкости огнеупора методом ультразвукового контроля

На большинстве российских алюминиевых заводах подход к комплектованию и контролю свойств футеровочных материалов для цокольной части катода алюминиевого электролизера не является на сегодняшний день совершенным. Чаще всего выборочно контролируются только геометрические размеры кирпичей. В действительности физико-химические свойства футеровочных материалов значительно колеблются даже для изделий одной марки, одного поставщика, тем более для разных заводов, имеющих разные сырьевые базы и технологии прессования и обжига.

Таким образом, изначально проектируемые однотипные конструкции электролизеров со стандартной футеровкой катодного устройства и схожими энергобалансами, фактически имеют разные физико-механические свойства катодной футеровки, разную химическую стойкость и долговечность, со всеми вытекающими последствиями.

Целью проведенных исследований является выявление связи основных физико-механических характеристик шамотных изделий с химической стойкостью к воздействию натрия и фторидов. Определение возможности выделения узкого интервала в категории изделий, отвечающих комплексу жестких требований, экспресс-методом неразрушающего контроля.

Из неразрушающих методов определения механических свойств материала наиболее оперативным и информативным в настоящее время является ультразвуковой (УЗ) метод. Он основан на корреляционной зависимости между механическими свойствами и скоростью распространения ультразвука в материале. Таким образом, структура материала, его основные свойства, могут быть охарактеризованы на основе корреляционных уравнений зависимости каких-либо характеристик от скорости УЗ. Основные принципы и результаты УЗ исследований изложены в работах [72- 75].

Основными свойствами, определяющими поведение шамота в цоколе катодного устройства можно назвать: -термомеханические (прочностные) свойства; -теплофизические свойства.

Из термомеханических свойств выделим прочность и модуль упругости, а из теплофизических - эффективную теплопроводность и температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР). В свою очередь эти свойства зависят от структуры изделия, важнейшим показателем которой является пористость.

Проведены серии экспериментов по изучению шамотных изделий марки ШБ (АО «Сухоложский огнеупорный завод»), используемых для монтажа цоколя катодного устройства [76-78]. За основу взята кажущаяся плотность шамотных изделий (D , кг/м ). Построение экспериментов основывалось на изначальной гипотезе о повышении стойкости шамота к коррозии натрия и фторидов при возрастании кажущейся плотности материала. Геометрическая кажущаяся плотность шамотных кирпичей определялась по методике в соответствие с ГОСТ 24468-80. Таким образом, была определена геометрическая кажущаяся плотность группы шамотных кирпичей марки ШБ-1 в количестве 50 штук, взятых с разных поддонов одной партии. Отобранным образцам шамота присвоены порядковые номера, и они подвергнуты сквозному ультразвуковому прозвучиванию прибором «Пульсар-1.0» в трех направлениях по оригинальной методике УЗ исследований материалов (ГОСТ Р 52007-2003).

В процессе формования изделий и последующем их обжиге возникает анизотропия структуры, обусловленная неизометричностью частиц шихты. Частицы порошка изначально при свободной засыпке располагаются ориентированно (перпендикулярно направлению силы тяжести). При прессовании эта ориентация усиливается. Поэтому наблюдается естественное различие скорости УЗ в направлении параллельном и перпендикулярном оси прессования. В тоже время, значительное расхождение скорости УЗ в одной плоскости (через торцевую и ребровую поверхности), может свидетельствовать о скрытых внутренних дефектах кирпича или неоднородности состава и вносить искажения в результаты экспериментов. Для дальнейшей работы были отобраны кирпичи с минимальными расхождениями по скорости УЗ в плоскости перпендикулярной оси прессования. Затем была сделана выборка отдельных образцов в интервале плотности от 1940-2100 кг/м , с которыми и проводились все дальнейшие исследования (33 шт.). Данные по ультразвуковому исследованию образцов шамота приведены в табл. 2.29. Коэффициент вариации (относительное среднеквадратичное отклонение), характеризующий разброс показателя, рассчитывали по формуле: v= xl00%, (2.3) где: о - среднеквадратичное отклонение; х- среднее значение показателя.

Близость эмпирических выборок к нормальному закону распределения оценена по критерию согласия Колмогорова-Смирнова на уровне значимости р=0,20. Значение d критерия Колмогорова-Смирнова (К- S) и соответствующий эмпирический уровень значимости приведены в заголовках гистограмм на рис. 2.21, 2.22. Если р 0,20, то выборочное распределение подчиняется нормальному закону, в противном случае (р 0,20) гипотезу о нормальном распределении следует отклонить.

Подчинение нормальному закону распределений по скорости ультразвука и высокий коэффициент корреляции ( 0,83) между значениями скорости ультразвука, измеренными в различных направлениях, говорит о достоверности результатов ультразвуковых измерений. Следует также заметить, что коэффициент вариации по плотности составляет 2,8%, а по скорости ультразвука составляет 14-18%. Иными словами, разброс кирпичей по скорости ультразвука раз в 5 превышает их разброс по плотности. Это указывает на то, что плотность не является главным фактором изменения скорости ультразвука. Таким фактором обычно является прочность материала.

Эксплуатация электролизеров

Согласно предварительным расчетам и модельным экспериментам была найдена оптимальная компоновка цоколей с сухими барьерными смесями и антидиффузионным барьером, определены высоты и местоположения слоев футеровки. Для СБС-ГЩГ и DBM высота уплотненного слоя составляет 164 мм (замена глиноземной подушки и двух рядов кладки шамотного кирпича). В цоколе катодного кожуха опытного электролизера ниже СБС-ГЩГ расположены: один ряд шамота ШБ-1 (высота слоя 67 мм); два ряда пенодиатомита ПД-400 (высота слоя 134 мм); заполнитель шамотный ЗШБ (высота слоя 20 мм). В цоколе с DBM ниже барьера расположены: три ряда пенодиатомита ПД-400 (высота слоя 199 мм); заполнитель шамотный ЗШБ (высота слоя 20 мм). В цоколе с антидиффузионным барьером между шамотом и пенодиатомитом расположены листы железа (высота слоя 2 мм), верхний ряд шамота заменен лещадью (40 мм), на которой расположен слой стекла (высота слоя 25 мм).

Согласно определенным ранее плотностям СБС-ГЩГ и DBM, а также их уплотняем ости, разработаны эскизы и чертежи футеровки цоколя катода электролизеров С8Б и С8БМ с применением СБС-ГЩГ, DBM, антидиффузионного барьера.

Для укладки сухих барьерных смесей в цоколь электролизера применена виброрейка с пневмовибратором частотой 100 с"1.

В 2001 году произведен монтаж и осуществлен пуск двух опытных электролизеров типа С8Б с DBM в цоколе катодного устройства: № 203, № ПО. В этом же году осуществлен монтаж и пущены в эксплуатацию двадцать электролизеров типа С 8Б/БМ с антидиффузионным барьером из стекла и железа в цоколе. В течение всего периода эксплуатации производилось наблюдение за опытными электролизерами в сравнении со свидетелями. Состояние футеровки цоколя и эффективность барьерного слоя оценивалось по температурному полю на днище катодного кожуха. Некоторые результаты замеров на опытных электролизерах с DBM в цоколе и свидетелях в начальный период эксплуатации приведены в Приложении А на рис. А.1. В 2002 г. пущено еще пять электролизеров, в катодах которых применена аналогичная барьерная смесь DBM.

В 2002 г. произведен монтаж и осуществлен пуск двух опытных электролизеров типа С8Б и С8БМ с сухой барьерной смесью СБС-ПЦГ в цоколе - № 539, № 221 и свидетелей к ним - № 116, № 577. При монтаже цоколя катодов, в каждый из них произведена закладка 10-и термопар в соответствие с разработанной схемой. В течение обжига и пускового периода опытных электролизеров и свидетелей, производился контроль основных технологических параметров, замеры температуры в массиве цоколя и на днище катодного кожуха. Температурные поля днища катодных кожухов опытных электролизеров с СБС-ПЦГ в цоколе и свидетелей, измеренные в начальный период эксплуатации, приведены в Приложении А на рис. А.2, А.З. Сравнительные диаграммы изменения во времени средней температуры днища катодных кожухов опытных электролизеров с СБС-ПЦГ в цоколе и свидетелей приведены на рис. 3.1 — 3.3. Скорость прогрева цоколя и равномерность распределения теплового потока в массиве футеровки катода оценивали по показаниям термопар. Динамика изменения температуры в цоколе, измеренной в начальный период эксплуатации, представлена на рис. 3.4 - 3.5.

В 2002 г. смонтирован опытный электролизер № 621 с антидиффузионным барьером в цоколе, в котором для оценки теплового потока в цоколе и эффективности барьера, в массиве катода заложено 10 термопар в соответствие с разработанной схемой. Результаты замеров температуры днища катодного кожуха этого электролизера в начальный период эксплуатации приведены в Приложении А на рис. А.4.

Температура в цоколе катода электролизёра № 539 во время обжига, пуска и послепусковой период. Расположение термопар под слоем СБС-ГЩГ: №5 - на продольной оси, по центру катода; №9 - на продольной оси, ближе к торцу катода. Между рядами пе но диатомита: №4 - на продольной оси, по центру катода; №7- на продольной оси, ближе к торцу катода

Динамика изменения температуры в цоколе катодного кожуха по данным основных термопар представлена на рис. 3.6. Из рис. З.б видно, что максимальная температура в цоколе наблюдается под подовыми блоками. Заметна значительная разница температуры в периферийном шве (термопары №№ 3, 8). После завершения прогрева массива цоколя, температура под шамотом и слоем железа приближается к температуре под подовыми блоками (термопары №№ 5, 9). При приближении к теплоизоляции температура по площади цоколя выравнивается (термопары №№ 4, 7). При эксплуатации электролизера более 700-800 часов термопары деградируют и их показания имеют значительную погрешность. Это обусловлено изменением химического состава поверхностного слоя термопар под действием паров фтористого натрия.

Динамика изменения температуры в цоколе катода электролизёра № 621 в начальный период эксплуатации. Расположение термопар: (1-й ряд) в глиноземной подушке на слое стекла: № 6 - центр катода, на продольной оси электролизера; № 2, 10 - ближе к торцу, на продольной оси электролизера. Под торцевым швом: № 1 - на продольной оси электролизера. Под периферийным швом: № 3 - центр катода; № 8 - ближе к торцу. (2-ой ряд) между листами железа и пенодиатомом: № 5 - центр катода, на продольной оси электролизера; № 9 - ближе к торцу, на продольной оси электролизера. (3-й ряд) между 1 и 2-м рядами пенодиатома: № 4 - центр катода, на продольной оси электролизера; № 7 - ближе к торцу, на продольной оси электролизера

Важное значение для монолитности угольной подины и целостности материалов минеральной части футеровки цоколя имеет равномерность распределения температуры в катоде и по днищу катодного кожуха. Для количественной оценки равномерности распределения температуры по днищу вычислялся коэффициент неравномерности температурного поля Kt по формуле [101]: