Введение к работе
Актуальность работы. Алюминий - лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия. Широкое применение алюминия в качестве конструкционного материала обуславливает необходимость постоянно наращивать его производство. По оценке аналитиков, ежегодный прирост потребления алюминия в мире до 2016 года будет увеличиваться в среднем на 3,8 %, что составляет примерно 1 200 тыс. тонн алюминия от объемов существующего производства. Важной задачей производителей алюминия является снижение себестоимости, что может быть достигнуто за счет уменьшения расходов электроэнергии и конструкционных материалов. Удельный расход электроэнергаи, и, как следствие, напряжение на электролизере, обусловлены материальным балансом и конструкцией электролизера. Следовательно, все действия, направленные на снижение напряжения, должны сопровождаться изменением конструкции либо изменением технологических параметров электролиза. Напряжение на электролизере зависит от многих параметров, в том числе и от качества контакта в узлах электролизера, а расход материалов определяется сроком службы электролизера. Продолжительность работы электролизера зависит от срока службы катодного узла, который включает в себя стальные стержни (блюмсы). В процессе электролитического получеїшя алюминия путем электролиза из криолит-глиноземных расплавов происходит растворение блюмсов, что приводит к преждевременному выходу катодного блока из строя, а соответственно, к загрязнению алюминия-сырца железом. Повышенное содержание железа в первичном алюминии приводит к снижению сортности, что снижает эффективность производства алюминия. Традиционным способом защиты является изготовление оборудования из легированных хромом и никелем сталей или нанесение защитных покрытий на основе карбида кремния, титана и т.д. Однако изготовление блюмсов из нержавеющей стали значительно повышает его стоимость, а применение защитных покрытий из хрома повышает электрическое сопротивление блюмсов, что приводит к повышению расхода электроэнергии.
Для предохранения блюмсов целесообразен отход от традиционных методов защиты. В качестве перспективного направления весьма актуально рассмотреть нанесение на блюмс композиционных хромовых покрытий с включениями мелкодисперсного углерода, что позволит повысить электропроводность и снизить падение напряжения в катоде электролизера.
Цель работы. Снижение энергозатрат при электролитическом производстве алюминия за счет применения хромуглеродсодержащих покрытий блюмсов.
Для реализации этих целей были поставлены и решались следующие задачи:
изучение влияния различных факторов на падение напряжения в катодном узле;
анализ влияния растворения материала блюмсов на технико-экономические показатели промышленного производства алюминия;
исследование скорости растворения металлов и хромсодержащих сплавов в расплавленном алюминии;
разработка методики снижения падения напряжения в контакте «блок -блюмс» па основе хромуглеродных покрытий;
определение стойкости защитного слоя к воздействию расплавленного алюминия;
изучение падения напряжения в контакте «угольный блок - блюмс с хромуглеродным слоем».
Методы исследования. В работе для решения поставленных задач использовались гравиметрические и электрохимические методы определения стойкости материалов в технологических средах производства алюминия, статистическая обработка результатов измерений с применением пакета прикладных программ «Microsoft Excel», микроскопический анализ для изучения структуры получаемых хромовых покрытий. Эксперименты с расплавленным алюминием проводились в лабораторных условиях. Производились измерения температур теплоотдающих поверхностей блюмсов инфракрасным пирометром «TermaCAME45».
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается привлечением установленных ГОСТом методик при современном метрологическом обеспечении лаборатории ИрГТУ и воспроизводимостью результатов параллельных опытов.
Научная новизна работы заключается в том, что на основе выполненных исследований и анализов впервые:
изучена скорость растворения блюмсов в расплавленном алюминии в интервале температур 700-900 С;
установлено, что в диапазоне температур 700-800 С процесс растворения блюмсов контролируется законами диффузии, а с повышением температуры - кинетическими закономерностями;
установлено влияние добавки мелкодисперсного углерода в хромсодер-жащее покрытие блюмсов на увеличение электропроводности контакта «блок - блюмс», приводящее к снижению удельного расхода электроэнергии;
предложена классификация раннего обнаружения процессов разрушения подины с помощью хром-индикатора.
Практическая значимость. Предложена методика увеличения электропроводности контакта «угольный блок - блюмс» и защиты блюмсов от растворения в расплавленном алюминии при разрушении подины с помощью применения хромуглеродсодержащего слоя. Данная методика позволяет снизить скорость растворения блюмсов в расплавленном алюминии в 2 раза, что повышает сортность получаемого алюминия и увеличивает срок службы элек-
тролизера, а также уменьшить падение напряжения в контакте «угольный блок - блюмс» в 2,5 раза. Предложен способ раннего обнаружения разрушения подины с помощью хром-индикатора. Ожидаемый экономический эффект от использования результатов работы на Братском аліомішиевом заводе составит более 36 млн долл. в год.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-практических конференциях «Перспективы развития технологии, экологии и автоматизащш химических, пищевых и металлурпгческих производств» (Иркутск, 2006-2008); 2-ой Всероссийской школе-семинаре ученых, с международным участием, посвященной 75-летию со дій рождения члена корреспондента РАН СБ. Леонова «Обогащение руд» (Иркутск, 2006); VI-ой Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов алюминиевой промышленности ОАО «СибВа-ми» (Иркутск, 2008).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 12 работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК.
Объём її структура работы. Диссертационная работа содержит 144 страницы машинописного текста, 62 рисунка и 41 таблиц}'. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 131 наименования.
