Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние технологии обжига углеграфитовых изделий 8
1.1. Технология электродного производства и влияние обжига на качество углеграфитовой продукции 8
1.2. Режимы обжига изделий 9
1.3. Обжиговые печи 11
1.4. Уровень автоматизации процессов обжига электродов 19
Выводы по главе 23
Глава 2. Исследование механизма и кинетики процесса обжига углеграфитовой продукции 25
2.1. Процессы, протекающие при обжиге 25
2.2. Теоретические основы формирования структуры углеграфитовой заготовки в процессе обжига 28
2.3. Влияние скорости подъема температуры на процессы при обжиге 33
2.4. Миграция связующего при обжиге электродов 53
2.4.1. Влияние гравитации на перемещение связующего 53
2.4.2. Влияние скорости нагревания на перемещения связующего 55
2.4.3. Влияние градиента температур 57
2.5. Режимы обжига электродов в многокамерных сводовых печах 61
Выводы по главе 67
Глава 3. Разработка математической модели процесса обжига в многокамерной обжиговой печи 68
3.1. Решение задачи теплообмена между дымовыми газами и муфельным каналом печи 69
3.2. Решение задачи теплопроводности в теле заготовки 75
3.3. Математическое описание процесса удаление продуктов термического разложения органической массы 79
3.4. Моделирование изменения плотности заготовки при обжиге 81
Выводы по главе 82
Глава 4. Разработка системы импульсного сжигания газа 84
4.1. Теоретическое обоснование применения импульсного сжигания газа 84
4.2. Промышленная реализация системы импульсного сжигания газа. 91
4.3. Определение рационального диапазона частоты и длительности импульсов подачи газа 92
Выводы по главе 98
Глава 5. Экспериментальное исследование усовершенствованной технологии обжига в узкокассетной камере обжиговой печи 99
5.1. Разработка методики исследований 99
5.2. Результаты экспериментальных исследований 103
Выводы по главе 109
Глава 6. Разработка системы управления процессом обжига 111
6.1. Разработка алгоритмов управления процессом обжига 111
6.2. Структура технических средств системы управления технологическими процессами обжига 115
Основные выводы 119
Библиографический список 121
Приложения 131
- Уровень автоматизации процессов обжига электродов
- Теоретические основы формирования структуры углеграфитовой заготовки в процессе обжига
- Математическое описание процесса удаление продуктов термического разложения органической массы
- Определение рационального диапазона частоты и длительности импульсов подачи газа
Введение к работе
Применение углеграфитовой продукции в черной и цветной металлургии определяет эффективность пирометаллургических процессов в целом [1,2].
Однако качество применяемых отечественных углеграфитовых материалов не всегда соответствуют возрастающим требованиям, а высокие издержки их изготовления снижают рентабельность электродного производства [3-6].
Одним из важнейших переделов производства углеграфитовой продукции, определяющим качественные и экономические показатели, является обжиг в многокамерных печах закрытого типа [7].
Технология обжига "зеленых" изделий в используемых в отечественной практике камерных кольцевых печах имеет ряд негативных показателей [8], в т.ч.:
высокий выход брака, который объясняется значительным (до 280С) перепадом температуры по высоте загрузки
существенный перерасход природного газа (на 40-50 % от теоретически возможного);
низкий уровень автоматизации процесса обжига.
Это значительно снижает эффективность процесса обжига и приводит к неоправданным затратам энергетических и финансовых ресурсов в производстве углеграфитовой продукции.
За 50-ти летнюю практику эксплуатации и модернизации печей обжига эти недостатки устранить не удалось.
Интенсификация обжига, связанная с увеличением выпуска продукции, уменьшением невозвратных потерь и улучшением качества, возможно только на основе развития научных представлений о ходе процесса, совершенствовании технологии и конструкции технических средств. Развитие научных представлений о процессе, совершенствование технологии обжига углеграфитовых продукции являются актуальными научно-техническими проблемами.
Цель работы.
Повышение эффективности технологии обжига углеграфитовых изделий. Исследование и совершенствование технологии обжига углеграфитовой продукции в многокамерных печах обжига закрытого типа, разработка комплекса технических и технологических мероприятий по модернизации технологии обжига на основе развития научных представлений о процессах, протекающих в кольцевых камерных печах.
Методы исследования.
Обобщение теоретических и практических положений в технологии обжига углеграфитовых заготовок и их критический анализ. Теоретическое исследование физико-химических и тепловых процессов, протекающих в камере обжиговой печи в процессе обжига. Лабораторные и промышленные исследования процесса методами пассивного и активного экспериментов. Статистические методы исследования. SR - метод определения параметра обоженной продукции.
Наиболее существенные научные результаты работы.
На основе экспериментальных и теоретических исследований разработана математическая модель физико-химических и тепловых процессов обжига углеграфитовой продукции.
Разработана методика расчета, позволяющая определять температуру в углеграфитовых заготовках для различных режимов обжига и конструктивных особенностей печей обжига.
Определена зависимость изменения коэффициента теплопередачи от дымовых газов к поверхности греющих простенков при изменении температур газов от 300 до 1300С и расхода дымовых газов от 1000 нм3/ час до 15000 нм3/ час .
Теоретически обоснована возможность создания импульсной системы сжигания топлива для обжиговых кольцевых камерных печей при использовании в качестве топлива природного газа низкого давления.
Разработана структура системы управления процессом обжига с импульсным сжиганием газа.
б Практическая ценность.
Усовершенствованна технология обжига углеграфитовой продукции в многокамерных обжиговых печах закрытого типа.
Предложена схема конструкции узкокассетной камеры с шестью продольными греющими простенками.
Снижен удельный расход природного газа с 0,232 т.у.т. на тонну обоженной продукции до 0,197т.у.т. Экономия топлива составила 15%.
Увеличена производительность печи обжига на 40% по загрузке ее продукцией.
Получен эффект от внедрения результатов работы 10 млн. рублей на одной печи в год.
Снижен уровень брака с 20-30% до 2-3%.
Внедрена система импульсного сжигания топлива и управления 2 обжиговыми 30-ти камерными печами на ОАО «Новочеркасский электродный завод» и ОАО «Новосибирский электродный завод».
Положения, выносимые на защиту.
1 .Математическая модель физико-химических и тепловых процессов обжига углеграфитовой продукции.
2.Мето дика расчета температуры углеграфитовых заготовок для различных режимов обжига и конструктивных особенностей печей обжига.
Конструктивные изменения камер обжиговой печи.
Замена диффузионного сжигания топлива на инжекционное.
Способ импульсного сжигания топлива на частотах от 0,3 до 3,3 Гц и длительностью импульсов от 30 до 270 мс.
Апробация работы.
Положения диссертационной работы доложены автором и обсуждены на 3-ей региональной конференции «Алюминий Урала», г. Краснотурьинск, 1998 г., 3-ем международном семинаре «Новые средства и системы автоматизации в горнообогатительном производстве, металлургии и экологии», г. Москва, 2002 г., на
международной конференции «Информационные технологии и системы: наука и практика», г. Владикавказ, 2002 и 2003 г.
Публикации.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8-ми печатных работах.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из шести глав, списка литературы из 112 наименований, 52 рисунков, 12 таблиц и 3 приложений. Основная часть работы изложена на 110 стр. текста, выполненных с применением печатающих и графических устройств вывода ЭВМ.
Уровень автоматизации процессов обжига электродов
Помимо существенных материальных затрат, неизбежных на стадии внедрения и отладки такой системы, это объясняется существенными техническими трудностями. Так, например, не решена задача управления подачей воздуха и природного газа низкого давления с соблюдением расчетного соотношения газ/воздух для всего диапазона расходной характеристики при диффузионном или диффузионно-кинетическом сжигании топлива.
В разное время в ряде публикаций, например в [49] указывалось на целесообразность применения импульсного сжигания топлива, как альтернативы диффузионно-непрерывному способу.
В [49,50,51] приводится обоснование теоретической возможности создания системы управления импульсным сжиганием топлива для многокамерных печей обжига. В [52,53] дается обоснование к созданию системы оптимального управления процессом обжига углеграфитовых заготовок. В настоящее время на ОАО «Новочеркасский электродный завод» внедрена автоматизированная система управления обжигом электродных заготовок на печи №2 цеха обжига №2. Система разработана НПК «Югцветметавтоматика» и позволяет осуществлять контроль и управление процессом обжига (с импульсным сжиганием газа) в дистанционном режиме. Данная система управления имеет иерархическую двух уровневую структуру организации. В качестве управляющего вычислительного комплекса используется IBM - совместимая промышленная ЭВМ. На нижнем уровне управления применены программируемые контроллеры типа РРГ - 6 в количестве 30 шт. Ввод технологических данных о работе печи осуществляется циклически посредством опроса аналоговых и дискретных датчиков и преобразователей, расположенных на камерах печи. Данная система является первым этапом в решении задачи комплексной автоматизации процесса обжига. При реализации последующих этапов автоматизации необходимо на основании накопленных данных о работе системы управления импульсным сжиганием топлива и теоретических представлений о ходе процесса обжига в целом разработать и внедрить высокоэффективную АСУТП обжига, которая обеспечивала бы следующие режимы работы: - автоматическое ведение процесса обжига (как основной режим); - полуавтоматическое ведение процесса обжига (как полуаварийный режим); - дистанционное ведение процесса обжига (как аварийный режим). Необходимо, чтобы такая АСУТП решала следующий перечень задач: - оптимизация температурных графиков обжига для всего существующего номенклатурного ряда углеграфитовых изделий (с возможностью формирования таких графиков и для новых изделий); - оптимизация работы регуляторов технологических параметров процесса обжига согласно разработанным графикам нагрева заготовок; - оптимизация режимов импульсного сжигания топлива в газовом тракте печи. Наиболее близким аналогом подобной АСУТП является система управления многокамерной обжиговой печью закрытого типа с импульсным сжиганием газа немецкой фирмы RffiDCHAMMER (Германия) - ведущего мирового производителя технологий и оборудования в области обжига углеграфитовых материалов. В УВК данной системы можно накапливать до 10-ти различных графиков обжига и выборочно их применять. Соответствующие параметры передаются на микропроцессорные регуляторы, на которых инициализируются выбранные про граммы управления обжигом. Эти параметры сохраняются в регуляторах, даже если связь с УВК верхнего уровня будет прервана. При нарушении установленных допусков на технологические параметры включается оптическая и акустическая сигнализация. Позиции отдельных огней представлены на мнемосхеме. Через систему непосредственного цифрового управления (SPS) система считывает данные о продвижение огней. Регулирующие, проектные и действующие показатели процесса обжига и отдельных камер выводятся на экраны мониторов. Такие параметры, как: расход и давление газа в магистрали, тяговые показатели печи, температуры, могут регистрироваться и записываться на 30-ти канальном пишущем устройстве. Автоматическая система управления фирмы RIEDGAMMER в своем составе имеет: одну центральную ЭВМ, цветное печатающее устройство для графиков, внешний накопитель архивных данных, два пишущих регистрирующих устройства, восемь локальных регуляторов, пульт управления, комплект коммутирующей аппаратуры, термопреобразователи, измерительные трансформаторы, корректоры пунктов сравнения, регулирующие вентили, приводные механизмы. Данная система управления обладает рядом недостатков, главными из которых являются возможность работы системы сжигания топлива только на высоком давлении природного газа (2 атм.), низкое значение коэффициента цена / качество (цена базового комплекта составляет $500000), отсутствует режим автоматического ведения процесса обжига заготовок. Последнее объясняется отсутствием в данной системе управления алгоритмов оптимизации технологических параметров и режимов обжига, специфичных для обжига углеграфитовых заготовок. В организационной структуре данной системы управления решение этих задач возлагается на технологический персонал, что не соответствует концепции комплексной автоматизации передела обжига. Таким образом, в настоящее время существует острая необходимость разработки и внедрения АСУТП обжига, реализующей алгоритмы оптимального управления процессом в режиме автоматического ведения обжига. Выводы по главе Обжиг "зеленых" заготовок в многокамерных печах закрытого типа имеет ряд существенных недостатков: из-за значительного перепада температуры по высоте загрузки (до 200-250С) и неоптимальных режимов обжига доля брака достигает 30-50 %; расход природного газа на 40-50 % выше теоретически возможного; крайне ограничена возможность регулирования количества теплоносителя, вводимого в печь; качество обожженной продукции не стабильно; процесс обжига не автоматизирован. Геометрия камер и кассет на существующих печах создают условия неравномерного и неэффективного обжига изделий. За 50-ти летнюю отечественную практику эксплуатации и модернизации многокамерных печей для обжига углеграфитовой продукции эти недостатки устранить не удалось. Отмеченные недостатки оказывают существенное влияние на технологию обжига, свойства обожженных изделий, экономическую эффективность процесса. В связи с этим необходимо провести исследования механизма и кинетики процессов, происходящих при обжиге с целью определения путей его совершенствования и повышения экономической эффективности.
Теоретические основы формирования структуры углеграфитовой заготовки в процессе обжига
В начальной стадии обжига завершаются процессы смачивания и пропитки, которые не нашли полного развития в ходе смешения массы и виброуплотнения «зеленых» заготовок. Однако каппилярные явления не являются единственными в ходе уплотнения заготовки. При повышении температуры нагрева связующее подвергается усиленной дистилляции с выделением ароматических смол и непредельных углеводородов. Явление переноса углерода через парогазовую фазу может влиять не только на заполнение тонких и ультратонких пор, но и действовать применительно к частицам, масса которых равна нулю, т.е. к вакансиям в кристаллической решетке углерода. Этот процесс носит определение как «залечивание» труднодоступной поры, расположенной в кристаллическом теле, и математически описывается как испарение капли пустоты из кристалла. Процесс «залечивания» поры всегда сопровождается понижением энергии, обусловленной естественным движением системы к состоянию термодинамического равновесия. Если капиллярные явления завершаются при температуре 400С, т. е. до момента коксования вещества матрицы, то массоперенос через парогазовую фазу продолжается и при более высоких температурах [16].
На ранней стадии обжига наблюдается припекание вещества матрицы к поверхности частиц наполнителя, образование контактных мостиков, которые соединяют зерна кокса, не находящиеся в непосредственном контакте. Тем самым образуется каркас будущего изделия и система приобретает устойчивую жесткость. Имеют место два существенно различных механизма образования и развития контактного взаимодействия наполнителя и кокса из связующего.
Для первого характерно взаимное сращивание путем механического заклинивания зерен наполнителя коксом из связующего. При таком механизме спекания отдельные компоненты системы сохраняют структурную индивидуальность, т.е. граница между ними сохраняется. Последующее уплотнение межзернового граничного слоя происходит в результате массопереноса в парогазовой фазе и отложения пиролитического углерода между зернами.
При втором имеет место химическое взаимодействие связующего с поверхностью кокса с образованием устойчивых химических связей и элементов общей кристаллической решетки. В значительной мере развитие такого взаимодействия будет зависеть от предыстории композиционной системы, т.е. свойств исходного сырья для получения коксов и пеков, степени термообработки кокса, рецептуры, условий смешения и виброуплотнения системы. В любом случае уменьшение свободной энергии композиции будет определяться сращиванием кристаллической структуры кокса матрицы и наполнителя. Факт химической прививки на поверхности коксовых частиц доказан на практике электронно-микроскопическими исследованиями [71].
Первичное взаимодействие наполнителя и связующего на стадии смешения и виброуплотнения заготовки основано на ван-дер-ваальсовой природе связей пек-поверхность коксового порошка. Энергия такого взаимодействия равняется всего 4,2 кДж/моль и представляет собой физическое прилипание пека к поверхности зерен наполнителя.
Высокотемпературное спекание пекококсовой композиции инициирует длинный ряд реакций сшивания на границе матрица - наполнитель, причем с повышением температуры инициируются химические реакции все более высокого порядка. Так, энергия ковалентных водородных связей составляет 20-40 кДж/моль, а углерод - углеродных связей в реакции сшивания 314-834 кДж/моль.
Источником химической активности в связующем и наполнителе является так называемые активные химические радикалы с высоким энергетическим уровнем, а также ненасыщенные химические связи. К последним относятся соединения с кратными связями, например, с двойной или тройной ковалентной связью между атомами углерода. Соответствующие структуры, имеющие одинарные связи химически более инертны [19].
Квантометрическое рассмотрение процесса спекания приводит к выводу, что каждая дополнительная углерод - углеродная связь, образующаяся между наполнителем и матрицей, ведет к дальнейшей стабилизации системы, а, следовательно, наиболее устойчивы такие электронные структуры, в которых все свободные орбитали атомов либо использованы для образования связей, либо заполнены неподеленными парами электронов.
Основным носителем активных радикалов и ненасыщенных химических связей в начальный период спекания являются функциональные группы, которые образуются с участием кислорода, азота, серы и других. Функциональные группы представлены [72] карбоксильными, фенольными, карбонильными, перекисными и другими соединениями.
Сводные радикалы представляют собой неспаренные электроны атомов углерода, кислорода, а также серы и азота. Присутствие ненасыщенных групп благоприятствует формированию химических связей между поверхностью частиц кокса и связующим.
С ростом температуры нагрева роль водородных связей неизменно снижается. Однако их образование в начальных стадиях взаимодействия способствует определенной направленности последующих реакций формирования структуры углерода. При дальнейшем росте температуры возрастает число ковалентных связей, которые можно рассматривать как взаимодействие совокупности электронов в поле нескольких ядер. Указанные связи создаются ступенчато, по мере повышения температуры. Их характер определяется предшествующей им структурой связей более низкой ступени. На практике процедура обжига выглядит как непрерывная цепь преобразований различных видов связей: от поверхностных ван - дер - ваальсовских связей до водородных и, далее, ковалентных связей химического характера. Их структурная перестройка завершается при максимальной температуре обжига, т.е. при 1050-1100С образованием сплошной структурной решетки углерода.
Структурные превращения при спекании заготовки происходят не только на границе матрица-наполнитель, но и в объеме пленки связующего. Интенсивные превращения в каменноугольном пеке с выделением летучих веществ начинаются при температуре порядка 300С, что соответствует началу процессов молекулярной перестройки, сопровождающейся удалением продуктов разложения. При термическом разложении ароматических углеводородов в осколках молекул появляются ненасыщенные силы притяжения, которые при сближении обуславливают образование новых, более тяжелых молекул и ускоряют процесс дальнейшей молекулярной ассоциации. Последующее увеличение температуры приводит к активации более высокого энергетического уровня и к образованию еще более тяжелых макромолекул.
Математическое описание процесса удаление продуктов термического разложения органической массы
Первое заключение, которое можно сделать из этих графиков, состоит в том, что в третьей зоне влияния скорости нагревания не отмечается. В то же время быстрый нагрев в первой зоне вновь дает существенный прирост объема и линейных размеров. Влияние темпа нагрева на деформацию во второй зоне не столь характерно и, скорее продолжает тенденцию изменений в первой зоне.
Приведенные исследования проводились на образцах малых размеров, поэтому их результаты не могут быть механически экстраполированы на углеграфи-товые изделия промышленных размеров, обжигаемых в производственных условиях. Когда обжигается большая заготовка, несколько температурных зон обжига могут совмещаться в одном блоке. Появляются промежуточные зоны, где различный механизм расширения или усадки может инициировать своеобразные области дислокаций. Летучие из связующего, направляющегося из центра блока к периферии, будут проходить сквозь уже спеченную область, где они могут либо задержаться, либо выйти к поверхности в зависимости от наличия открытых пор и температурного градиента.
Другими словами, если размягченная «зеленая» масса будет находиться в центре заготовки (зона до 300С) и будет окружена жесткой поверхностной оболочкой из полукокса, то закономерности дилатометрического поведения «зеленой» части блока будут существенно отличатся от поведения в аналогичных температурных условиях небольших образцов. Возможности для расширения объема крайне невелики, а усадка будет зависеть от многих условий, в том числе от темпа нагрева. В любом случае медленный нагрев позволит избежать роста напряжений в спекаемой заготовке.
Аналогичным образом, если в центре углеграфитовой заготовки находится зона 300 - 600С (стадия интенсивной дистилляции пека), то низкий темп нагрева предотвратит быстрое образование и ускоренную эвакуацию продуктов дистилляции. Это будет способствовать повышению объемной плотности обожженного изделия и предотвратит образование опасных напряжений.
Близкие результаты получены [75] на образцах диаметром 50 мм и высотой 60 мм на дилатометре URT - 2 при скорости подъема температуры от 0,1 до 3С/мин. Установлено, что до 150С не наблюдается заметного линейного изменения образцов в широком диапазоне значений темпа нагрева, а при температуре 150С начинается скачкообразный рост линейного расширения с пиком при 350С. В последующем, до 550С линейные размеры образцов меняются несущественно и далее, вплоть до окончания обжига, происходит медленная усадка образцов.
Анализ дериватографических исследований позволяет сделать вывод, что с точки зрения предотвращения деформации заготовок, темп нагрева в наиболее опасной области температур 120 - 350С должен быть предельно снижен. Это относится, прежде всего, к 1 и 2 камерам предварительного нагрева промышленной многокамерной печи обжига.
Обобщая данные исследований газовыделения при обжиге, а также дерива-тографические и дилатометрические результаты исследований, можно прийти к следующим выводам. Наиболее ответственными стадиями обжига являются режим первоначального расширения образца, зона интенсивной дистилляции пека и последующей стадии перехода полукокса в кокс с ответствующими температурными интервалами, как указано выше. Поэтому суммарный температурный интервал 120 - 600С требует наиболее ответственного подхода к выбору режима нагрева обжигаемых изделий.
Следует также учесть, что прогрев «зеленых» заготовок в процессе обжига идет от поверхности к центру, поэтому формирование пористой структуры на поверхности происходит значительно раньше и быстрее, чем внутри. Под действием капиллярных сил жидкий пек из внутренних слоев выдавливается к поверхности и заполняет поры, что приводит к дополнительной пропитке верхних слоев блока. Плотность поверхностных структур в результате этого возрастает, соответственно образуется разница в величине усадки внутренних и внешних слоев. Внутренняя часть заготовки из-за большей потери массы имеет более высокую усадку, чем наружные слои, что может являться одной из причин растрескивания анодных блоков при обжиге. Замедленный темп нагрева обжигаемых изделий существенно смягчает эту тенденцию.
Наложение различных температур в пределах одной обжигаемой заготовки может вызвать и другие разнонаправленные явления расширения-усадки, образующие локальные напряжения в структуре блока, образование трещин, деформаций и т.д. Поэтому все, что ведет к смягчению этих явлений, может быть использовано для совершенствования режима обжига. Прежде всего, это разработка и поддержание оптимального температурного графика обжига с замедленным темпом нагрева в пределах камер предварительного нагрева. Во-вторых, создание восстановительной атмосферы в загруженных кассетах с исключением подсосов воздуха на наиболее ответственных участках обжига.
Режим обжига должен строиться также исходя из физико-химических показателей качества обожженных изделий. В начале этого раздела показана зависимость объемной плотности обожженных углеграфитовых заготовок от темпа нагрева [77]: при увеличении темпа нагрева с 5 до 120С/ч плотность относительно равномерно снижается с 1,49 до 1,37 г/см3. Соответственно пористость заготовки возрастает на 6% (абс). Эта закономерность объясняется объемным первоначальным расширением «зеленой» углеграфитовой заготовки и последующей потерей углерода при интенсивной дистилляции пека при высоких темпах нагревания печи. Другие свойства обожженных изделий (особенно анодов), крайне важные по экономическим соображениям: удельное электрическое сопротивление, устойчивость к окислению в атмосфере С02 и воздуха и др. являются значимыми критериями для оценки оптимальных режимов обжига: как темпа нагрева обжигаемого материала, так и абсолютного максимума температуры, достигаемого в печи. С этой точки зрения интересные результаты исследований представлены в работе [78]. Работа выполнена сотрудниками R&D Carbon Ltd (Швейцария) на промышленной многокамерной печи с установкой дополнительных средств контроля температуры в простенках и в подовом пространстве.
Определение рационального диапазона частоты и длительности импульсов подачи газа
УЭС цилиндрических образцов зависит от многих факторов, в том числе от количества внутренних трещин или пустот, вызванных внутренними напряжениями, условиями охлаждения и другими случайными факторами. Степень графитации по Lc также определяется многими факторами, включая тип материала, из которого изготовлен анод, степень графитации возвратных огарков, степень графитации пека и кокса к также могут существенно различаться. В условиях ограниченного количества образцов индикатор по Lc аналогичным образом оказывается менее точным.
Сравнивая индикатор SR с основными характеристиками анода (устойчивость против окисления в атмосфере С02 и воздуха, воздушной проницаемости, теплопроводностью и др.), авторы пришли к выводу, что лучшие результаты при электролизе достигаются на уровне значения SR 0,035-0,036 Ом-см. Сравнивая эти выводы с результатами, полученными на промышленных электролизерах (рис. 2.18) по удельному расходу углерода на 1т алюминия, авторы приходят к заключению, что максимальная температура обжига 1050 - 1090С является наиболее приемлемой для промышленного анода. Оптимальные значения конечной температуры обжига может варьироваться в зависимости от типа исходного сырья, свойств «зеленых» заготовок, а также от конструктивных особенностей печных агрегатов.
Анализ проведенных дериватографических исследований позволил сделать следующие выводы: 1. В интервале 20 - 120С не наблюдается каких - либо значительных изменений массы образцов. 2. В интервале 120 - 350С имеет место слабый экзотермический эффект, объясняемый, скорее всего, завершением смачивания и пропитки зерен наполнителя пеком. Удельная потеря массы составляет 0.8 - 1.0 мг/мин в атмосфере воздуха и 1.5 - 2.7 мг/мин в инертной атмосфере. При этом наблюдается постепенное увеличение газовыделения с ростом температуры. 3. Дальнейшее нагревание образца до 600 С показывает, что природа процесса в окислительной среде и в инертном газе существенно различаются. Экзотермический эффект значительно выше при нагреве от 350 до 600С в атмосфере воздуха, чем в аргона, а потери массы составляют соответственно 2.3 - 2.5 и 0.6 - 1.0 мг/мин. Это означает, что в указанном температурном интервале образование и рост анизотропной мезофазы, происходящей в результате полимеризации и поликонденсации, значительно ускоряется под влиянием окислительной среды. 4. Переход полукокса твердой фазы в кокс происходит в окислительной среде со значительным экзотермическим эффектом при температуре 5 - 600С с максимальным пиком в области 720С. В нейтральной среде тот же самый переход происходит при более высокой температуре (600 - 650С) с меньшим экзотермическим эффектом и максимальным пиком при 800 - 850С. В температурном интервале 600 - 850С потеря веса возрастает в воздухе до 8.2 - 8.5 и до 6.2 мг/мин в аргоне. Общие потери массы связующего при нагреве до 980 - 1000С в сумме составляют 40.8 - 41.0% в воздухе и 24.8 - 27.0 в атмосфере аргона. Обобщая данные исследований газовыделения при обжиге, а также дерива-тографические и дилатометрические результаты исследований, можно прийти к следующим выводам: наиболее ответственными стадиями обжига являются режим первоначального расширения заготовки, зона интенсивной дистилляции пека и последующей стадии перехода полукокса в кокс с ответствующими температурными интервалами. Поэтому суммарный температурный интервал 120 - 600С требует наиболее ответственного подхода к выбору режима нагрева обжигаемых изделий. Темп подъема температуры в интервале 800 - 1100С как и темп охлаждения обожженных заготовок не лимитируется так строго, как зона предварительного нагрева. Тем не менее превышение этого показателя более 20С/ч также недопустимо, так как слишком интенсивный нагрев или охлаждение могут вызвать опасные локальные температурные напряжения в теле заготовки и привести к их растрескиванию. Результаты исследований, представленные в этом разделе, а также многочисленные наблюдения за работой промышленных многокамерных печей, позволяют сформировать представления о температурном графике обжига углеграфи-товых заготовок в технически обоснованном режиме. Несомненно, формирования реального графика обжига необходимо проводить с привязкой к конкретным условиям работы и конструкции печей. Экспериментальные данные показывают, что углеграфитовые заготовки, прошедшие обжиг, обладают существенной неоднородностью. Пробы, отобранные в различных участках электрода, отличаются по абсолютным величинам физико-механических свойств: например, по прочности на сжатие - на 25-30 %, а по удельному электрическому сопротивлению - до 40 %. Объемная масса одного и того же электрода находится в пределах 1.54 - 1.62 г/см . Такая неоднородность свойств объясняется миграцией связующего в процессе обжига. Неравномерность свойств электрода приводит к увеличению расхода энергии на электросталеплавильных печах и алюминиевых электролизерах на обожженных анодах. Поэтому проблема миграции связующего при обжиге электродов имеет важнейшее значение в организации технологических процессов электродного производства. Рассмотрим факторы, влияющие на миграцию связующего в теле заготовок при обжиге.
