Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор предшествующих исследований и постановка задачи 9
1.1. Современное состояние и тенденции развития производства подовых блоков для алюминиевых электролизеров 9
1.2. Сырьевые материалы в производстве подовых блоков 14
1.2.1. Антрацит 15
1.2.2. Искусственный графит 22
1.2.3. Каменноугольный пек 25
1.3. Технология производства подовых блоков 27
1.4. Свойства подовых блоков и их влияние на эксплуатационную стойкость 32
1.5. Постановка задачи работы 46
1.6. Объекты и методы исследований 48
2. Разработка методики выполнения измерений микропрочности углеродных материалов 60
2.1. Теоретические основы экспериментального исследования микропрочности углеродных материалов 60
2.2. Разработка методики выполнения измерений микропрочности углеродных материалов 63
2.3. Проведение экспериментальных исследований микропрочности материалов высокотемпературной обработки при производстве подовых блоков 66
3. Разработка компонентного состава перспективных типов подовых блоков для алюминиевых электролизеров 74
3.1. Исследование углеграфитовых материалов на основе графитов различной природы 75
3.2. Исследование вязкопластических свойств пекоуглеродных композиций и их спекаемости при использовании фюзинитовых антрацитов Горловского бассейна с различной степенью их высокотемпературной обработки и искусственного графита 78
3.3. Исследование зависимости физико-механических свойств подовых блоков от содержания в рецептуре материалов высокотемпературной обработки 84
3.4. Исследования возможности вовлечения в производство углеграфитовых блоков для алюминиевых электролизеров возвратов производства графитированных электродов 88
Выводы 91
4. Разработка и изготовление перспективных типов подовых блоков для алюминиевых электролизеров повышенной мощности 93
Выводы 101
Заключение 102
Литература 105
Приложения 117
- Сырьевые материалы в производстве подовых блоков
- Разработка методики выполнения измерений микропрочности углеродных материалов
- Исследование вязкопластических свойств пекоуглеродных композиций и их спекаемости при использовании фюзинитовых антрацитов Горловского бассейна с различной степенью их высокотемпературной обработки и искусственного графита
- Исследования возможности вовлечения в производство углеграфитовых блоков для алюминиевых электролизеров возвратов производства графитированных электродов
Введение к работе
Новые тенденции в технологии производства алюминия, характеризующиеся интенсификацией технологических параметров как для существующих и модернизируемых, так и для вновь проектируемых алюминиевых электролизеров, ведут к соответствующему повышению требований к эксплуатационным характеристикам подовых блоков.
Разработка и освоение производства перспективных марок подовых блоков, способных выдерживать повышенные токовые нагрузки при их эксплуатации в агрессивных средах алюминиевых электролизеров, является актуальной проблемой современного электродного производства.
Основным направлением повышения качества угольной продукции как в отечественной, так и зарубежной практике, является повышение содержания в их рецептуре доли материалов с высокотемпературной обработкой - электрокальцинированного антрацита и искусственного графита.
На отечественных электродных заводах в качестве наполнителей используются высококачественные фюзинитовые антрациты Горловского бассейна с различной степенью высокотемпературной обработки в сочетании с искусственным графитом.
Разработка технологии и оптимизация технологических параметров производства и потребления блоков с повышенным содержанием графита продолжает оставаться объектом активных исследований производителей и потребителей как ближнего, так и дальнего зарубежья.
Эти же проблемы находят свое решение и на отечественных электродных заводах. Отечественные производители подовых блоков решают задачу повышения конкурентоспособности российских катодных блоков с учетом современных тенденций развития процесса электролиза на алюминиевых заводах, осваивая производство перспективных типов блоков с соответствующим решением технических и технологических проблем.
Вместе с тем и отечественные, и зарубежные исследователи отмечают, что при использовании материалов высокотемпературной обработки возникают производственные проблемы, связанные с получением бездефектной макро- и микроструктуры блоков.
Целью работы является научное обоснование, разработка и освоение технологии промышленного производства перспективных типов подовых блоков для алюминиевых электролизеров новых поколений.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1.Комплексное исследование основных закономерностей
формирования физико-механических свойств материала подовых блоков при
использовании термоантрацитов с различной степенью
высокотемпературной обработки в смеси с искусственным графитом.
2.Разработка методики выполнения измерений микропрочности сырьевых углеродных материалов (зерновых фракций термоантрацита и графита) посредством их динамического разрушения.
3. Исследование микропрочности зерновых фракций термоантрацита с
различной степенью высокотемпературной обработки и искусственного
графита, Выявление взаимосвязи их микропрочности с физико-
механическими свойствами материала подовых блоков.
4.Исследование особенностей свойств искусственных графитов на основе углеродных материалов различной природы.
5.Исследование вязкопластических свойств и спекаемости
пекоуглеродных композиций на основе термоантрацитов с различной степенью их высокотемпературной обработки в смеси с искусственным графитом.
б.Исследование зависимости физико-механических свойств подовых блоков от содержания в их рецептуре углеродных материалов с высокой температурой обработки.
1.Исследование зависимости термостойкости подовых блоков от содержания в рецептуре материалов высокотемпературной обработки.
8.Исследования возможности вовлечения в производство
углеграфитовых блоков для алюминиевых электролизеров возвратов материалов, образующихся при изготовлении графитированных электродов.
9.Вы пуск опытных партий перспективных типов подовых блоков на основе антрацитов с различной степенью высокотемпературной обработки в смеси с искусственным графитом. Сравнительный анализ регламентируемых физико-механических свойств и термостойкости опытных партий перспективных типов подовых блоков с зарубежными аналогами.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом по новой технике ЗАО «Новосибирский электродный завод» и в рамках научно-исследовательской работы ««Исследование физико-химических свойств антрацитов с использованием новых методов исследований», номер государственной регистрации 0120.05033155.
Научная новизна.
Установлены закономерности формирования структуры и свойств углеграфитовых подовых блоков различных типов, предназначенных для эксплуатации в алюминиевых электролизерах с высокой токовой нагрузкой и изготовленных с применением фюзинитовых антрацитов различной степени термообработки.
Разработана методика измерений микропрочности частиц наполнителей, применяемых для производства крупнозернистых углеродных материалов, в том числе и подовых блоков. Методика включена в отраслевую систему обеспечения единства измерений путем разработки, утверждения и регистрации в ТК 109 «Электродная продукция» технических условий ТУ 1909-109-078-2005 «Материалы углеродные. Метод определения микропрочности».
Исследования микропрочности наполнителей, термообработанных в различных промышленных агрегатах, показали, что при динамическом разрушении зерен исследованных углеродных материалов величины микропрочности для них различны. Наименьшую прочность имеют зерна
электрокальцинированного термоантрацита, наибольшую - зерна
искусственного графита и антрацита из печей графитации.
Показано, что целесообразно определять прочность углеродных материалов в зерновых фракциях на первой и второй стадиях разрушения, в целях оценки прочности зерен с нереализованной трещиноватостью и прочности межпоровых стенок.
Установлено, что микропрочность, определенная при динамических нагрузках, не имеет ярко выраженных связей со свойствами, определенными при статическом нагружении образцов, что позволяет сделать вывод о наличии иных закономерностей разрушения при динамических нагрузках, в том числе и при термическом ударе.
Впервые показано, что материал на основе графитированного антрацита не равнозначен материалу с использованием искусственного графита на основе коксов по показателям предела прочности на разрыв и термостойкости. Установлено, что эти различия обусловлены разной способностью удерживать прослойку каменноугольного пека силами адсорбционного взаимодействия.
Практическая значимость.
На основании выполненных исследований и промышленных
экспериментов разработана и освоена технология промышленного
производства перспективных типов подовых блоков для эксплуатируемых модернизируемых и вновь создаваемых алюминиевых электролизеров.
Промышленные образцы перспективных марок подовых блоков Н-1, Н-2 и Н-3 прошли аттестацию в независимой сертификационной лаборатории «R&D Carbon Ltd» (Швейцария). Результаты аттестации подтвердили возможность применения новых типов подовых блоков для указанных конструкций электролизеров, исходя из уровня свойств блоков и мирового опыта их применения.
Начаты серийные поставки разработанных типов подовых блоков на отечественные и зарубежные алюминиевые заводы.
За период 2004г. - 1 квартал 2005г, отгружено около 6000 тонн указанных подовых блоков.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 2-ой международной конференции «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология», МГУ, Москва, 2003г.; научно-техническом совете ОАО «Углеродпром», Москва, 2003г.; научно-техническом совете ЗАО «Новосибирский электродный завод», Г.Новосибирск, 2005 г.; на международной конференции огнеупорщиков и металлургов, Москва, 2004 г. и г. Братск, 2004 г.; отраслевых научно-практических конференциях в г. Челябинске, 2002 г. и г. Новочеркасске, 2004г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 статей, 3 тезисов докладов, получено 2 патента Российской Федерации.
Объем работы.
Диссертация изложена на 122 страницах, содержит 8 таблиц, 23 рисунка, библиографический список из 112 наименований и 4 приложения.
Сырьевые материалы в производстве подовых блоков
Современное производство подовых блоков - сложный многопередельный процесс. Специфика физико-химических процессов производства заключается в использовании в качестве сырьевых материалов сложных по своєму составу и трудно поддающихся исследованиям антрацитов, как правило, различных разрезов, искусственного графита, также на основе различных коксов, и каменноугольных пеков.
У широкого круга углеродных материалов в основе лежит двумерная плоская углеродная сетка. В процессе термической обработки идут процессы трехмерного упорядочения кристаллитов (графитация), и чем выше температура, тем совершеннее структура графита,
Антрациты представляют собой уголь наиболее высокой степени метаморфизма с двумерноупорядоченной структурой. Антрациты различных месторождений имеют существенные различия как по степени метаморфизма, так и по петрографическому составу. В настоящее время отечественные электродные заводы используют антрациты Горловского бассейна Западной Сибири, которые относятся к фюзинитовым антрацитам и представляют уникальный сырьевой материал. Особенности петрографического состава придают этим антрацитам особые свойства - повышенная термостойкость и прочность. Фюзинитовые антрациты не обладают способностью вспучиваться и расслаиваться при высоких температурах. Эти антрациты характеризуются, в основном, низкой минерализацией (до 3 %). Состав минеральных примесей представлен дисперсно-рассеянными песчано-глинистыми образованиями, гидрослюдой, окислами железа. Примеси присутствуют как вкрапления породы, или заполняют трещины. Антрациты обладают свойствами молекулярных сит, т.е. содержат в основном поры молекулярных размеров. Открытая пористость в них ничтожно мала [33-34].
В целях усреднения, стабилизации и улучшения его свойств на электродных заводах антрацит подвергается обязательной технологической операции - прокалке. Различают два вида прокаливания (кальцинации) антрацита - газовый и электрический. Наиболее распространена в отечественной практике газовая кальцинация антрацита во вращающихся трубчатых пе чах при температуре 1250-1350 С. В зарубежной практике наибольшее распространение получила прокалка антрацита в электрокальцинаторах при температуре 1600-1800 С [33]. Кроме того, в работах [28,29,35] показана перспективность технологии получения термоантрацита в печах графитации при температуре порядка 2750 С в центре керна.
При термической обработке антрацита в области высоких температур протекают сложные молекулярно-структурные превращения, что обуславливает изменение всех свойств антрацита. В начальной стадии термообработки интенсивно происходит термическая деструкция веществ антрацитов с отщеплением радикалов боковых групп. В области высоких температур главную роль играют процессы конденсации и структурного уплотнения материала.
Известно, что решающим фактором, определяющим все структурные преобразования в антрацитах, как и в других углеродных сырьевых материалах, является конечная температура обработки, предопределяющая степень структурной упорядоченности материала. Основным показателем структурной перестройки антрацита в промышленной практике является удельное электросопротивление (УЭС). Наиболее интенсивное снижение УЭС (на 3 порядка) наблюдается в интервале 640-900 С.
Дальнейший подъем температуры характеризуется плавным снижением УЭС. Процессы, связанные с карбонизацией и предкристаллизационной стадией, заканчиваются при температурах порядка 1800С. При температурах свыше 2000 С идут процессы трехмерного упорядочения - графитации антрацита, проявляющиеся в дальнейшем снижении УЭС антрацита [33-34].
Исследования антрацитов трех месторождений Горловского бассейна (Горловского, Колывановского и Ургунского), поступающих на Новосибирский электродный завод, показали, что характер изменения исследованного параметра кристаллической структуры антрацитов (d002) для них близок, что делает возможным проведение их термообработки в смеси. Исследования структуры и свойств термоантрацитов, полученных в промышленных агрега тах различного типа показали, что газокальцинированныи антрацит имеет УЭС порядка 1000 мкОм.м, электрокальцинированный - 650 мкОм.м, суммарная проба термообработанного антрацита в печи графитации - 510 мкОм.м [35].
УЭС термоантрацита оказывает существенную роль на УЭС продукции на его основе. Для подовых блоков снижение УЭС наполнителя как показатель степени совершенства структуры и приближения ее к структуре графита означает и повышение стойкости блоков к воздействию криолит-глиноземного расплава.
Не менее важную роль имеет механическая прочность антрацита и термоантрацита. Механическая прочность антрацитов играет роль при их транспортировке и при прокалке. Механическая прочность термоантрацита предопределяет прочность изделий на его основе.
Известно, что механическая прочность фюзинитовых антрацитов повышается при термической обработке до температур порядка 1600 С, при более высоких температурах их механическая прочность снижается [34]. В отечественной практике преимущественно используются газокальциниро-ванные антрациты, температура прокалки которых не превышает 1300-1350 С. Исследования прочности термоантрацитов, прокаленных при температурах свыше 1350 С, для промышленной практики были неактуальны, и в исследованиях последних 20 лет практически отсутствуют.
Кроме того, антрациты структурно неоднородны, обладают трещино-ватостью, содержат минеральные включения, что затрудняет количественную оценку их механических свойств [34].
В связи с развитием высокотемпературной прокалки антрацитов до температур порядка 2500 С вопросы прочности таких термоантрацитов представляют научный и практический интерес.
Известные методы определения механической прочности антрацитов (как и коксов), разрабатывались специалистами отраслей, поставляющих сырье электродным заводам, что нашло отражение в методах определения
Разработка методики выполнения измерений микропрочности углеродных материалов
Сравнительная характеристика методов определения механическойпрочности антрацитов и коксов по величине работы поверхностного дис пергирования на единицу площади вновь образуемой поверхности (набазе копрового метода Сыскова КМ.) приведена в таблице 2.1.
Как видно из представленных данных, испытуемая фракция известных методов не обеспечивает использование рабочих фракций сырьевых материалов электродной продукции в целом, и подовых блоков в частности.
Верхний предел размера испытуемой фракций в случае подовых блоков целесообразно ограничить 10 мм.
Как показали исследования по подбору испытуемой фракции, испытания узких фракций (-10+8), (-8+6), (-6+4), (-4+2) и (-2+1) мм, каждая фракция по-своему информативна. Кроме того, исходя из того, что в рецептуре присутствует, как правило, несколько зерновых фракций, целесообразно в методике не ограничивается размер испытуемых фракций. В зависимости от поставленных задач может быть исследована любая фракция с размером зерен более 1 мм. Это позволит достаточно полно охарактеризовать микропрочность различных зерновых фракций в рецептуре подовых блоков.% Соответственно требуется и корректировка навески для испытания.
Как показали исследования по определению веса I зерна углеродн материала размером (-Ю+8) мм, в среднем вес одного зерна составляет 0,8 г.
Исходя из этого, принята навеска для выполнения измерений микропрочности углеродных материалов 0,8 г.
Как показали исследования по рассеву раздробленной пробы, для крупных зерен рассев раздробленной пробы на нескольких ситах только осложняет методику и существенной дополнительной информации в рамках поставленных задач не несет.
В этом плане более привлекательными является определение механической прочности по методу испытания в барабанах в части оценки прочности по выходу определенного класса [34, 36-38].
Поэтому, в разрабатываемой методике предусмотрено использование элементов копрового метода в сочетании с рассевом раздробленной пробы с использованием одного сита с размером ячеек 1 мм.
Сущность метода заключается в динамическом разрушении зерновых фракций углеродных материалов, определении работы, затраченной при этом на образование единицы новой поверхности и расчета показателей физико-механических свойств зерен, условно характеризующих их микропрочность, обозначаемые индексами:Пі - прочность зерен, % (выход класса + 1 мм);П - микропрочность зерен, Дж/см .
Методика включена в отраслевую систему обеспечения единства измерений путем разработки, утверждения и регистрации в ТК 109 «Электродная продукция» технических условия ТУ 1909-109-078-2005 «Материалы углеродные. Метод определения микропрочности».
Методика является модифицированным вариантом метода определения прочности кусковых материалов с использованием прибора копрового типа Сыскова К.И.
Изменение параметров методики в части изменения размеров испытуемых зерен и навески потребовало и конструктивных изменений прибора копрового типа. Для осуществления метода определения микропрочности по ТУ 1909-109-078-2005 институтом ОАО «Уралэлектродин» разработан прибор копрового типа МП-01, который в рамках данной работы не рассматривается.
Исследовали прочностные характеристики материалов высокотемпературной обработки, используемых в рецептуре подовых блоков. Процесс разрушения зерен материала характеризовали методом последовательного приложения к материалу разрушающих усилий.
В связи с тем, что используемые в производстве фракции наполнителя содержат, как правило, широкий спектр зерен по размерам, исследовали прочностные характеристики узких фракций материалов: (-10+8), (-8+6), (-6+4), (-4+2) и (-2+1) мм. Как показали выполненные исследования, определенные различия по прочности наблюдались для крайних фракций в исследованном ряду - (-10+8) и (-2+1) мм, остальные фракции по динамике разрушения занимали промежуточное между ними положение, поэтому на обсуждение выносятся результаты по этим двум фракциям.
Как видно из представленных результатов, показатель прочности (остаток на сите I мм) для исследованных углеродных материалов при динамическом разрушении значительно отличается. Наименьшую прочность имеют зерна термоантрацита ЭК А, наибольшую - графита и термоантрацита АПГ. Если для термоантрацита ЭКА снижение прочности относительно термоантрацита ГКА вполне прогнозируемо [34], то для графита и термоантрацита АПГ увеличение прочности зерен достаточно неожиданно, так как механическая прочность графита из электродного кокса, в частности на сжатие, в среднем в два раза ниже, чем углеграфитовых материалов, и при увеличении в рецептуре содержания графита прочность на сжатие снижается [100]. Наблюдаемое увеличение показателя прочности графита и термоантрацита АПГ в данном случае может быть свидетельством роли характера механических нагрузок на разрушаемость материала - статическое нагружение или динамическое разрушение.
Известно, что характер разрушения материалов при динамическом ударном нагружении принципиально отличается от разрушения при медленном статическом нагружении. При ударных испытаниях образец разрушается в хрупком состоянии, что характеризует способность материала выдерживать ударные или другие динамические напряжения при эксплуатации [107].
Исследование вязкопластических свойств пекоуглеродных композиций и их спекаемости при использовании фюзинитовых антрацитов Горловского бассейна с различной степенью их высокотемпературной обработки и искусственного графита
Отклонение содержания связующего в композиции от оптимального в ту или иную сторону («сухая» или «жирная» масса) в равной степени неблагоприятно для получения качественных заготовок и приводит к увеличению вероятности образования макро- и микродефектов. Так, в случае «жирных» масс вследствие повышенного выделения летучих веществ из избыточного пека в массе может возникнуть повышенная пористость. Заготовки из «жирных» масс склонны к деформации. «Сухие» массы чреваты возможностью образования «непромесов». Кроме того, для прессования «сухой» массы необходимо увеличение силовой мощности прессового оборудования. В итоге не исключены случаи появления «рыхлостей» (осыпающихся или выкрашивающихся частей поверхности) и «пустот» (отверстий, полученных от выпадания зерен или от скопления воздуха в отдельных местах блока) - по терминологии действующих ТУ 1913-109-021-2003 «Блоки подовые для алюминиевых электролизеров».
Эти вопросы относятся к числу наиболее сложных в теории и практике электродного производства в целом и смесильного передела в частности. Расчетные методы определения содержания связующего в композиции «пек-наполнитель» достаточно условны, и в условиях использования в рецептуре широкого спектра «узких» фракций не оправдали себя. Отсутствуют контрольные параметры пластичности и вязкости массы в технологии смесильного передела. Использование в рецептуре новых материалов происходит без учета происходящих при этом вязкопластическнх свойств масс. Практически отсутствуют исследования, посвященные оптимизации технологических параметров, реализуемых на смесильном переделе.
В зарубежных открытых публикациях отсутствует информация по этим вопросам, хотя на внешнем рынке фирмой EIRICH и другими активно рекламируются новые типы смесильного оборудования [108].
Кроме того, вязкопластические свойства масс влияют на выбор смесильного оборудования, имеющего соответствующую силовую мощность [99].
В рецептуре подовых блоков используются фюзинитовые антрациты Горловского бассейна с различной степенью высокотемпературной обработки и искусственный графит, которые значительно отличаются по показателю адсорбционной способности к каменноугольному пеку, и изменение их соотношения для новых марок блоков изменит традиционный баланс в системе «связующее-наполнитель».
Было проведено 4 серии опытов по определению вязкопластических свойств пекоуглеродных композиций на основе фюзинитовых антрацитов Горловского бассейна, которые имели различную степень термообработки (ПСА, ЭКА, АПГ), а также искусственного графита. Указанное сопровождалось изменением содержания связующего в массе. Количество задаваемого пека подбиралось эмпирически: по внешнему виду массы -минимальное содержание соответствовало «сухой» массе, с наличием в ней зерен наполнителя без обволакивания их пеком; максимальное содержание пека соответствовало консистенции массы с явным избытком пека — зерна наполнителя «плавали» в связующем.
Процесс смешивания записывался в виде диаграммы изменения крутящего момента на валу двигателя при постоянной скорости вращения лопастей смесильной камеры. Массу перемешивали до постоянного значения крутящего момента, что свидетельствует о достижении ее однородности.
Результаты исследований вязкопластических свойств масс на основе различных наполнителей приведены на рисунках 3.2-3.3.
Как видно из приведенных данных, для графита диапазон содержания пека от сухой до жирной массы смещен в сторону повышенного содержания пека по сравнению с термоантрацитом. Повышенное содержание пека для масс с графитом связано с повышенной адсорбционной способностью графита.
Известно, что оптимальному содержанию связующего соответствуют максимальная адгезионная прочность пековой прослойки [109]. Из исследованных материалов только для масс на основе газокальцинированного антрацита вязкопластические свойства имеют классический вид с максимумом для оптимального значения (рис.3.2 и 3.3), характерного для нефтяных коксов и термоантрацита, а также графита в тонком помоле [108, 51]. Для остальных материалов увеличение содержания пека в исследованном диапазоне не привело к снижению вязкости и увеличению пластичности массы.1 Известно, что антрацит, в силу специфики формы его зерен и свойств, мало подвижен даже в случае, когда все зерна полностью обволакиваются связующим. Как видно из представленных данных, чем выше степень термообработки антрацита, тем выше сопротивление этой композиции смешиванию, т.е. массы более жесткие и прочные.
Поведение массы на основе графита существенно отличается от масс на основе термоантрацитов с различной степенью прокалки.
Среди углеродных материалов, используемых в производстве подовых блоков, графит имеет адсорбционную способность в 1,5-2 раза превышающую адсорбционную способность термоантрацитов. Значительное сопротивление перемешиванию массы на основе графита позволяет говорить
Исследования возможности вовлечения в производство углеграфитовых блоков для алюминиевых электролизеров возвратов производства графитированных электродов
Электродные заводы, в соответствии с современными тенденциями в работах по совершенствованию эксплуатационных характеристик, используют в производстве углеграфитовых подовых блоков искусственный графит в постоянно нарастающих объемах.
С целью проведения исследований по вовлечению возвратовпроизводства графитированных электродов при изготовленииуглеграфитовых блоков в качестве возвратов использовалась графитированная керновая пересыпка, содержащая антрацит, обработанный лигносульфонатом.
Керновая пересыпка печей графитации составляют около 20 % объема керна и являются значительным резервом углеродных материалов высокотемпературной обработки как потенциальным компонентов шихты в производстве катодных блоков.
Известно, что печи, предназначенные для графитации электродов, относятся к электрическим печам сопротивления. При загрузке графитировочной печи электродными заготовками пространство между ними заполняют керновой пересыпкой фракции (-25+5) мм. Керновая пересыпка составляет основное сопротивление печи (98-99%).
К числу углеродных материалов, применяемых в качестве керновой пересыпки при графитации электродов, относится металлургический кокс, в меньших объемах используется, и антрацитовая керновая пересыпка на основе антрацита, обработанного раствором лигносульфоната, который относится к числу гидролизных отходов производства целлюлозно-бумажной продукции. Использование такого антрацита обеспечивает увеличение скорости ввода электрической энергии в печь [102].
Исследования возможности использования при производстве блоков для алюминиевых электролизеров термообработанного материала керновой пересыпки, содержащей антрацит, обработанный лигносульфонатом марки Б, показали, что при термической обработке в области температур выше 2000С лигносульфонат переходит на поверхности антрацита в твердый углерод.
Характер изменения удельного электросопротивления (УЭС) проб антрацита, обработанных водными растворами различной концентрации лигносульфоната, по сравнению с необработанным антрацитом, выгруженных из печей графитации, приведен в таблице 3.2.
Из полученных данных следует, что углеродная пленка на поверхности зерен антрацита из лигносульфоната обладает повышенным удельным электросопротивлением, тогда как сами зерна антрацита имеют пониженное электросопротивление.
Такое сочетание свойств, применительно к катодным материалам, обеспечивает высокую стойкость блоков к воздействию криолит-глиноземного расплава, за счет низкого значения УЭС зерен антрацита, и высокое удельное электросопротивление, за счет переходного электросопротивления углеродной пленки. Так как, электросопротивление и теплопроводность взаимосвязаны, то и изменение теплопроводности происходит в сторону ее снижения.
Конструктивные особенности алюминиевых электролизеров диктуют различные требования к катодным блокам. Если для подовых блоков требуется высокая стойкость к воздействию криолит-глиноземного расплава и низкое УЭС, то для боковых блоков, изготавливаемых, как правило, по аналогичной технологии, требования могут существенно отличаться - наряду с высокой стойкостью к воздействию криолит-глиноземного расплава необходима регулируемая теплопроводность.
Лабораторные исследования образцов боковых блоков, изготовленных на основе графитированной керновой пересыпки, содержащей антрацит, обработанный 25 % раствором лигносульфоната, показали, что величина относительного удлинения в криолит-глиноземного расплаве для них составляет 0,6 %, теплопроводность составляет 4 Вт/м.град. Для рядовых блоков при показателе относительного удлинения в криолит-глиноземного расплаве 0,6 % теплопроводность составила 15 Вт/м.град, т.е. более чем в 3 раза больше. Низкая теплопроводность боковых блоков обеспечивает формирование защитного гарнисажа при эксплуатации. Удельное электросопротивление для боковых блоков не нормируется.
Представляет практический интерес и исследование возможности использования углеродной шихты печей графитации, состоящей из теплоизоляционной шихты фракции (-13+0) мм и керновой пересыпки фракции (-25+5) мм.
Такая комбинированная пересыпка рекомендуется для пакетировки графитировочных печей длинномерными углеродными заготовками, расположенными параллельно оси печи. Особенности пакетировки керна при графитации длинномерных заготовок обеспечивает равномерный прогрев и однородность свойств в объеме керна [103]. 1.Выполнены исследования особенностей формирования свойств искусственных графитов из угле графитовых материалов различной природы.
Показано, что материал на основе графитированного антрацита не равнозначен материалу на основе искусственного графита по показателям предела прочности на разрыв и термостойкости. Установлено, что различия обусловлены различиями в их адсорбционной способности, характеризующей способность поверхности наполнителя удерживать прослойку каменноугольного пека силами адсорбционного взаимодействия.
Рекомендовано в целях реализации технологии производства перспективных типов подовых блоков для алюминиевых электролизеров использовать искусственный графит, на основе нефтяных коксов.2. Проведены исследования вязкопластических свойств масс на основезерновых фракций термоантрацитов, полученных в различныхпромышленных агрегатах, и искусственного графита.
Показано, что массы на основе графита требуют повышенного содержания каменноугольного пека.3.Показано, что увеличение энергии смешивания и повышенная адсорбционная способность графита способствуют повышению прочности его спекания с пеком и повышает предел прочности на разрыв обожженных материалов.4.Выполнены исследования зависимости физико-механических свойств подовых блоков от содержания в рецептуре материалов высокотемпературной обработки. Показано, что уровень многих физико-механических свойств подовых блоков определяется соотношением в рецептуре компонентов «термоантрацит - графит» и подчиняется правилу аддитивности, при прочих равных условиях их получения.6. На основании выполненных исследований показана возможность применения графитированной керновой
