Введение к работе
Актуальность проблемы. Современные требования к электродной продукции предусматривают применение углеродистого сырья с различной степенью его термообработки, что определяется технологическими параметрами и конечной температурой процесса его нагрева. Так, даже в составе одного электролизера применяют аноды с углеродным наполнителем, прокаленным при температуре 1000С, и катодные блоки с наполнителями, термообработанными при температурах 1300 и 1700-2200С. Всё большее применение получают катодные блоки с наполнителем, графитированным при температуре 2500-2800С.
Основным сырьем, используемым Новосибирским электродном заводом (НовЭЗ) для производства угольных электродов, катодных блоков электролизеров, товарных масс, служит антрацит Горловского, Колыванского и Ургунского разрезов Горловского бассейна. Антрацит этих разрезов существенно отличается по своим свойствам от хорошо изученного Донецкого антрацита, традиционно используемого в электродной промышленности. Недостаточно изучены особенности петрографического состава этих антрацитова также влияние термической обработки, на изменение их структуры и свойств. Все эти сведения особенно важны с учетом того, что антрациты трех разрезов используются на заводе в смеси с нерегулируемым, как правило, соотношением.
Поступающий на завод антрацит термообрабатывается при температуре 1300С во вращающихся трубчатых печах, или при температуре 1800С - в электрокальцинаторе.
Вращающиеся трубчатые печи имеют высокую производительность. Однако, такие печи характеризуются большими потерями прокаливаемого сырья. Это обусловлено реализованной в них схемой прямого нагрева прокаливаемого сырья теплом, образующимся за счет сжигания газового топлива непосредственно в зоне прокалки. Указанное приводит к частичному сгоранию обрабатываемого сырья, преимущественно мелких фракций. Суммарные потери материала, с учетом уноса, превышают 20%.
В электрическом кальцинаторе достигаются температуры обработки в среднем до 1800С, что существенно снижает электросопротивление материала. Однако по сечению электрокальцинатора градиент температуры может достигать 500С и более, что отражается на равномерности свойств получаемого термоантрацита. Дальнейшее повышение температуры обработки антрацита в электрокальцинаторе связано с техническими трудностями.
Известно, что при графитации электродной продукции керновая и теплоизоляционная углеродная пересыпка прогревается до высоких температур. Так, при температуре графитации электродов 2800С, пересыпка прогревается от ~1000С около стенок печи до 2800С в зоне керна. Исходя из этого, представилось целесообразным использовать тепло, образующееся
ІУЧЄ
в печах графитации при графитации углеродных аагатовак для, получения
РйС НАЦИОНАЛЬНА* f
З ММИОТ1КА
термообработанного углеродного материала с последующим использованием его в качестве наполнителя для некоторых видов углеграфитовой продукции.
Целью работы являлась разработка технологии термической обработки антрацита в печах графитации за счет использования тепла, выделяющегося при графитации углеродной продукции и опробование термоантрацита в качестве сырья для изготовления электродной массы и углеграфитового материала для изготовления подовых и боковых блоков алюминиевых электролизеров.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Выполнение комплексного исследования структуры и свойств
антрацитов Горловского, Колыванского и Ургунского разрезов Горловского
бассейна. Определение их химического, петрографического состава и
структурных характеристик. Установление закономерностей изменения
структуры и свойств данных антрацитов при их термической обработке.
2. Проведение опытно-промышленных кампаний графитации
электродов с применением в качестве пересылочных материалов антрацита и
термоантрацита в целях их дополнительной термообработки. Установление
распределения температур в печи и определения свойств получаемого
термоантрацита по объему печи графитации.
-
Определение структуры и свойств полученного в печи графитации термоантрацита и сопоставление их со структурой и свойствами газокальцинированного и электрокальцинированного термоантрацитов.
-
Разработка и освоение технологии получения термоантрацита в печах графитации за счет использования тепла, выделяющегося при графитации углеродной продукции; внедрение ее на ЗАО «НовЭЗ».
-
Выпуск опытных партий электродной массы и подовых и боковых блоков алюминиевых электролизеров на основе термоантрацита, полученного в печах графитации. Сопоставление их свойств со свойствами серийно производимых изделий.
Научная новизна.
Определены структурные характеристики, химический и петрографический составы антрацитов Колыванского, Горловского и Ургунского разрезов, поступающих на Новосибирский электродный завод. Показано, что эти антрациты относятся к ряду фюзинитовых и отличаются между собой содержанием в них петрографических компонентов.
Впервые экспериментально установлены закономерности изменения структуры и свойств фюзинитового антрацита в зависимости от температуры и времени термической обработки (кинетический режим). Выделены две характерные температурные области изменения структуры и свойств. До 1600С - медленное изменение структурных параметров и электросопротивления материала и выше 1600С - резкое изменение структурных параметров, электросопротивления и микротвердости.
В результате исследования процесса термообработки антрацитов Горловского бассейна показаны характерные особенности для этих углей: замедленный процесс графитации и замедленное изменение показателя надмолекулярной перестройки - показателя текстуры. Это свидетельствует о высокой стабильности надмолекулярной структуры фюзинитовых антрацитов, которая определяет ряд их свойств - повышенную термостойкость и твердость. Показано также, что используемые в технологиях «НовЭЗа» антрациты Горловского бассейна при термической обработке изменяют структуру по близким зависимостям, что научно обосновывает возможность их переработки и использования в смеси.
Экспериментально установлены уровень и отличия в свойствах материала при высокотемпературной обработке в объеме печи графитации. Максимальной температуры нагрева материал достигает в области керна печи. По мере удаления от керна печи в сторону ее стенок, температура снижается, о чём свидетельствуют измерения температуры пересыпки в различных ее точках и значения удельного электрического сопротивления материала из различных зон печи.
Определены структура и свойства термоантрацитов, полученных во вращающихся печах, в электрокальцинаторе и в печах графитации. Показано, что степень термообработки термоантрацитов в рассмотренных промышленных агрегатах различна. Наименьшая из них относится к вращающимся трубчатым печам, промежуточное место занимает электрокальцинатор. Суммарная проба термообработанного материала в печи графитации имеет наименьшую величину УЭС. Рентгеноструктурные характеристики подтверждают различия свойств изученных материалов, полученных в различных агрегатах.
Установлены закономерности изменения свойств термоантрацита АПГ в зависимости от крупности его частиц.
Практическая значимость.
Предложена и разработана промышленная технология получения в печах графитации наполнителя углеродных материалов за счет использования тепла, выделяющегося в процессе графитации электродной продукции. Разработанная технология внедрена на ЗАО «Новосибирский электродный завод».
Получен углеродный материал с характеристиками: р = 510 мкОм-м и D„=l,84r/CM . Указанное подтверждено на промышленных кампаниях графитации с получением материала с указанными свойствами (более десяти кампаний).
С начала 2004 года электродная масса на основе материала АПГ поставляется на ООО «Братский ферросплавный завод», где успешно используется в качестве самообжигающихся анодов при получении ферросплавов.
Выпуск промышленных партий электродной массы и опытно-промышленных партий материала для подовых и боковых блоков показал,
что углеродный материал высокотемпературной обработки (АПГ) является перспективным сырьем для производства углеграфитовой продукции. Его использование позволяет снизить содержание графита в шихте или заменить ЭКА без ухудшения свойств углеродной продукции.
Положения, выносимые на защиту.
Обоснование и выбор технологии получения термоантрацита за счет его высокотемпературной обработки в печах графитации с последующим его применением в качестве сырья для производства углеграфитовой продукции.
Установленные закономерности изменения структуры и свойств антрацитов Горловского бассейна при их термообработке.
Технология получения материала при высокотемпературной обработке антрацита в печах графитации.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы
докладывались и обсуждались на VII международной конференции
«Алюминий Сибири 2001» (г.Красноярск, 2001 г.), VIII международной
конференции «Алюминий Сибири 2002» (г. Красноярск, 2002 г.), I
международной конференции «Углерод: фундаментальные проблемы науки,
материаловедения, технологии», (г. Москва, 2002 г.), II международной
конференции «Углерод: фундаментальные проблемы науки,
материаловедения, технологии», (г. Москва, 2003 г.), ГХ международной конференции «Алюминий Сибири 2003» (г. Красноярск, 2003 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных статей и тезисов к докладам, получено положительное решение по заявке на патент РФ.
Объем работы.
Диссертация изложена на 130 страницах, содержит 35 таблиц, 32 рисунка, библиографический список из 100 наименований и 5 приложений.
