ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА КАТОДНОЙ ПОДИНЫ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА
Введение
Актуальность темы. Углеродные материалы являются одними из основных материалов для производства алюминия. Увеличение срока службы катодной подины способствует к повышению срока эксплуатации промышленного электролизера.
В данный момент срок службы катодной подины составляет около 2000 суток. Увеличение этого показателя позволяет сократить расходы на изготовления углеродных материалов и в результате этого получить дополнительный экономический эффект.
Объектом исследования является углеродная катодная подина для промышленных электролизеров GAMI-320 и NEUI-320 и углеродные аноды для производства электролитического алюминия.
Предмет исследования. Предметом исследования магистерской диссертации является состав и технология подготовки углеродных материалов, тепло-, физико-химические и электрические процессы при проведении процесса электролиза, технологические параметры эксплуатации катодной подины электролизера.
Цель исследования. Повышение устойчивости углеродных материалов к агрессивному воздействию криолито-глионземного расплава и разработка рекомендаций по составу и технологии подготовки углеродных материалов для повышения срока службы катодной подины электролизера.
Задачи исследования:
1) изучить состав и технологию подготовки углеродных материалов;
2) изучить тепло-, физико-химические и электрические процессы, протекающие при проведении электролиза;
3) исследование и поиск оптимального состава углеродных материалов;
4) разработка мер по повышению срока службы катодной подины электролизера.
Научная новизна. Анализ физико-химических показателей промышленных образцов подовых блоков на основе антрацита показал, что с увеличением содержания графита в шихте технические характеристики блоков изменяется в противоположном направлении – повышается истинная плотность, пористость, теплопроводность, и в то же время снижается удельное электросопротивление и относительное удлинение.
Установлено, что переход на катодную подину с содержанием графита 70 % является более выгодным как с технической стороны, так и с экономической точки зрения, при условии повышения силы тока на производстве.
Практическая значимость работы. Разработаны рекомендации по повышению устойчивости углеродных материалов к агрессивной среде в условиях высоких температур, которые позволяют повысить срок службы углеродных материалов.
Нормативные ссылки
3
Определения, обозначения и сокращения
4
Введение
5
1
Литературный обзор
6
1.1
Причины уменьшения срока службы углеродных материалов. Воздействие агрессивной среды криолито-глиноземных расплавов на срок службы углеродных материалов
6
1.2
Требование к материалам катодного блока
9
1.3
Технология производства углеродных материалов
11
1.4
Выводы по 1 главе
12
2
Методика исследования по определению глубины проникновения электролита и образования трещин в зависимости от содержания графита
13
2.1
Сырье для производства образцов катодного блока
13
2.2
Анализ процесса изготовления образцов катодных блоков
13
2.3
Ожидаемые результаты
16
3
Исследование разрушения катодных блоков в зависимости от содержания графита в них
17
3.1
Механизм разрушения катодной подины
17
3.2
Исследование зависимости физико-механических свойств подовых блоков от содержания графита
18
3.3
Влияние криолито-глиноземного расплава на углеродные материалы с различным содержанием графита
21
3.4
Экономическое обоснование применения катодных блоков с повышенным содержанием графита
27
3.5
Выводы по разделу
31
4
Исследование проблемы по утилизации отработаной катодной подины
33
4.1
Обзор методов переработки катодной подины
33
4.2
Хранение, извлечение или повторное использование катодной подины
33
4.3
Общие тезисы по переработке ОП
37
4.4
Выводы по главе
38
5
Разработка мер по повышению срока службы углеродных материалов
39
Заключение
40
Список использованных источников
41
Список использованнах источников
1 Храменко С. А. Влияние проницаемости углеродных подовых материалов на срок службы алюминиевых электролизеров : дис. канд. тех. наук.
С. А. Храменко. – Красноярск, 2009. – 147 с.
2 Фещенко, Р. Ю. Анализ причин разрушения современных подовых устройств алюминиевых электролизеров / Р. Ю. Фещенко, О.О. Ерохина // Инновация в науке: сб.ст. по матер. LXVI междунар. науч. прак. конф. – 2016. – № 12 (61). – С. 66–73.
3 Архипов, А. Г. Влияние конструктивных и технологических параметров на целостность подины алюминиевых электролизеров при обжиге / А. Г. Архипов, О.О. Ерохина // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2010. – № 3. – С. 29–35.
4 Коллинз, Ю. Р. Течения жидкостей через пористые материалы / Ю. Р. Коллинз. – М. : Мир, 1964. – 350 с.
5 Саитов, А. В. Проблемы эксплуатации футеровки из графитированных катодных блоков в современных алюминиевых электролизерах / А. В. Саитов, В. Ю. Бажин, Р. Ю. Фещенко // Новые огнеупоры. – 2017. – № 3. – С. 88–91.
6 Welch, B. J. Future materials requirements for the high-energy-intensity production of aluminium / B. J. Welch, M. M. Hyland, B. J. James // JOM. – 2001. – V. 53. – P. 13–18.
7 Rafiei, P. Electrolytic Degradation within Cathode Materials / P. Rafiei, F. Hitmann, B. Welch // Light Metals. – 2001. – P. 747–752.
8 Hitmann, F. Influence of internal structure on behavior during electrolys. Part II : porosity and wear mechanisms in graphitized cathode material / F. Hitmann, P. Patel, M. Hyland // Light Metals. – 2005. – С. 757–762.
9 Патент РФ 02443623. Способ получения графитированного материала с повышенной абразивной стойкостью. Опубл. 27.02.2012.
10 Селезнев А. Н. Углеродистое сырье для электродной промышленности. / А. Н. Селезнев. – М. : Профиздат, 2000. – 256 с.
11 Study on Graphitization of Cathode Carbon Blocks for Aluminum Electrolysis / G. Feng [et al.] // Light Metals. – 2012. – P. 1355–1361.
12 Coke selection criteria for abrasion resistant graphitized cathodes / R. Perruchoud [et al.] // Light Metals. – 2011. – С. 1067–1072.
13 Sorlie, M. Cathodes in aluminium electrolysis / M. Sorlie, H. Oye. – Dusseldorf : Aluminium-Verlag,second edition, 1994. – 127 p.
14 Toda, S. Improvement of Abrasion Resistance of Graphitized Cathode Block for Aluminum Reduction Cells / S. Toda, T. Wakasa // Light Metals. – 2003. – P. 647–653.
15 Welch, B. J. Materials problem in Hall-Heroult cells / B. J. Welch, A. E. May // Leichmettaltag. – 1987. – P. 120–125.
16 Aluminium Pechiney experience with graphitized cathode blocks / D. Lombard [et al.] // Light Metals. – 1998. – P. 653–658.
17 Reny, P. Graphite Cathode Wear Study at Alouette / P. Reny, S. Wilkening // Light Metals. – 2000. – P. 399–404.
18 Dreyfus, J. M. Cathode producer’s proposals for the improvement of the erosion resistance of graphitized cathodes / J. M. Dreyfus, S. Lacroix // Light Metals. – 1999. – P. 199–207.
19 Oye, H. A. Cathode Performance: The Influence of Design, Operations, and Operating Conditions / H. A. Oye, B. J. Welch // JOM 50. – 1998. – V. 2. – P. 8–23
20 Erosion of Cathode Blocks in 180 kA Prebake Cells / A. T. Tabereaux [et. al.] // Light Metals. – 1999. – P. 187–198.
21 Sato, Y. Erosion measurements of high density cathode block samples through laboratory electrolysis with rotation / Y. Sato, P. Patel, P. Lavoie // Light Metals. – 2000. – . P. 817–822.
22 Patent WO2003056067. Method for the production of cathode blocks. Publ. 11. 11. – 2004.
23 Студопедия [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://studopedia.ru/15_23780_futerovka-katodnogo-kozhuha.html.
24 Бабкин М. Ю. Исследование формирования термопрочностных свойств катодных блоков и их взаимосвязь с параметрами ультразвукового контроля: дис. ... канд. тех. наук / М. Ю. Бабкин. – Челябинск, 2000. – 136 с.
25 АлкоРус Инжиниринг: Статьи [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.alcorus.ru/articles/18.ru.html.
26 Студопедия [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://studopedia.org/11-31922.html.
27 Чанг, Х. Материалы, используемые в производстве алюминия методом Эру-Холла / Х. Чанг, В. Де Нора, Дж. А. Секхар. – Красноярск : Красноярский государственный университет, 1998. – 469 с.
28 Горох О. П. Углеродные футеровочные материалы для алюминиевых электролизеров за рубежом. – Челябинск : Обзорная информация ГосНИИЭП, 1986. – 157 с.
29 Эволюция состава футеровочных материалов в течение эксплуатации алюминиевого электролизера / Г. В. Архипов [и др.] // Цветные металлы. – 2005. – № 3. – С. 46–50
30 Архипов В. Г. Анализ факторов, влияющих на нарушение сплошности подины: дис. канд. тех. наук. В. Г. Архипов. – Красноярск, 2013. – 214 с.
31 Михайлюк, Г. М. Ультразвуковой контроль графитированных электродов / Г. М. Михайлюк, Н. В. Негуторов // Цветные металлы. – 1997. – № 3. – С. 44–46.
32 McGeer J. P. Developments in Electrometallurgy / J. P. McGeer // JOM. – 1985. – V. 37. – P. 63–67.
33 The impact of the cavity on the top heat losses in aluminum electrolysis cells / F. Allard [et. al.] // Light Metals. – 2015. – P. 289–294
34 Brondyke K. J. The Aluminum Industry in 1982 And Outlook for the 80s / K. J. Brondyke // JOM. – 1983. – V. 35. – P. 63–67
35 Blayden L. C. Spent Potlining Symposium / L. C. Blayden, S. G. Epstein // JOM. – 1984. – № 36. – P. 22–32.
36 Боранбаев А. Ж., Суюндиков М. М. Анализ причин уменьшения срока службы катодной подины алюминиевых электролизеров / А. Ж. Боранбаев,
М. М. Суюндиков // XI TORAIǴYROV OQÝLARY. Pavlodar. – 2019. – № 1. –
С. 33–39
37 Боранбаев А. Ж. Изменение химического состава и свойств углеродных конструкции электролизеров при воздействии криолито-глиноземного расплава / А. Ж. Боранбаев М. М. Суюндиков // Современная наука: Проблемы и перспективы. НИЦ «Мир Науки». Душанбе. – 2020. – С. 20–26
38 Сорлье М. Катоды в алюминиевом электролизе / М. Сорлье, Х. А. Ойя. – Красноярск : Красноярский государственный университет, 1997. – 459 с.
39 Гогоци Г. А. Расчет критериев термостойкости с учетом особенностей деформируемости огнеупоров./ Г. А. Гогоци // Огнеупоры. – 1977. – № 5. – С. 45–50.
40 Бабкин М. Ю. Совершенствование подхода к оценке качественных показателей подовых блоков В России / М. Ю. Бабкин, Н. В. Негуторов, Г. М. Михайлюк // Международный научный семинар «Алюминий Сибири-97» : Сб. докладов. Красноярск. – 1998. – 315 с.
