'
Научный журнал «Вестник науки»

Режим работы с 09:00 по 23:00

zhurnal@vestnik-nauki.com

Информационное письмо

  1. Главная
    2. ›
  2. Архив
    3. ›
  3. Вестник науки №6 (63) том 4
    4. ›
  4. Научная статья № 125

Просмотры  88 просмотров

Староверов Р.Г., Храменко С.А.

  


ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРАФИТА В СОСТАВЕ АНОДОВ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ *

  


Аннотация:
предложен способ снижения перепада напряжения в аноде в процессе электролиза, путем использования графитовой добавки для формирования вторичного анода самообжигающихся анодов и в обожжённые аноды. Приведены результаты экспериментального исследования, выявлены энергоэффективные и экологические преимущества   

Ключевые слова:
производство алюминия, самообжигающиеся аноды, подштырьевая анодная масса (ПАМ), использование графита в ПАМ, использование графита в составе обожженных анодов   


УДК 669

Староверов Р.Г.

студент кафедры металлургии цветных металлов

Сибирский федеральный университет

(г. Красноярск, Россия)

 

Научный руководитель:

Храменко С.А.

канд. техн. наук, доцент кафедры металлургии цветных металлов

Сибирский федеральный университет

(г. Красноярск, Россия)

 

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРАФИТА

В СОСТАВЕ АНОДОВ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ

 

Аннотация: предложен способ снижения перепада напряжения в аноде в процессе электролиза, путем использования графитовой добавки для формирования вторичного анода самообжигающихся анодов и в обожжённые аноды. Приведены результаты экспериментального исследования, выявлены энергоэффективные и экологические преимущества.

 

Ключевые слова: производство алюминия, самообжигающиеся аноды, подштырьевая анодная масса (ПАМ), использование графита в ПАМ, использование графита в составе обожженных анодов.

 

Производство алюминия по технологии Эру-Холла заключается в электролизе оксида алюминия (Al2O3), растворенного в электролите. Процесс электролиза проходит в электролизерах, которые можно разделить по типу анода на обожженные и Содерберга (самообжигающиеся). В качестве катода выступает жидкий металл. Аноды, которые производятся из нефтяного кокса и каменноугольного пека, расходуются непрерывно в ходе всего процесса электролиза.

Основной задачей применения ПАМ в технологии сухого анода Содерберга является обеспечение качественного электрического контакта «штырь – анод». Однако, снижение напряжения на контактном сопротивлении «штырь – анод» по-прежнему является существенной составляющей падения напряжения в аноде (>80мВ) и определяется удельным электросопротивлением (УЭС) ПАМ. Высокое содержание каменноугольного пека в ПАМ (40%) не позволяет снизить УЭС ПАМ (90-100 мкОм·м) до уровня основной анодной массы (65-70 мкОм·м).

 На сегодняшний день в производстве алюминия продолжает использоваться технология «сухого» анода, которая предполагает производство и использование двух видов анодной массы:

-   основной анодной массы (АМ), способной создавать на поверхности анода запирающий слой, который создает непроницаемость верха анода и позволяет лучше улавливать летучие вещества, содержащиеся в каменноугольном пеке. При этом технология «сухого» анода предполагает содержание пека - связующего в основной анодной массе в минимально возможном количестве, обеспечивающим формирование основного тела анода.

- подштырьевой анодной массы (ПАМ), которая используется для заполнения подштырьевой лунки в аноде при перестановке токопроводящих штырей и характеризуется значительно большей текучестью, чем основная анодная масса, что достигается значительным (38% - 41% в соответствии с технологическим регламентом) содержанием пека в её составе.

В рамках исследовательской работы для снижения УЭС ПАМ предлагалось использовать частичную замену кокса в шихте ПАМ графитом.

Целью работы являлось повышение энергетической эффективности электролизёров за счёт снижения удельного расхода электрической энергии не менее 100 кВт час/т и оценке рисков внедрения подштырьевой анодной массы на основе графита (ПГАМ) в электролизное производство.

Для проведения исследования были выбраны группы опытных электролизеров и электролизеров свидетелей. При перестановке анодных токопроводящих штырей использовалась ПГАМ на опытных электролизерах, и обычная ПАМ на электролизерах свидетелях в течении нескольких циклов перестановки.

Результаты исследования.

В опытной партии ПАМ с добавлением графита содержание пека 40%, графита в шихте 29%, в ПГАМ 17,5%. Графит замещает отсевную фракцию и вводился в ПАМ в виде пеко-графитовой композиции через участок подготовки пыле-пековой композиции.

В процессе испытаний было выполнено несколько полных циклов перестановки на каждом электролизере.

В ходе эксперимента проводились замеры падения напряжения в анодах электролизеров. Данный эксперимент показал, что снижение перепада в аноде в среднем составило 41 мВ, что дало снижение потребления электроэнергии не менее 137,1 кВт·ч/т производства алюминия.

При перестановке штырей было обращено внимание, что ПАМ с содержанием графита плавится быстрее обычной ПАМ, что сокращает среднее время установки штыря. Сокращение времени открытой лунки позволит сократить выброс бензапирена при перестановке токоподводящих штырей.

 Следующим этапом испытания стало добавление графита в самообжигающиеся аноды, что должно снизить перепад напряжения в аноде за счет снижения УЭС.

Было подготовлено и обожжено 6 анодов с разными вариантами шихты и содержания пека, с вовлечением графита в шихту вместо средней коксовой фракции.

Таблица 1 Свойства исходных материалов

 

Огарки

Средняя фракция   (-4,0+0,8мм)

Графит                    (-4,0мм)

Реакционная способность в токе СО2

32,5

9,8

17,7

Действительная плотность

2,092

2,076

2,202

УЭС

-

450

110

Зольность

4,46

0,18

0,34

Массовая доля серы

1,56

1,62

0,03

Массовая доля кремния

0,015

0,01

0,034

Массовая доля железа

0,045

0,037

0,049

Массовая доля ванадия

0,024

0,018

<0,001

Массовая доля натрия

>0,45

0,007

<0,002

Массовая доля кальция

0,086

<0,0050

0,025

Массовая доля никеля

0,021

0,016

<0,001

Массовая доля титана

0,0007

<0,0005

>0,0040

Массовая доля хрома

<0,0005

<0,0005

<0,0005

Массовая доля марганца

0,0009

0,0013

<0,0005

Пористость по ртути

14,3096

16,5429

16,773

Удельная поверхность

     1.531

     1.108

     2.892

 

Замесы анодов проводились в интенсивном смесителе Айрих при температуре 172оС в течении 5,0 минут. Полученная анодная масса формовалась вибропрессом в лабораторные аноды диаметром 160мм и высотой около 100мм. Обжиг проводился в коксовой засыпке в шахтной печи R&D Carbon в течение 48 часов. Конечная температура 1050оС.


Для анализа отобраны 4 анода. С каждого анода было отобрано по 3 керна размером 50х100 мм для определения физико-химических показателей.

   Рис. 1. Керн 1        Рис. 2. Керн 2     Рис. 3. Керн 3      Рис. 4. Керн 4

 

  1. Контрольный блок №1 (рис. 1) подготовлен по отработанной в лаборатории стандартной технологии обожженных анодов с огарками в крупной фракции и содержанием пека 16%. Физико-механические параметры блока соответствуют промышленным анодам. Низкое значение реакционной способности в токе СО2 (CRR) соответствует высокому содержанию натрия и высокой реактивности огарков (табл.1).
  2. Блок №2 (рис. 2) также подготовлен по стандартной технологии с заменой кокса в средней фракции на графит и содержанием пека 16%. Добавление графита незначительно снизило УЭС и катастрофически ухудшило остальные показатели: плотность, механическую прочность, газопроницаемость и CRR. Низкая плотность блока после прессования и внешний вид говорит о недостатке пека.
  3. Блок №3 (рис. 3) подготовлен по стандартной технологии с дозировкой пека 19%. По показателям обожженная плотность, газопроницаемость и УЭС блок №3 значительно превышает контрольный блок №1 (по УЭС почти в два раза). При этом не отмечено увеличения показателя осыпаемости (CRD), что объясняется сравнительно высокой реактивностью графита. Снизилась механическая прочность.
  4. Для оценки влияния огарков на свойства анодов с добавлением графита из состава шихты блока №4 исключили огарки, заменив косовой крупкой -12,5 + 4,0 мм. Исключение огарков ухудшило свойства блока №4 относительно блока №3. Особенно выросла газопроницаемость, за счет трещинообразования. Тем не менее, CRR увеличился на 3,4%, что и следовало ожидать, учитывая высокое содержание натрия в огарках.

Выводы по самообжигающимся анодам.

  1. В ходе испытаний снижение перепада напряжения в самообжигающихся анодах составило 41 мВ, что эквивалентно снижению удельного расхода электроэнергии 137,1 кВт·ч/т производства алюминия.
  2. Установлены экологические преимущества применения графита в производстве ПАМ – снижение выбросов ПАУ за счёт снижения времени плавления ПГАМ и сокращения времени открытой лунки при перестановке штырей.
  3. Выявлен положительный экологический эффект снижения выбросов бензапирена, требующий более детального изучения для анализа и подсчета снижения этих выбросов.

Выводы по лабораторным исследованиям обожженных анодов.

  1. С целью оценки влияния графита на свойства обожжённых анодов была подготовлена партия лабораторных образцов с вовлечением графита в шихту вместо средней коксовой фракции.
  2. Фракция графита по физико-химическим показателям соответствует требованиям электродной промышленности.
  3. Использование плохо очищенных огарков сказалось на снижении показателя CRR для всех лабораторных образцов, где они использовались как минимум на 2,0%.
  4. Исследования показали, что добавление графита в виде средней фракции (41%) значительно улучшает физико-механические свойства анода (блок №3) относительно контрольного (блок №1): плотность кажущаяся увеличилась на 0,05г/см3; УЭС снизилось на 17,63 мкОм*м; газопроницаемость снизилась на 1,54 нРм.
  5. К отрицательному результату нужно отнести снижение механической плотности на 107,8 кг/см3 и увеличение дозирования пека для получения качественного анода на 3,0%.
  6. Замена огарковой фракции на коксовую (блок 4) приводит к снижению качественных показателей относительно блока №3, даже при дозировке 19-ти процентов пека.
  7. Снижение УЭС на 17,63 мкОм*м снизит удельный расход электроэнергии, но для оценки нужны производственные испытания.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

 

  1. Гильдебрандт, Э.М., Вершинина Е.П., Фризоргер В.К. Качество анодной массы в технологии электролиза алюминия с анодом Содерберга / Э.М. Гильдебрандт, Е.П. Вершинина, В.К. Фризоргер // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2014. №1. – С. 17-20.
  2. Коробов М.А., Дмитриев А.А. Самообжигающиеся аноды алюминиевых электролизеров: науч. изд. – Москва: Металлургия, 1972. - 208 с.
  3. Патент № 2698121 Российская Федерация, МПК С25С 3/12 (2006.01), С25С 3/12 (2019.05). Способ формирования вторичного анода алюминиевого электролизера с самообжигающимся анодом: № 2019102278 : заявл. 28.01.2019 : опубл. 22.08.2019 / Бузунов В. Ю., Курьянов Е. Ю., Храменко С. А., Константинов А. М., Черских И. В., Шмаль В. Р., Ресмятов С. С., Бычков К. Н. : заявитель ООО «Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр». – 8 с.
  4. Храменко С. А. Оценка эмиссии полиароматических углеводородов с поверхности анода Содерберга / С. А. Храменко, А. Н. Анушенков, Е. Н. Маракушина, Я.А. Третьяков // Цветные металлы. – 2012. - №6. - с.109.
  5. Янко Э.А. Аноды алюминиевых электролизеров: научно производственное издание. – Москва: Руда и металлы, 2001г. – 670 с.
  


Полная версия статьи PDF

Номер журнала Вестник науки №6 (63) том 4

  


Ссылка для цитирования:

Староверов Р.Г., Храменко С.А. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРАФИТА В СОСТАВЕ АНОДОВ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ // Вестник науки №6 (63) том 4. С. 896 - 903. 2023 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/9290 (дата обращения: 19.05.2024 г.)


Альтернативная ссылка латинскими символами: vestnik-nauki.com/article/9290


Нашли грубую ошибку (плагиат, фальсифицированные данные или иные нарушения научно-издательской этики) ?
- напишите письмо в редакцию журнала: zhurnal@vestnik-nauki.com

Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2023.    16+



* В выпусках журнала могут упоминаться организации (Meta, Facebook, Instagram) в отношении которых судом принято вступившее в законную силу решение о ликвидации или запрете деятельности по основаниям, предусмотренным Федеральным законом от 25 июля 2002 года № 114-ФЗ 'О противодействии экстремистской деятельности' (далее - Федеральный закон 'О противодействии экстремистской деятельности'), или об организации, включенной в опубликованный единый федеральный список организаций, в том числе иностранных и международных организаций, признанных в соответствии с законодательством Российской Федерации террористическими, без указания на то, что соответствующее общественное объединение или иная организация ликвидированы или их деятельность запрещена.