Способ производства анодной массы для самообжигающегося анода, например, алюминиевого электролизера

 

Изобретение относится к электродному производству, в частности к производству анодной массы для анода алюминиевого электролизера. Изобретение позволяет повысить эффективность производства анодной массы с получением массы с лучшими ее свойствами для конкретных условий за счет оперативного регулирования технологического процесса. Способ включает приготовление компонентов пекококсовой композиции, формирование проб для технологического исследования, определение и оценку качества проб и регулирование процесса производства анодной массы путем изменения количественного соотношения компонентов в композиции и/или степени измельчения кокса по результатам оценки. Для исследования формируют серию проб связующей матрицы, связующую матрицу готовят из пыли с заданной степенью измельчения, изменяющейся с шагом не более 5%, и содержанием пыли в пределах 30-60% с постоянным содержанием связующего. Для связующей матрицы с лучшими показателями качества определяют индекс структуры связующей матрицы, равный отношению адсорбционной поверхности пылевой фракции к содержанию связующего в связующей матрице, в соответствии с которым регулируют процесс производства анодной массы. 1 ил.

Предполагаемое изобретение относится к электродному производству, в частности к производству анодной массы для самообжигающегося анода алюминиевого электролизера.

Анодная масса на основе углеродсодержащего сырья относится к дисперсным системам, свойства которых во многом определяются процессами адсорбции и структурирования пека-связующего при смешивании его с полидисперсным углеродным порошком и их концентрацией в смеси. Общеизвестна важность процесса смешивания наполнителя и связующего в технологии приготовления электродных материалов, в том числе и анодной массы для самообжигающихся анодов.

Но каким бы совершенным не был процесс смешивания, все же определяющим моментом в получении качественной электродной массы является оптимальное соотношение наполнителя и связующего. И если принять во внимание, что 95% адсорбционной поверхности полидисперсного наполнителя приходится на пылевую фракцию, то абсолютно очевидно, что оптимальная дозировка пыли при заданной дозировке связующего - один из определяющих факторов качества электродной массы.

Известны технические решения, в которых уделяется внимание количеству и качеству пылевой фракции.

Так, в а.с. СССР №569661 (С 25 С 3/12, от 14.04.76 г. "Способ приготовления электродной массы") предлагается для стабилизации эксплуатационных свойств, снижения содержания связующего и уменьшения расхода массы при эксплуатации анодов вводить в массу фракцию -0,16 мм с удельной поверхностью 3500-6500 см²/г, причем данный интервал сужается в зависимости от природы кокса: 3500-4500 см²/г для пекового кокса, 5000-6500 см ²/г для нефтяного.

Данное техническое решение нельзя считать завершенным с технологической точки зрения, так как количество и качество пыли не увязано с содержанием связующего материала, а значит не позволяет выбрать ее оптимальный состав.

Также известно изобретение по патенту РФ №2116383 "Способ производства анодной массы" (С 25 С 3/12, от 27.07.98 г.). Предлагаемый способ реализуется за счет дифференцированного подбора грансостава пылевой фракции коксовой шихты к каждому конкретному связующему, то есть за счет изменения количества и качества пылевой фракции. Для этого предлагается математическая зависимость массовой доли класса -0,08 мм в пылевой фракции коксовой шихты от содержания связующего.

Но нестабильность дисперсного состава фракции -0,08 мм является одной из причин больших колебаний свойств электродной массы, поэтому считать данный способ рекомендуемым в практическое использование не вполне правомерно, хотя определенные результаты в улучшении электродной массы он позволяет достигнуть.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является "Способ регулирования процесса получения углеродных изделий" по патенту РФ №2085485 (С 01 В 31/04, опубл. 27.07.97 г.). Данный способ реализуется за счет дифференцированного подбора количественного соотношения компонентов композиции и степени ее измельчения.

Вопрос оптимизации технологических параметров приготовления пекококсовой композиции решается за счет того, что приготовление композиций и формирование проб производят предварительно, вне процесса производства, причем пробы формируют группой, в которой содержатся пробы с заранее заданными степенью измельчения или/и соотношением компонентов, оценку их характеристик производят по величине аутогезионной способности, при этом дополнительно в группе проб выявляют пробу с максимальной величиной аутогезионной способности и ее степень измельчения и соотношение компонентов в ней принимают в качестве оптимальных технологических параметров, в соответствии с которыми в дальнейшем и ведут процесс производства. Аутогезионную способность определяют по разрывной прочности подпрессованной пробы композиции.

Недостатком этого способа является то, что для определения оптимальных технологических параметров процесса производства необходимо проводить опробование на нескольких сериях проб с изменением всего набора технологических параметров, а именно содержания связующего и наполнителя, степени измельчения компонентов композиции. Данное предварительное опробование достаточно продолжительно по времени и это приводит к значительному запаздыванию полученных результатов, а значит не позволит оперативно и эффективно внести изменения в технологический процесс.

Как отмечалось выше, цель предварительного опробования - определение оптимальных соотношений технологических параметров, при этом любое изменение в сырье или технологии требует повторения опытов с целью уточнения технологических параметров.

Таким образом, предлагаемый процесс управления производством электродной массы продолжителен по времени, трудоемок, а главное мало эффективен.

Задачей предполагаемого изобретения является повышение эффективности производства анодной массы с получением ее лучших свойств, улучшение экологической ситуации в производствах с использованием данной массы.

Техническим результатом предложенного способа является

- определение технологических параметров массы, соответствующих ее лучшей структуре, а значит и лучшим свойствам обожженных электродных материалов;

- оптимизация дозировки пылевой фракции с получением так называемой связующей матрицы, позволяющей получить монолитную структуру после спекания;

- снижение удельного расхода анодной массы;

- снижение трудоемкости предварительного опробования массы;

- повышение эффективности работы технологического оборудования цехов по производству электродной массы;

- достижение максимального эффекта от использования электродной массы в процессе металлургического производства.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе производства анодной массы для алюминиевого электролизера, включающем приготовление компонентов пекококсовой композиции, формирование проб для технологического исследования, определение и оценку качества проб и регулирование процесса производства анодной массы путем изменения количественного соотношения компонентов в композиции и/или степени измельчения кокса по результатам оценки, для исследования формируют серию проб связующей матрицы, связующую матрицу готовят из пыли с заданной степенью измельчения, изменяющейся с шагом не более 5%, и с содержанием пыли в пределах 30-60% с постоянным содержанием связующего, для связующей матрицы с лучшими показателями качества определяют индекс структуры связующей матрицы, равный отношению адсорбционной поверхности пылевой фракции к содержанию связующего в связующей матрице, в соответствии с которым регулируют процесс производства анодной массы.

Техническая сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Как отмечалось выше, электродная масса на основе углеродсодержащего сырья представляет из себя структурированную дисперсную систему, структуризация которой осуществляется за счет взаимодействия дисперсионной среды и дисперсной фазы. С точки зрения теории физико-химической механики дисперсных структур адсорбционная способность дисперсной фазы является одним из наиболее важным факторов, влияющих на процесс структурирования. При этом процессы адсорбции и структурирования при прочих равных условиях определяются соотношением дисперсной фазы (коксовой пыли) и дисперсионной среды (пека).

В работе А.С.Фиалкова "Формирование структуры и свойств углеграфитовых материалов" (М., Металлургия, 1965 г., стр. 62-67), посвященной вопросам структурирования, представлены сведения о том, что в зависимости от содержания тонкодисперсной фазы в углеродсодержащей композиции формируются три типа структуры: при высоком содержании дисперсной фазы - структура так называемых "коксовых агрегатов", при более низком - "монолитная" структура. Дальнейшее снижение концентрации дисперсной фазы приводит к образованию пористой структуры. Электродная масса со структурой первых двух типов, в целом, соответствует техническим условиям на ее качество, но лучшими свойствами обладает масса с монолитной структурой.

Заявители экспериментально подтвердили данный факт при проведении серии испытаний на массе Богословского алюминиевого завода. Были получены данные, подтверждающие наличие двух областей, соответствующих лучшему качеству массы, с достаточной четкостью.

Учитывая тот факт, что до 95% адсорбционной поверхности всей шихты приходится на пылевую фракцию, заявители предлагают при предварительном опробовании использовать пробы, состоящие из пылевой фракции и пека. Данная композиция названа авторами связующей матрицей, экспериментально подтвержден факт, что закономерность изменения свойств связующей матрицы идентичны закономерности изменения свойств массы на ее основе (см. графическую зависимость показателей качества связующей матрицы от содержания пыли на чертеже). Связующая матрица в представленной серии испытаний готовилась на Днепродзержинском пеке марки В и пылевой фракции БАЗа с удельной поверхностью 5807 см²/г.

Таким образом, в отличие от прототипа авторы предлагают перейти от опробования массы к опробованию связующей матрицы, в результате чего снижается трудоемкость предварительных испытаний, повышается их точность за счет исключения влияния на результаты опробования нестабильности крупных фракций наполнителя. Другими словами, точки экстремумов, соответствующие лучшим структурам электродной массы, выявляются с большей точностью.

Далее, если в прототипе в случае изменения количественного соотношения компонентов в композиции и/или степени ее измельчения необходимо повторять весь цикл технологического опробования массы для выбора оптимальных параметров, то при работе со связующей матрицей повторение испытаний не требуется.

Заявители также предлагают механизм управления производством анодной массы, основанный на результатах опробования матрицы. Данный механизм является предметом НОУ-ХАУ и заключается в следующем.

1. Для конкретных условий готовится серия проб связующей матрицы на основе типичной пробы пыли и пека. В пробах изменяют лишь содержание пыли, т.е. размер адсорбционной поверхности.

2. По результатам опробования определяют экстремумы, соответствующие лучшему качеству матрицы для монолитной структуры и структуры "коксовых агрегатов".

3. Для экстремальных точек рассчитывают индекс структуры связующей матрицы. Индекс структуры есть отношение адсорбционной поверхности пылевой фракции к содержанию связующего в связующей матрице и для конкретных условий производства есть величина постоянная

где J_cв.м - индекс структуры связующей матрицы, отн. ед.;

Q_i - удельная поверхность i-фракции пыли, см²/г;

С_i - содержание i-фракции в пыли,%;

С_св.м - содержание пека в связующей матрице,%.

Отсюда, зная индекс структуры связующей матрицы, можно в зависимости от дозировки связующего определить количественный и качественный состав электродной массы, что будет соответствовать ее лучшему составу.

В связи с тем, что процесс приготовления электродной массы сопровождается дополнительным расходом связующего на пропитку крупных частиц кокса заявители предлагают в зависимости от величины пропитки пеком вводить в формулу (1) корректировку связующего, снижая его содержание на 3-5% от содержания связующего в массе (Сюняев З.И. Нефтяной углерод. М.: Химия, 1980 г., стр. 93).

Общими признаками предлагаемого способа и способа по прототипу является то, что в обоих случаях для получения электродной массы лучшего качества предлагается подбирать оптимальное количество и качество пылевой фракции, а также соотношение дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Но предлагаемое техническое решение существенно отличается от прототипа тем, что

- в прототипе для опробования готовится серия проб электродной массы, отличающихся различными, заранее заданными степенью измельчения или/и соотношением компонентов, а в предлагаемом варианте необходимо и достаточно серии проб связующей матрицы, в которой изменяется только содержание тонкодисперсной фазы;

- опробование в прототипе осуществляется с целью выявления пробы лучшего качества, параметры которой принимают за оптимальные параметры ведения технологического процесса. С изменением какого-либо технологического параметра по прототипу необходимо повторять весь цикл предварительного опробования. В предлагаемом способе опробование осуществляется с целью определения индекса связующей матрицы и за счет того, что J_cв.м. - величина постоянная для конкретного сырья и конкретного уровня технологии, регулировку процесса производства электродной массы можно осуществлять оперативно без повторения лабораторных испытаний с помощью достаточно не сложных расчетов, причем электродная масса будет соответствовать лучшему ее качеству как для структуры "коксовых агрегатов", так и для монолитной структуры;

- в прототипе предварительное опробование осуществляют на пробах электродной массы, а в предлагаемом способе - на связующей матрице, в которой отсутствует крупная фракция кокса, что сокращает время приготовления проб, а также повышает точность испытаний.

Таким образом, вышеприведенный анализ прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволяет выявить новую совокупность существенных по отношению к техническому результату отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками.

Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлен анализ, характеризующийся признаками, тождественными всей совокупности отличительных признаков заявленного способа, направленной на достижение технического результата.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

В формуле изобретения заявлены абсолютные значения, а именно "... с содержанием пыли в пределах 30-60%".

Данный интервал заявлен с той точки зрения, что он охватывает весь диапазон возможных в производстве значений содержания пыли, а также такой широкий интервал гарантирует, что в серию проб попадут обе лучшие матрицы, соответствующие как монолитной структуре, так и структуре "коксовых агрегатов" и по которым рассчитываются соответствующие индексы структуры связующей матрицы. С той же целью шаг опробования должен быть не более 5%.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Для конкретного завода с определенным уровнем технологии и перерабатывающего конкретное сырье определяют индексы структуры связующей матрицы для монолитной структуры и для структуры "коксовых агрегатов".

Для этого поступают следующим образом: определяют удельную поверхность пылевой фракции и готовят пробы связующей матрицы с концентрацией пыли 50, 52, 54, 56, 58, 60%. После этого обжигают полученные пробы до 1000°С по ТУ 48-5-80-86 и проводят технологическое опробование согласно методикам технических условий на опробование анодной массы.

На основании полученных результатов строят графические зависимости физико-химических свойств связующей матрицы. Затем по экстремумам максимальной механической прочности, минимальной пористости, УЭС и разрушаемости в СО₂ определяют составы связующей матрицы, которые дают лучший результат по совокупности этих показателей. Поскольку показатель разрушаемости и осыпаемости анодной массы зависит и от содержания крупных фракций в шихте, в отличие от других показателей, то основное внимание обращают на показатели пористости, прочности и УЭС. В данном случае этим условиям для монолитной структуры соответствует состав с содержанием пыли в связующей матрице 54%. Для расчета берут значение 53,5%, так как эта величина ближе к составу с минимальной разрушаемостью и по формуле определяют индекс связующей матрицы, равный в данном случае 6680 отн. ед.

По величине этого индекса далее по формуле заявителей рассчитывают дозировку пыли в шихте анодной массы для заданного содержания связующего с учетом того, что 3% пека от 25% заданных пойдет на пропитку крупных частиц пекового кокса, то есть в связующей матрице анодной массы будет не 250 кг пека, а 220 кг. Согласно расчету содержание пыли в анодной массе с монолитной структурой должно быть 253 кг. Отсюда, на производство 1 тонны анодной массы необходимо сдозировать, кг:

Каменноугольный пек 250

Пыль 253

Крупка 497

Для рядовой анодной массы на основе пекового кокса и пека марки В при заданном содержании связующего 27% для этих же заводских условий расчет дозировки компонентов на 1 тонну анодной массы будет следующим, кг:

Каменноугольный пек 270

Пыль 276

Крупка 454

В случае изменения удельной поверхности пылевой фракции, например, при снижении до 4500 см² /г дополнительное опробование также не производят, а с использованием индекса структуры пересчитывают дозировку пыли. Например, для "сухой" массы на основе этого же пекового кокса и этого же пека марки "В" расчет дает следующий состав массы, кг:

Каменноугольный пек 250

Пыль 327

Крупка 423

По предлагаемому способу повторное определение индекса матрицы потребуется в случае смены поставщика сырья (кокса и/или пека) или при переходе на другую технологию приготовления анодной массы.

Таким образом, предлагаемый способ производства анодной массы позволяет эффективно и оперативно управлять данным производством с получением анодной массы с лучшими показателями качества.

Формула изобретения

Способ производства анодной массы для алюминиевого электролизера, включающий приготовление компонентов пекококсовой композиции, формирование проб для технологического исследования, определение и оценку качества проб, и регулирование процесса производства анодной массы путем изменения количественного соотношения компонентов в композиции и/или степени измельчения кокса по результатам оценки, отличающийся тем, что для исследования формируют серию проб связующей матрицы, связующую матрицу готовят из пыли с заданной степенью измельчения, изменяющейся с шагом не более 5%, и содержанием пыли в пределах 30-60% с постоянным содержанием связующего, для связующей матрицы с лучшими показателями качества определяют индекс структуры связующей матрицы, равный отношению адсорбционной поверхности пылевой фракции к содержанию связующего в связующей матрице, в соответствии с которым регулируют процесс производства анодной массы.

РИСУНКИ