Способ газопламенного обжига подины алюминиевого электролизера

Изобретение относится к электролитическому производству алюминия и может быть использовано при обжиге подины алюминиевого электролизера. Способ газопламенного обжига подины алюминиевого электролизера включает нагрев подины до температуры не ниже 900°С, при этом до температуры 300°С подину нагревают со скоростью 40-60°С/час, от 300°С до 450-500°С - со скоростью 15-25°С/час, при достижении температуры 450-500°С производят выдержку в течение 9-12 часов, а затем нагревают подину со скоростью 15-25°С/час до температуры не ниже 900°С. При использовании данной технологии обжига техническим результатом является повышение срока службы электролизеров.

 

Изобретение относится к электролитическому производству алюминия и может быть использовано при обжиге подины алюминиевого электролизера, выполненной из углеродистых блоков.

Срок службы электролизера в значительной степени зависит от технологии обжига, качества его проведения и конечных параметров нагрева ванны перед пуском.

Наиболее перспективным и технологичным является газопламенный обжиг углеродистой подины. Точный контроль скорости нагрева, плавный подъем температуры, отсутствие проблемы токораспределения, безопасность и возможность автоматического регулирования процесса делает газопламенный обжиг наиболее приемлемым по сравнению с другими видами обжига.

Известна технология газопламенного обжига подины алюминиевого электролизера, включающая газопламенный нагрев подины до температуры 880°С со скоростью 10-20°С/час в течение 72 часов (Технико-экономический вестник БрАЗа №2, январь 2001 г., с.29-30 [1]).

Недостаток известной технологии - длительное время обжига, недостаточна температура нагрева подины.

Известен способ обжига подины алюминиевого электролизера и быстросъемное устройство для его осуществления (А.с. СССР №1708934, С 25 С 3/06, 1992 г. [2]).

Способ обжига подины алюминиевого электролизера включает обжиг подины перед установкой анода до достижения температур 950-1000°С со скоростями обжига 25°С/час до температуры 600°С, а затем до 950-1000°С со скоростью 50°С/час.

Данное техническое решение по сущности и по наличию сходных существенных признаков выбрано в качестве ближайшего аналога.

Недостаточно высокие скорости нагрева подины на стадии коксования межблочных швов вызывают значительное окисление углеродистых материалов подовой массы и повышение пористости, что в конечном итоге приводит к нарушению целостности подины преждевременному выходу электролизера из строя.

Задачей предлагаемого решения является повышение срока службы электролизера.

Техническим результатом является полное качественное коксование подовой массы в межблочных швах углеродистой подины из блоков, и прогрев подины.

Технический результат достигается тем, что в способе газопламенного обжига подины алюминиевого электролизера, включающем нагрев подины до температуры не ниже 900°С с различными скоростями нагрева, до температуры 300°С подину нагревают со скоростью 40-60°С/час, от 300°С до 500°С - со скоростью 15-25°С/час, при достижении температуры 500°С производят выдержку в течение 9-12 часов, а затем нагревают подину со скоростью 15-25°С/час до температуры не ниже 900°С.

Выбранный экспериментальным путем температурный режим газопламенного обжига подины алюминиевого электролизера после капитального ремонта обеспечивает:

1) качественное коксование подовой массы по всей высоте межблочных швов углеродистых блоков подины;

2) регулируемый подъем температуры по подине как по поверхности, так и по толщине углеродистых блоков;

3) практически одновременное коксование подовой массы как в центральных, так и в периферийных межблочных швах.

Таким образом, предлагаемый газопламенный обжиг при соблюдении экспериментально выбранного температурного режима обеспечивает качественный обжиг подины катодного устройства алюминиевого электролизера, а следовательно, и реальные условия для повышения срока службы электролизера и стабильного технологического режима его работы.

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

В процессе обжига межблочные и, главным образом, периферийные швы компенсируют термические расширения углеграфитовых блоков, а после коксования обеспечивают монолитность подины.

Конечная температура обжига и темп подъема температуры определяют свойства скоксовавшихся швов:

- плотность;

- пористость;

- механическую прочность;

- упругость;

- теплопроводность;

- удельное электросопротивление.

Все приведенные характеристики швов, кроме пористости, ниже соответствующих свойств катодных блоков, так как конечная температура обжига подовой массы ниже, чем подовых блоков: для массы - около 800°С (в верхней части шва), а для блоков - 1200-2000°С.

Процесс коксования набивной массы происходит в широком интервале температур, в котором можно выделить несколько основных стадий:

1. 0-200°С - размягчение связующего, удаление адсорбированной влаги, растворенных газов и низкомолекулярных соединений;

2. 200-(350-450)°С - крекинг и пиролиз связующего, образование свободных радикалов и увеличение их концентрации, образование обуглероженных макромолекул и формирование структуры полукокса;

4. 450-550°С и выше - уплотнение структуры кокса.

Температурные интервалы основных стадий коксования зависят от технологических свойств, т.е. температуры размягчения (чем выше температура размягчения, тем выше температуры затвердевания и образования кокса) и темпа нагрева. Чем выше темп нагрева, тем выше температура затвердевания и коксообразования.

Рассмотрим подробнее, что происходит в подовой массе при обжиге.

1-й этап (0-200°С). На начальном этапе термообработки происходит размягчение связующего, удаление влаги и растворенных газов, легких фракций связующего.

Существенное газовыделение начинается при температуре около 100°С. Испаряются влага, растворенные газы и низкомолекулярные соединения пека. По мере подъема температуры объем выделяющихся газов увеличивается. За счет выделения газов и термического расширения масса набухает. Связующее набивной массы размягчается при температурах выше температуры размягчения, вязкость резко уменьшается и достигает минимального значения при температурах 150-200°С. В период, когда вязкость связующего минимальна, а процессы деструкции еще не начались, под воздействием сил гравитации происходит миграция связующего.

Оплывание связующего может быть причиной повышенной пористости верхней части шва. Прочность связи в системе "блок-шов" с ростом температуры уменьшается и достигает минимума при минимальном значении вязкости связующего.

На этом этапе термообработки швы могут компенсировать возникающие термические расширения катодных блоков.

2-й этап (200-(350-400)°С). На этом этапе происходит термическая деструкция связующего формирование структуры полукокса. Эти процессы сопровождаются выделением большого объема летучих. Летучие стремятся покинуть реакционную зону, происходит вспучивание массы. Расширение массы на этом максимальное.

Выделяющиеся газы формируют систему пор, поры соединяются в каналы - формируется пористая структура шва. С повышением температуры увеличивается объем летучих, что приводит к повышению давления в каналах. Избежать избыточного газовыделения, обеспечить нормальную эвакуацию летучих и, следовательно, уменьшить образование пор можно за счет снижения темпа подъема температуры при обжиге.

Поскольку практически все электрические, химические, физико-механические свойства и структура шва зависят от количества образовавшегося кокса связующего, режим обжига должен быть организован таким образом, чтобы выход кокса из связующего был максимальным. Поскольку количество образовавшегося кокса зависит от количества полукокса, снижение темпа нагрева должно проводиться в диапазоне температур от момента увеличения скорости газовыделения до максимума газовыделения. Этап завершается образованием полукокса.

3-й этап (350-450)-(450-500)°С). От температуры затвердевания до температуры завершения активного газовыделения. На этом этапе происходит преобразование структуры полукокса связующего в кокс, процесс сопровождается выделением летучих, основным составляющих которых является водород. С момента затвердевания начинается процесс усадки - структура полукокса уплотняется. Уменьшение газовыделения свидетельствует об образовании кокса - твердого нерастворимого в хинолине остатка.

4-й этап. При дальнейшем подъеме температуры происходит уплотнение кокса связующего, сопровождающееся остаточным газовыделением и усадкой швов. В летучих увеличивается содержание водорода.

Мостики кокса связующего соединяют между собой частицы наполнителя, швы становятся однородными и монолитными, электропроводность и теплопроводность увеличивается. Однако вследствие неравномерности прогрева подины на поверхности и в глубине свойства швов неодинаковы.

На основании анализа процесса коксования набивных швов можно сделать вывод о том, что в период интенсивного газовыделения и преобразования структуры полукокса связующего в кокс темп нагрева должен быть существенно снижен. Если в этот период форсировать нагрев подины и швов, материал швов будет коксоваться и затвердевать в верхней части шва, в то время как в глубине набивного шва процессы формирования структуры полукокса и интенсивного газовыделения будут продолжаться. При этом образующаяся спекшаяся "шапочка" набивных швов будет до определенной степени препятствовать эвакуации летучих, давление газообразной фазы в нижних, неспекшихся зонах набивных швов будет возрастать. В итоге газы, так или иначе, прорвут спекшуюся верхнюю часть шва, а образовавшиеся трещины в шве с дальнейшим увеличением температуры подины и переходом в зону усадки подовой массы не только не закроются, но, наоборот, еще больше увеличатся, уменьшая сцепление массы набивного шва с подовым блоком и образуя пути для проникновения расплава вглубь подины.

Процессы трещинообразования, происходящие по вышеуказанному механизму в зоне 450-500°С, могут быть минимизированы, если в этот период свести до минимума темп роста нагрева подины. Наиболее эффективным будет полное прекращение роста температуры в зоне 500°С, т.е. образование на графике нагрева "площадки" с выдержкой порядка 10 часов для того, чтобы процессы с максимальным выделением летучих продуктов проходили до полного перехода полукокса в кокс и образования в верхней части набивных швов скоксовавшихся поясов, препятствующих выделению газообразных продуктов из нижних зон набивных швов. При этом будет достигнута максимальная плотность набивных швов и их сцепление с подовыми блоками.

Кроме того, положительным было бы аналогичное снижение темпа подъема температуры обжига выше 300°С в зоне максимального вспучивания массы связующего и формирования малопористой структуры набивного шва. Снижение скорости нагрева до 200°С/час также позволило бы улучшить структуру и прочность подины.

Первые 5 часов достаточно быстрый (60°С/час) подъем температур до 300°С. На этом этапе начальной термообработки происходит размягчение связующего, удаление влаги и легких фракций связующего. Начиная с 300°С скорость подъема температуры подины становится минимальной - 20°С/час и далее, в течение всего обжига, она не увеличивается.

После достижения через 15 часов температуры подины 500°С дальнейший нагрев приостанавливается на 10 часов. В течение этого этапа температура подины поддерживается на уровне 500°С. При этом происходит интенсивное выделение газообразных продуктов коксования связующего подовой массы набивных швов.

Заканчивается процесс образования полукокса и начинается процесс карбонизации - перехода полукокса в кокс и образование игольчатого кокса.

Газообразные продукты коксования выделяются при этой температуре свободно в течение всего этапа, а процесс спекания верхнего слоя набивных швов заканчивается в конце этапа, после удаления газов. Вследствие этого пористость шва минимальна, а его сцепление с подовым блоком максимально. Вероятность протеков расплава внутрь подины и цоколя сведена к минимуму.

После выдержки в течение 10 часов температуры подины 500°С, начиная с 26 часа обжига продолжается медленный подъем температуры со скоростью 20°С/час до температуры 900°С. Эта температура должна быть достигнута в течение последующих 20 часов. Оставшиеся 3-4 часа обжига поддерживается та же температура 900°С. На этом этапе заканчивается процесс низкотемпературной карбонизации связующего подовой массы набивных швов, окончательно удаляются газообразные продукты коксования, выбираются фактические величины усадки набивных швов.

От ближайшего аналога предлагаемое решение отличается режимом нагревания подины (скорости, температуры), что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию патентоспособности "новизна".

Сравнение предлагаемого решения с ближайшим аналогом и другими известными решениями в данной области техники показывает следующее.

В процессе поиска и сравнительного анализа предлагаемого решения с другими известными не выявлено технических решений, которые бы характеризовались идентичными или эквивалентными признаками с предлагаемым:

- регулируемый газопламенный нагрев подины до температур 300-450-500°С со скоростью 40-60°С/час;

- выдержка при достижении температур 450-500°С в течение 9-12 часов;

- газопламенный нагрев со скоростями 15-25°С/час до температуры не ниже 900°С.

Вышеуказанные температурные режимы газопламенного обжига подины обеспечивает полное и достаточно беспористое коксование подовой углеродистой массы в межблочных швах подины, что и обеспечивает, в конечном итоге ее целостность в процессе длительной эксплуатации и повышение за счет этого срока службы электролизеров, снижение затрат на их капитальный ремонт и снижение себестоимости производимого товарного алюминия.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

Предлагаемый газопламенный обжиг подины является наиболее эффективным видом обжига, т.к. позволяет в широком диапазоне регулировать температурные режимы. Нагрев подины в предлагаемом способе на первом этапе до температуры 300°С со скоростями нагрева 40-60°С/час обусловлен, с одной стороны, сокращением времени обжига не менее (40°С/час), с другой стороны, первоначальным прогревом подины без создания значительных термических напряжений в блоках и необходимостью размягчения подовой массы в швах на всю высоту шва (не более 60°С/час). Нагрев в интервале температур 300-500°С со скоростями 15-25°С/час обеспечивает постепенную структуризацию подовой массы по всей высоте швов.

При скоростях нагрева менее 15°С/час увеличивается время обжига, более 15°С/час - возникает вероятность неоднородной начальной структуризации подовой массы в швах.

Выдержка температуры в интервале 450-500°С связана с необходимостью полного (по всей высоте швов) и однородного коксования подовой массы. Для достижения необходимых результатов время выдержки составляет 9-12 часов (в зависимости от состава подовой массы). Окончательный нагрев до пусковых температур катодного устройства (900-980°С, в зависимости от способа пуска) производят со скоростями 15-25°С/час. При скоростях нагрева менее 15°С/час увеличивается время обжига, при скоростях нагрева более 25°С/час возникает опасность возникновения внутренних термических напряжений в угольных блоках, которые могут привести к нарушению целостности подины.

Пример. Газопламенный обжиг подины алюминиевого электролизера после капитального ремонта производят 16 горелками, равномерно установленными по продольным сторонам катодного устройства в пространство между бортом, анодом и подиной электролизера. Горелки снабжены газорегуляторными устройствами, узлами редуцирования воздуха, а подина снабжена термопарами для контролирования температуры. На первом этапе нагрев подины вели со скоростью 50°С/час в течение 5,6 часа до температуры 300°С. Затем подину горелками нагревали со скоростью 20°С/час в течение 8,5 часа до температуры 470°С и производили выдержку, поддерживая температуру подины 470±5°С в течение 10 часов. Окончательный газопламенный обжиг подины производили, поддерживая скорость нагрева 20°С/час до температуры 960°С в течение 24,5 часа. Затем производили пуск алюминиевого электролизера на электролите. После пуска и ввода электролизера в промышленную эксплуатацию проводили контрольные обследования подины щупом и контрольные замеры падения напряжения по блюмсам (катодным токоподводящим стержням). Нарушений целостности подины не было обнаружено.

Предлагаемая технология газопламенного обжига проходит опытно-промышленные испытания на Иркутском алюминиевом заводе и по предварительным данным подтверждается ее эффективность: не отмечено случаев выхода электролизеров из строя со сроком службы до одного года, по данным контроля не обнаружено нарушений целостности подин электролизеров, обжиг которых произведен по предлагаемой технологии.

ИНФОРМАЦИЯ

1. Технико-экономический вестник БрАЗа №2, январь 2001 г. "Обжиг электролизеров. Опыт Братского алюминиевого завода". М. Г.Коваленко, с.29-30.

2. А.с. СССР №1708934, С 25 С 3/06, 1980 г.

Способ газопламенного обжига подины алюминиевого электролизера, включающий нагрев подины до температуры не ниже 900°С, отличающийся тем, что до температуры 300°С подину нагревают со скоростью 40-60°С/ч, от 300 до 450-500°С - со скоростью 15-25°С/ч, при достижении температуры 450-500°С производят выдержку в течение 9-12 ч, а затем нагревают подину со скоростью 15-25°С/ч до температуры не ниже 900°С.