Способ определения пластических свойств углеродсодержащей массы

Изобретение относится к производству электродной массы для алюминиевых электролизеров с самообжигающимися или обожженными анодами и направлено на совершенствование методов контроля качества массы, а именно на определение пластических свойств анодной массы с пониженным содержанием связующего. Техническим результатом изобретения является обеспечение электродной и алюминиевой промышленности объективным, простым и экспрессным способом контроля пластических свойств массы с высокой степенью чувствительности в диапазоне низких содержаний связующего, при этом способ не требует переоснащения заводских лабораторий, переподготовки обслуживающего персонала. Способ состоит в том, что анодную массу с пониженным содержанием связующего предварительно разогревают до температуры 180±10°С, формуют из нее испытуемый образец, затем нагревают образец в течение 30 минут при температуре 210±10°С с последующим измерением величины линейной деформации поперечного сечения образца Кт и определением коэффициента текучести массы, причем определение Кт желательно проводить в инертной атмосфере. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к производству электродной массы для алюминиевых электролизеров с самообжигающимися или обожженными анодами и направлено на совершенствование методов контроля качества массы, а именно на определение пластических свойств анодной массы с пониженным содержанием связующего.

В процессе производства анодной массы важна оперативная и объективная оценка пластичности пекококсовой композиции. В настоящее время общепринято осуществлять оценку качества по коэффициенту текучести массы (Кт). Методика определения Кт унифицирована для всех заводов отрасли и приведена в ТУ 48-5-80-86 "Масса анодная углеродистая". На данную методику оформлено А.с. СССР №685956 "Способ контроля текучести анодной массы" (G 01 N 11/00, от 05.04.78 г.). Данная методика рассчитана на испытание, так называемой, "рядовой" анодной массы, характеризующейся высоким содержанием связующего и приготовленной на основе среднетемпературного пека при температуре смешивания 140-145°С. Поэтому методика включает дополнительную операцию термостатирования массы для стабилизации ее пластических свойств. Рабочий диапазон Кт по данной методике находится в интервале 1,8÷2,6 отн.ед.

В основе методики лежит способность данной массы к термодеформации. Известно, что изменение геометрии испытуемого образца из пекококсовой композиции возможно лишь при условии, что напряжение сдвига превысит некоторое критическое значение, необходимое для разрушения образовавшейся в ней структуры. Указанная выше методика построена на том, что в "рядовой" массе содержание связующего достаточно велико. Это обеспечивает насыщение пеком объема открытых пор и пустот в каркасе наполнителя, а также образование межзерновых пековых прослоек, наличие которых и позволяет испытуемому образцу самопроизвольно растекаться в условиях нагрева, при этом степень деформации образца напрямую зависит от качества массы.

При переходе на "сухую" анодную массу, характеризующуюся пониженным содержанием связующего и соответственно Кт ниже 1,8 отн.ед., приведенная выше методика не применима, так как самопроизвольно испытуемый образец меняет геометрию незначительно и чувствительность методики определения Кт теряется.

В настоящее время существуют и другие методики. Так, Советом Экономической Взаимопомощи, как рекомендация по стандартизации метода испытания анодной массы по показателю ее пластичности, был рекомендован метод Станко, который не получил промышленного применения в связи со сложностью и значительной продолжительностью процесса определения.

Для решения возникшей проблемы определения Кт "сухой" анодной массы был разработан "Способ определения пластических свойств анодной массы" по А.с. СССР №1497498 (G 01 N 11/00). По сравнению с методикой определения Кт "рядовой" массы в указанной методике повышены как время термостатирования, так и температура нагрева формованного образца, а также для повышения чувствительности метода определение Кт осуществляют под воздействием внешней нагрузки на испытуемый образец в 300÷600 г. Данный способ, как наиболее близкий по технической сущности и достигаемой цели, выбран за прототип.

В практике методика по прототипу не получила применения в силу ее существенных недостатков, а именно:

- все контрольные параметры методики заявлены широким интервалом (и температура, и время, и нагрузка), что не позволяет считать метод реализуемым однозначно, другими словами метод нельзя считать воспроизводимым. Поэтому при использовании методики с изменяющимися параметрами оценку динамики изменения Кт нельзя считать объективной;

- нижний температурный предел разогрева массы значительно выше нижнего предела нагрева образца, что значительно снижает чувствительность метода определения Кт для "сухой" массы;

- более высокая продолжительность термостатирования массы помимо усложнения процесса определения имеет и другую негативную сторону - выдержка пластической массы в течение двух часов при температуре 195÷205°С приводит к ухудшению формуемости образца, искажению истинной ее текучести;

- перед испытанием необходима достаточно продолжительная операция термостатирования массы;

- конструктивно обеспечить в процессе определения Кт равномерность распределения дополнительной нагрузки на образец в условиях его динамичной термодеформации достаточно сложно.

Задачей предлагаемого технического решения является создание способа определения пластических свойств углеродсодержащей массы с пониженным содержанием связующего ("сухой" анодной массы) с использованием современного технологического оборудования.

Техническим результатом внедрения является обеспечение электродной и алюминиевой промышленности объективным, простым и экспрессным способом контроля пластических свойств массы с высокой степенью чувствительности в диапазоне низких содержаний связующего, при этом способ не требует переоснащения заводских лабораторий, переподготовки обслуживающего персонала.

Поставленная задача достигается тем, что способ определения пластических свойств углеродсодержащей массы с пониженным содержанием связующего включает: предварительный разогрев массы до температуры 180±10°С без термостатирования, формование из нее испытуемого образца, нагрев образца при температуре 210±10°С в течение 30 минут без применения дополнительных нагрузок с последующим измерением величины линейной деформации поперечного сечения образца и определением коэффициента текучести массы по формуле:

Кт=Дк/Дн, где

Дк - средний диаметр нижнего основания образца после нагрева, см;

Дн - диаметр нижнего основания образца до нагрева, см.

При этом способ желательно осуществлять в инертной атмосфере.

Авторами заявляются следующие отличительные от прототипа признаки:

1) значительно снижена температура предварительного нагрева массы - с 195÷205°С до 180±10°С;

2) испытание образца проводят без предварительного термостатирования в связи с тем, что процессы смачивания и пропитки кокса пеком осуществляются в смесителе за счет повышения температуры смешивания с 150 до 180÷190°С;

3) повышена температура испытания образца, что позволяет значительно повысить чувствительность метода за счет увеличения термодеформации образца;

4) изменение абсолютных величин параметров определения Кт обеспечивает самопроизвольную линейную деформацию образцов без применения дополнительных нагрузок.

Этим предлагаемое решение принципиально отличается как от прототипа, так и от указанного выше аналога. Следовательно, данное техническое предложение отвечает критерию изобретения "новизна".

В данном техническом решении также присутствует элемент НОУ-ХАУ, касающийся выбора оптимальной температуры испытания образца из заявленного интервала.

С целью определения "уровня техники" был проведен поиск по патентной и научно-технической литературе. Проведенный анализ показал, что принципиально отдельные признаки объекта защиты известны, однако совокупность известных и неизвестных признаков в объеме, представленном в формуле изобретения, позволяет выйти на новый уровень в разработке перспективного способа контроля углеродсодержащих пластических масс с пониженным содержанием связующего.

Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию изобретения - "уровень техники".

Авторами был проведен сопоставительный анализ чувствительности и точности определения коэффициента текучести по трем вышеупомянутым методикам, а именно:

- по ТУ 48-5-80-86,

- по А.с. №1497498 (по прототипу),

- по предлагаемой методике.

Полученные данные приведены в представленной ниже таблице.

Таблица. Результаты определения показателя пластичности (Кт).
№ п/п	Разогрев массы	Термостатирование массы	Испытание образца	Содержание связующего в массе, %
Температура, °С	тем-ра, °С	время, ч	тем-ра, °С	время, ч	25,3	25,7	26,2	26,3
1	200	200	1	170	0,5	1,11	1,18	1,27	1,36
2	-	200	2	200	0,5	1,62	1,75	1,95	2,0
3	200	200	1	180	1	1,57	1,96	2,17	2,18
4	200	200	1	180	2	1,68	2,06	2,11	2,29
5	160	-	-	210	0,5	1,7	1,91	2,12	2,23
6	170	-	-	210	0,5	1,81	2,1	2,21	2,4
7	180	-	-	210	0,5	1,79	2,15	2,4	2,42
8	190	-	-	210	0,5	1,84	2,2	2,41	2,44
9	200	-	-	210	0,5	1,85	2,25	2,37	2,46
10	180	-	-	190	0,5	1,68	2,05	2,15	2,17
11	180	-	-	200	0,5	1,71	2,1	2,2	2,31
12	180	-		210	0,5	1,79	2,15	2,4	2,42
13	180	-	-	220	0,5	1,77	2,14	2,38	2,4
14	180	-	-	230	0,5	1,79	2,14	2,21	2,3

В приведенных данных эксперимент №1 соответствует определению Кт по ТУ. Для "сухой" массы величина деформации по данной методике незначительна и изменяется в пределах 1,11÷1,36, то есть метод низкочувствительный и не может быть рекомендован к применению. Эксперимент №2 соответствует методике по прототипу. Следует отметить, что выполнение испытания образца с использованием груза вызвало массу затруднений в связи с тем, что зачастую не удавалось добиться стабильного и равномерного нагружения образца. Технические трудности реализации методики по прототипу не позволяют получать достоверные результаты стабильно. Эксперименты с №5 по №14 выполнены с применением предлагаемой методики. Из полученных данных были выбраны оптимальные параметры методики определения Кт, соответствующие экспериментам №6-8, 11-13 и заявленные в формуле изобретения.

Необходимо отметить факт, что авторы предлагают методику, по которой рабочий интервал Кт для "сухой" массы по абсолютной величине совпадает с интервалом Кт для "рядовой" массы при использовании методики по ТУ.

Определение Кт по предлагаемой методике осуществляется следующим образом.

Вариант 1.

Дробленую пробу испытуемой массы в количестве 300-350 г помещают в термостат в закрытой металлической или фарфоровой посуде, разогревают до температуры 180°С. После этого массу быстро перемешивают и помещают в предварительно нагретую до 210°С разъемную матрицу диаметром 50 мм (Дн) и высотой 50 мм порциями в 2-3 приема. Равномерное распределение и выравнивание поверхности достигают при помощи металлического шпателя и трамбовки. После заполнения матрицу с образцом охлаждают в проточной воде до комнатной температуры. После охлаждения испытуемый образец извлекают из матрицы и устанавливают на гладкую металлическую пластину, помещенную в разогретый до температуры 220°С сушильный шкаф на 30 минут. После этого образец охлаждают в проточной воде и измеряют диаметр не менее чем по трем направлениям. Затем находят среднее значение диаметра (Дк) и по формуле рассчитывают Кт.

Вариант 2.

Предлагаемый способ можно реализовать в режиме экспресс-анализа. В этом случае матрицу заполняют анодной массой, взятой непосредственно из смесителя.

Как видно из табличных данных, Кт по предлагаемой методике изменяется в интервале 1,71÷2,44. Таким образом, расширение интервала чувствительности способа определения пластических свойств массы позволяет оперативно и качественно управлять процессом производства "сухой" массы. Данная методика может быть рекомендована к применению в промышленности и не требует переоснащения лабораторий и переподготовки кадров.

1. Способ определения пластических свойств углеродсодержащей массы с пониженным содержанием связующего, включающий предварительный разогрев массы до температуры 180±10°С без термостатирования, формование из нее испытуемого образца, нагрев образца при температуре 210±10°С в течение 30 мин без применения дополнительных нагрузок с последующим измерением величины линейной деформации поперечного сечения образца и определением коэффициента текучести массы по формуле:

К_т=Д_к/Д_н,

где Д_к - средний диаметр нижнего основания образца после нагрева, см;

Д_н - диаметр нижнего основания образца до нагрева, см.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определение пластических свойств углеродсодержащей массы с пониженным содержанием связующего осуществляют в инертной атмосфере.