Способ защиты углеродной футеровки

Изобретение относится к способу защиты углеродной футеровки алюминиевого электролизера при получении алюминия из металлургического глинозема в криолит-глиноземном расплаве и может быть использовано при вводе алюминиевого электролизера в эксплуатацию. Способ защиты углеродной футеровки алюминиевого электролизера включает нагрев до температуры 1300-1400°C с последующей выдержкой при максимальном значении температуры в течение 2-3 часов над предварительно прокаленным карбонатом лития, покрытым слоем кремниевой пыли. Пары лития, образовавшиеся при взаимодействии карбоната лития и кремниевой пыли, изменяют поверхностную структуру и основные свойства углеграфитовых блоков, за счет глубокого проникновения паров лития в поры угольного блока с последующей интеркаляцией слоев графита и обеспечивают формирование защитного антидиффузионного слоя толщиной 20-30 мм, блокирующего проникновение расплава в угольную подину электролизера и предотвращающего инфильтрацию жидкого алюминия и натрия в процессе работы электролизера. Обеспечивается снижение рабочего напряжения, повышение производительности, увеличение срока службы, повышение сортности алюминия, снижение расхода электроэнергии. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к производству алюминия электролизом криолит-глиноземных расплавов, и может быть использовано при вводе алюминиевого электролизера в эксплуатацию.

Известен способ защиты угольной футеровки алюминиевого электролизера по патенту РФ №2106434, C 25, от 10.03.1998, включающий установку анода, введение в шахту, в пространство между боковой футеровкой и анодом пускового сырья, заливку алюминия под анод, подключение электролизера в цепь тока серии, заливку электролита и пуск электролизера.

Недостатком способа является то, что при заливке металла под анод происходит разрушение подины из-за термоудара, кроме этого, сильный напор металла быстро размывает загруженное на подину сырье и образует трещины на блоках.

Известен блокирующий состав для производства смачиваемого угольного катода электролизера для получения алюминия по патенту US 2012222964 (A1), от 06.09.2012, который включает в себя защитное покрытие из диборида Ti и металлических добавок, в котором количество присадок определяет плотность и пористость материала.

Недостатком данного способа является дороговизна используемых материалов, а именно TiB2, а также низкий срок службы защитного покрытия из-за неудовлетворительной адгезии на поверхности катодного угольного блока.

Известен способ защиты угольной футеровки алюминиевого электролизера по патенту РФ №2164555, C25C 3/08 от 27.03.2001, в котором отдачу пускового сырья в пространство борт-анод, заливку алюминия на подину, подключение электролизера в цепь тока серии, подачу электролита, регулирование рабочего напряжения и вывод электролизера на электролиз, отдачу пускового сырья осуществляют последовательно.

Недостатком данного способа является защита футеровки только на стадии пуска. Во время эксплуатации электролизера начинается интенсивная пропитка угольных материалов расплавом и металлом с последующим их разрушением.

Наиболее близким аналогом является патент РФ №2255144 C2 от 27.06.2005, в котором для повышения стойкости и защиты футеровки на стадии обжига и пуска вместе с пусковым сырьем добавляют смесь флотационного, регенерированного криолита и литийсодержащего компонента в количестве 2,5-5,0 мас.% в пересчете на фтористый литий от общего количества смеси, при этом повышается срок службы катодного устройства электролизера и стойкость углеродных материалов подины.

Недостатком данного способа является то, что литийсодержащее сырье в основном переходит в металлический алюминий и электролит, при этом футеровку в первую очередь внедряется натрий. Способ не эффектен по причине больших потерь фторида лития в пусковом периоде. Ионы лития из расплава проникают только внутрь бортовой настыли и изменяют ее температуру ликвидуса.

Техническим результатом предлагаемого способа защиты является повышение стойкости угольной футеровки, производительности электролизера и срока его службы, улучшение сортности получаемого алюминия, а также снижение расхода электроэнергии за счет улучшения электропроводности.

Технический результат достигается тем, что нагрев углеграфитового катодного блока до температуры 1300-1400°C с последующей выдержкой при максимальном значении температуры в течение 2-3 часов проводят в газопламенной печи в атмосфере паров лития, для изменения его поверхностной структур, и формирования защитного слоя, блокирующего проникновение в углеграфитовый материал криолит-глиноземного расплава и металла во время электролитического получения алюминия. Указанный технический результат достигается тем, что способ защиты угольной футеровки алюминиевого электролизера обеспечивает эффективную защиту поверхности за счет сформированного антидиффузионного слоя толщиной 20-30 мм, блокирующего при внедрении лития поступление металла и компонентов расплава внутрь угольного блока.

Суть предлагаемого способа защиты угольной футеровки заключается в том, что при обработке парами лития углеродного блока на его поверхности образуется защитный блокирующий слой. Атомы лития из-за маленького радиуса, в отличие от других щелочных металлов, способны внедрятся в слои и поры блока без искажения кристаллической структуры углерода. Углеграфитовые материалы имеют свойство образовывать фазы внедрения, благодаря их слоистой структуре и протеканию реакции взаимодействия (интеркаляции) в межслоевых пространствах углерода и графита с высокой скоростью. Эффективность процесса интеркаляции лития в углеграфитовом материале зависит от состояния поверхности блока, его структуры, которые определяют кинетику процесса внедрения и количество внедряемого лития. В связи с высокой чувствительностью реакции внедрения к характеристикам катодного блока важное значение имеет состав и структура частиц наполнителя необожженных блоков, выполняющих роль матрицы для внедрения лития.

Способ осуществляют следующим образом.

Обожженный катодный блок 1 (фиг.1) переворачивают и плотно устанавливают наружной стороной на чугунный поддон с ребрами жесткости 3, герметизируя зазор по периферии магнезитовой подсыпкой 9. Блок вместе с поддоном помещают на подину газовой печи 2. Перед нагревом блока открывают шибер 6, и, при помощи системы патрубков 7, из аэродозатора 5 подают карбонат лития 4 на дно чугунного поддона через загрузочные отверстия 8, над слоем карбоната лития устанавливается стальная сетка 10, на которую засыпают кристаллический кремний. Отходящие газы после расплавления карбоната лития утилизируются через устройство для дожигания 11.

Катодный блок устанавливают наружной поверхностью на специальный чугунный поддон, заполненный предварительно прокаленным карбонатом лития, помешают в газопламенную печь, не допуская утечек паров лития, и нагревают до температуры 1300-1400°C с последующей выдержкой при максимальном значении температуры в течение 2-3 часов, обеспечивая непрерывную дозированную подачу карбоната лития под слой кремния в течение 2-3 часов, гарантируя(???) проникновение паров лития в глубину угольного блока между слоями углерода и во внутренние поры. На стадиях нагрева и прокалки при помощи аэродозатора производят постепенную загрузку карбоната лития в расплав под слой кремния.

При предварительной прокалке в шахтной печи Li2CO3 при температуре 750-850°C происходит образование оксида лития, который в дальнейшем частично возгоняется в газопламенной печи при нагреве выше 1000°C, по следующей реакции:

Li2CO3→Li2O+CO2

Для получения паров лития, для пропитки углеграфитового материала применяли восстановление оксида лития кристаллическим кремнием (в виде мелких отходов). На слой карбоната лития равномерно засыпали слой кремниевой пыли. При взаимодействии Si с возгонами Li2O образуется устойчивый оксид кремния

2Li2O+Si=4Li+SiO2

При проведении атомно-эмиссионного исследования образцов, отобранных от блоков в течение прокалки, доказано, что на первом этапе прокалки необожженного угольного блока парообразным литием происходит внедрение Li и металлизация пор, при этом в структуре образуются соединения внедрения типа LixCy, которые накапливаются в поверхностных слоях, с течением времени при повышении температуры в глубине блока между слоями графита на стадии интеркаляции кристаллизуется устойчивая фаза LiC6. Определено, что энергия активации образования этих фаз составляет соответственно 12,4 кДж/моль, что указывает на диффузионные затруднения процессов. Начальная концентрация литиевых дефектов в диапазоне температур 1300-1400°C составляет 0,025-0,034 моль/см3, коэффициент диффузии (4,66±0,5) м2/с. При выдержке до заданной температуры возрастает скорость образования кристаллических интеркаляционных фаз и компоненты твердого раствора, вносят изменение в параметр кристаллической решетки в пределах [0-(-0,0105)]·10-10 м/%(ат) компонента в твердом растворе. Это означает, что происходит кристаллизация и достраивание кристаллической углеродной решетки со срастанием слоев графита, которое, в целом, не вызывает увеличения силы разрушения в угольной футеровке.

Примеры изменения свойств катодных блоков при реализации способа для образцов стандартного катодного блока ПБ-40 приведены в табл.1, а для образцов стандартного катодного блока ПБ-35 МЭ представлены в табл.2.

При изучении образцов установлено, что катодные блоки на основе углеграфитовых материалов, полученные по предлагаемому способу, отличаются высокими техническими характеристиками по сравнению со стандартными блоками. Так для образцов катодного блока ПБ-40, обработанных по способу, увеличились кажущаяся плотность с 1,54 до 1,76-1,91 г/см3, а истинная плотность с 1,85 до 1,94-1,98 г/см3. Для образцов катодного блока ПБ-35 МЭ, обработанных по способу, увеличились кажущаяся плотность с 1,54 до 1,96-1,98 г/см3, а истинная плотность с 1,94 до 2,11-2,15 г/см3.

Кроме того, как для образцов катодного блока ПБ-40, так и образцов катодного блока ПБ-35 МЭ, обработанных по способу, улучшились прочностные характеристики.

При этом для образцов катодного блока ПБ-40, обработанных по способу, удельное электросопротивление снизилось на 8-12 единиц от стандартного образца - до 32-28 мкОм·м. Для образцов катодного блока ПБ-35 МЭ, обработанных по способу, удельное электросопротивление снизилось на 3-5 единиц от стандартного образца - до 32-30 мкОм·м.

Эти изменения определяются особенностями структуры обработанных по способу защиты катодных блоков, наличием в них свободных валентных зон, играющих роль электронных ловушек, обеспечивающих высокую скорость диффузии лития вглубь блока и стабильность интеркалятов LixCy. Все это позволяет создать блокирующий антидиффузионный слой и защитить катодные блоки, при этом предотвращается инфильтрация электролитического алюминия и внедрение натрия.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет повысить стойкость угольной футеровки, а следовательно, и срок службы электролизера, увеличить производительность электролизера, улучшить сортность получаемого алюминия, снизить расход потребления электроэнергии за счет снижения рабочего напряжения (при падении напряжения в подине за счет предотвращения металлизации подины натрием и электролитическим алюминием).

Табл.1

СПОСОБ ЗАЩИТЫ УГЛЕРОДНОЙ ФУТЕРОВКИ
Показатели Единицы измерения Характеристики стандартных блоков по техн. условиям Номер образца
1 2 3
Кажущаяся плотность г/см3 1,54 1,76 1,87 1,91
Истинная плотность г/см3 1,85 1,94 1,95 1,98
Общая пористость % 23 13 11 10
Удельное электросопротивление мкОм·м 40 28 32 30
Прочность при сжатии МПа 30 55 59 58
Прочность при изгибе МПа 7 8 9 8
Модуль упругости ГПа 13 14 15 14
Относительное удлинение % 0,5 0,8 0,7 0,7
Теплопроводность при 20°C Вт/м·К 8 10 11 10
Табл.2
Показатели Единицы измерения Характеристики стандартных блоков по техн. условиям Номер образца
1 2 3
Кажущаяся плотность г/см3 1,54 1,96 1,98 1,96
Истинная плотность г/см3 1,94 2,15 2,11 2,12
Общая пористость % 23 7 6 8
Удельное электросопротивление мкОм·м 35 31 32 30
Прочность при сжатии МПа 28 52 50 51
Прочность при изгибе МПа 9 8 9 8
Модуль упругости ГПа 13 14 15 14
Относительное удлинение % 0,8 0,8 0,9 0,9
Теплопроводность при 20°C Вт/м·К 10 12 14 15

1. Способ защиты углеродной футеровки алюминиевого электролизера, включающий изменение поверхностной структуры катодного блока и формирование защитного слоя, блокирующего проникновение в углеграфитовый материал криолит-глиноземного расплава и металла во время электролитического получения алюминия, путем нагрева катодного блока в газопламенной печи в атмосфере паров лития, отличающийся тем, что нагрев ведут до температуры 1300-1400°C с последующей выдержкой при максимальном значении температуры в течение 2-3 часов и непрерывным дозированием литийсодержащего сырья под слой кремниевой пыли, при этом обеспечивают формирование антидиффузионного слоя толщиной 20-30 мм за счет проникновения паров лития во внутренние поры углеграфитового катодного блока и в структуру графита.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве литийсодержащего сырья используют предварительно прокаленный при температуре 750-850°C карбонат лития.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что катодный блок для нагрева и выдержки в газопламенной печи устанавливают наружной стороной на чугунный поддон и герметизируют магнезитовой крошкой по всему периметру.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу производства алюминия в электролизере. Способ включает этапы, при которых задают последовательность периодов управления с длительностью Т, идентифицируют возмущающие операции обслуживания на электролизере, которые могут привносить избыточный глинозем в электролитическую ванну, отмечают выполнение возмущающих операций обслуживания, определяют скорость В(k') подачи при регулировании для каждого периода k' управления и задают установленную скорость SR(k') подачи, равной М(k')×В(k'), где М(k') - заранее определенный коэффициент модуляции, который модулирует скорость В(k') подачи при регулировании так, чтобы учесть уменьшение потребностей электролизера, вызванное избыточным глиноземом.

Изобретение относится к устройству для контроля силы тока в анодных штырях, анодах и катодных блюмсах электролизеров с самообжигающимися и с обожженными анодами. .

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к способу контроля состава расплавленного электролита в алюминиевом электролизере. .

Изобретение относится к металлургии, а именно к средствам контроля химического состава расплава электролизера, в частности алюминиевого. .

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия на электролизерах с предварительно обожженным анодом, и может быть применено для управления пневматическим цилиндром пробойника системы автоматической подачи глинозема в расплавленный электролит.

Изобретение относится к электролитическому получению алюминия и может быть использовано при технологическом контроле состава электролита методом рентгенофазового анализа (РФА).

Изобретение относится к способам обслуживания алюминиевого электролизера, преимущественно к способу удаления угольной пены из алюминиевого электролизера. .

Изобретение относится к способу прогнозирования своевременной подготовки алюминиевого электролизера к отключению для капитального ремонта. .

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия из глинозема, и может быть использовано на электролизерах как с самообжигающимися анодами, так и с обожженными анодами для контроля токораспределения в анодном узле.

Изобретение относится к устройству для определения уровней металла и электролита в электролизере в процессе его эксплуатации. .

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому производству алюминия, а именно к области управления электролизом алюминия. Способ автоматического контроля криолитового отношения электролита алюминиевого электролизера, включающий измерение силы тока, напряжения на электролизере, расчет текущих значений сопротивления электролита и определение криолитового отношения электролита, сравнение криолитового отношения с заданным значением и корректировку криолитового отношения электролита при отклонении от заданного значения. Данным способом определяют удельное сопротивление электролита при перемещении анодной рамы с фиксированной длительностью, через равные промежутки времени, в направлении вверх-вниз, после чего преобразуют удельное сопротивление в коэффициент перемещения, измеряют температуру ликвидуса и определяют криолитовое отношение электролита в зависимости от коэффициента перемещения и/или температуры ликвидуса. При этом коэффициент перемещения равен: Uуд=ТП×6/VМПА, где: Uуд - удельное сопротивление электролита, коэффициент перемещения [мВ/мм]; VМПА - скорость привода механизма перемещения анодной рамы [мм/мин]; ТП - тестовое перемещение [мВ/с], определяемое как: ТП=(ΔUвверх+ΔUвниз)/2/τ, где: ΔUвверх - разница напряжения при перемещении анодной рамы вверх, мВ; ΔUвниз - разница напряжения при перемещении анодной рамы вниз, мВ; τ - время перемещения, с. Определяют удельное сопротивление электролита при перемещении анодной рамы в течение от 0,5 с до 60 с через промежутки времени от 0,08 ч до 24 ч. Способ позволяет снизить стандартное отклонение фактического криолитового отношения от целевого значения с 0,059 до 0,038. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к системе, способу и устройству для измерения и передачи рабочих условий электролитической ячейки. Система содержит избирательно устанавливаемый элемент, соединенный с устройством для измерения и передачи рабочих условий электролитической ячейки, при этом избирательно устанавливаемый элемент сконфигурирован с возможностью перемещения устройства для измерения и передачи рабочих условий электролитической ячейки с физическим соединением с ванной и без него. Система может также содержать устройство для разрушения корки для разрушения поверхности ванны и электронное устройство для измерения уровня ванны. Раскрыт также способ измерения и передачи рабочих условий электролитической ячейки. Обеспечивается объединение длинных и трудоемких процедур измерения в один этап, снижение трудозатрат, повышение производительности. 13 з.п. ф-лы,16 ил.

Изобретение относится к устройству для определения профиля износа катода и профиля бортовой(ых) настыли(ей) алюминиевого электролизера, заполненного расплавом алюминия и имеющего бортовую(ые) настыль(и). Устройство содержит систему определения положения с подвижным и стационарным элементами и пику с термостойким наконечником пики для погружения в расплав на катод или поверхность бортовой(ых) настыли(ей) электролизера, причем подвижный элемент прикреплен к пике, а стационарный элемент выполнен с возможностью определения положения наконечника пики путем определения положения подвижного элемента. Раскрыт способ определения профиля износа катода и профиля бортовой(ых) настыли(ей) в алюминиевом электролизере посредством указанного устройства, погружения наконечника пики устройства в расплав алюминия на катод или поверхность бортовой настыли электролизера и определения положения наконечника пики в качестве высоты катода или бортовой настыли в данном месте в электролизере. Обеспечивается быстрое и точное определение точного профиля износа катода и бортовой футеровки электролизера без его остановки. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электролитическому способу получения алюминия. Технический результат - повышение точности измерений и оперативности определения концентрации глинозема. Устройство для определения концентрации глинозема в электролите алюминиевого электролизера содержит автономный источник напряжения переменного тока, регистратор напряжения постоянного тока с градуировкой, низкочастотный электрофильтр и графитовым датчиком. При этом автономный источник напряжения переменного тока выполнен с возможностью подачи напряжения переменного тока в цепь графитовый датчик - катодная шина. Выход низкочастотного электрофильтра подключен к регистратору напряжения постоянного тока, а вход соединен с автономным источником напряжения переменного тока. 1 ил.
Наверх