Підвищення експлуатаційних властивостей матеріалів футеровки алюмінієвих електролізерів за рахунок удосконалення їх структурно-фазових характеристик

Мета роботи полягала в підвищенні терміну безаварійної експлуатації елементів футеровки алюмінієвих електролізерів на основі вивчення деградації властивостей існуючих матеріалів і оптимізації хімічного складу та структурно-фазових і експлуатаційних характеристик футеровки.

Згідно з результатами досліджень, однією з причин низького терміну служби алюмінієвого електролізера є застосування в футеровці матеріалів недостатньої якості і , інколи, несумісних між собою матеріалів ( таких як корундо-карбідна кераміка на основі корунду ГК і карбіду кремнію ККЧ) при дослідженні їх в умовах промислового електролізера.

Побічні агресивні продукти електролізу Na, нижчі фторидні та кисневі сполуки алюмінію, кальцію, магнію, дифундуючи у футеровку катода, призводять до негативної зміни її хіміко-мінералогічного складу, зниженню меж міцності і подальшому руйнуванню та виходу електролізера з ладу.

Шляхом аналізу алюмосилікатних вогнетривів вибрана марки ШПДм-45 з масовим вмістом Al2O3 48,7%, вперше одержаного з добавкою шамоту мулітокорундового складу і титановмісного каоліну з оптимізацією температури відпалу.

Ключові слова: матеріали катоду, агресивні побічні продукти електролізу, макро-, мікроструктура, механізм перетворень, експлуатаційні властивості, корозійна стійкість, особливості хіміко-мінералогічної будови.

Аннотация

Шарапова В.В. Повышение эксплуатационных свойств материалов футеровки алюминиевых электролизеров за счет усовершенствования их структурно-фазовых характеристик - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - Материаловедение. - Министерство промышленной политики Украины, Государственное предприятие «Украинский научно-исследовательский институт специальных сталей, сплавов и ферросплавов». - Запорожье, 2009г.

Защита в г. Киев, институт ИПМ, 2010г.

Диссертационная работа посвящена актуальному вопросу повышения срока службы алюминиевого электролизера и повышению стойкости материалов алюминиевого электролизера.

Цель работы заключалась в выявлении причин преждевременного выхода из строя алюминиевого электролизера на основе изучения особенностей элементов футеровки и повышения качества вновь рекомендуемых материалов.

По результатам исследований установлено, что одной из причин низкого срока службы алюминиевого электролизера является применение в футеровке катода материалов недостаточно высокого качества и, порой, несовместимых между собой (таких как корундо-карбидная керамика на основе корунда ГК и карбида кремния ККЧ) при использовании их в условиях промышленного электролизера. Исследованиями проб после службы установлено, что шамотный огнеупор ША-5 полностью превратился в солевую линзу, что ША-5 обладает низкими эксплуатационными свойствами. Имеет место унос элементного кремния из огнеупорного слоя до 13% в виде SiO, Na2SiF6, SiF4. Установлено, что слой сухой барьерной смеси из электрокорунда нормального и дистен-силиманитового зернистого концентрата носит защитную функцию избирательно. Побочные агрессивные газообразные продукты электролиза Na, низшие фтористые и кислородные соединения алюминия, кальция, магния, диффундируя в футеровку катода, приводят к негативному изменению ее химико-минералогического состава, понижению прочностных характеристик и дальнейшему разрушению и выходу электролизера из строя.

Петрографическим методом впервые установлено, что превращения -Al2O3 в - Al2O3 происходит при взаимодействии корунда с парами натрия.

Впервые установлено, что в результате встречной диффузии в вермикулите образуются фториды железа II, III, фториды железа нестехиометрического состава FeFx, где 2<x<3. При этом имеет место коррозия кожуха. Впервые установлено, что в процессе работы алюминиевого электролизера образуются нетехиометрические соединения в т.ч. субфториды железа, субкарбиды алюминия различного состава, указывающие на сильное развитие в футеровке катода диффузионных процессов и усиленный износ материалов катода и коррозию кожуха электролизера. Впервые установлено, что при применении в межблочных швах карбида кремния черного происходит превращение его структуры за счет примесей Na, Al, Cu, Mg, Fe.

Путем анализа алюмосиликатных огнеупоров выбрана марка ШПДм-45, впервые полученного с добавкой шамота муллитокорундового состава и титансодержащего каолина с оптимизированной температурой обжига. Установлено, что по своим служебным свойствам (850С=90 МПа, газопроницаемость 0,08 мкм2, пористость <8%), коррозионнной стойкости (краевой угол смачивания промышленным электролитом 10, NaF - 7), макро- и микроструктуре соответствует современным требованиям алюминиевой промышленности. Рассчитаны кинетические параметры смачивания (скорость смачивания V1=0,171 град/сек; V11=0,186 град/сек), взаимодействия (k=0,3127210-7 сек-1; w=0,61580210-13 моль/сек, порядок реакции по криолиту 1) огнеупора ШПДм-45. впервые установлено, что титансодержаший длиннопризматический муллит наряду с титансодержащей стеклофазой более стоек к воздействию фторид-иона, чем короткопризматический, так как не происходит его переход в прагит за счет уноса кремния.

Впервые иммерсионным методом определены оптические свойства фторидов FeF2, FeF3, FeFx, CaF, уточнен состав твердого раствора . Проведена промышленная апробация огнеупора ШПДм-45 на ОАО «ЗАлК» в качестве материала огнеупорного слоя катода. ТЭП получения алюминия при этом улучшились (относительный расход электроэнергии уменьшился на 4,91%, выход по току вырос на 1%). Установлена техническая целесообразность применения данного огнеупора.

Ключевые слова: материалы катода, агрессивные газообразные побочные продукты электролиза, макро-, микроструктура, механизм превращений, эксплуатационные свойства, коррозионная стойкость, особенности химико-минералогического строения.

Annotation

SharapovaV.V. Improvement of performance properties of lining materials of aluminum cell due to enhancement of their structural and phase characteristics. - Manuscript.

Dissertation for scientific degree of the candidate of technical sciences on speciality 05.02.01 - Materials science. - State Enterprise “Ukrainian Special Steels Institute”, Zaporozhye, 2009.

The purpose of this dissertation is to improve the period of trouble-free operation of aluminum electrolytic cell lining elements based on the study of degradation of properties of currently used materials and optimization of technical requirements for the lining. Corrosive gaseous electrolysis byproducts influence upon cathode lining material service life has been shown in the work. Reasons for short service life of currently used cathode lining materials under conditions of ZALK have been determined. It has been established that refractory materials with improved macro and microstructure, mechanical and performance characteristics shall be used for aluminum cell lining. Based on the studies carried out alumina-silicate refractory, i.e. blast-furnace dense chamotte with addition of mullite-corundum chamotte and titanium-containing kaolin has been developed and used for refractory layer. Industrial testing of ShPDM-45 refractory material has shown technical expediency of its use allowing to recommend it as a material for the refractory layer of aluminum electrolytic cell lining for bottom blocks containing 50% of graphite.

Key words: cathode materials, corrosive gaseous electrolysis byproducts, macro- microstructure, transformation mechanism, performance properties, corrosion resistance, peculiarities of chemical-mineralogical structure.

Размещено на Allbest.ur