автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.07, диссертация на тему:Исследование формирования термопрочностных свойств катодных блоков и их взаимосвязь с параметрами ультразвукового контроля

На правах рукописи

/ / ФЕЗ 2,:] РГБ од

2 8 НОЯ 2000

Бабкин Михаил Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕРМОПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ КАТОДНЫХ БЛОКОВ И ИХ ВЗАИМОСВЯЗЬ С ПАРАМЕТРАМИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ

05.17.07 - Химическая технология топлива

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2000

Работа выполнена в открытом акционерном обществе "Уральский электродный институт" (ОАО "Уралэлектродин").

Научный руководитель - доктор технических наук

Апалькова Г. Д. Научный консультант - кандидат технических наук

Негуторов Н.В.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор, академик МААНОИ. Заслуженный деятель науки и техники РФ Мочалов В.В.

Доктор физико-математических наук, про<1>сссор Байтингср Е.М.

Ведущее предприятие: открытое акционерное общество "Челябински» электродный •завод''.

Защита диссертации состоится "у 2000 г. в

_мин. на заседании диссертационного совета Д 141.03.01 при Восточноч

научно-исследовательском углехимическом институте (ВУХИН) по адресу 620219. г. Екатеринбург, ул. 8 Марта. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан "_"_2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

У

Л.Я.Рытникова

¡\424.5Z-

^ЯЬЯ У///>_ Г)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Современные требования. предъявляемые отечественными и >убежными потребителями к качеству катодных блоков, обусловлены зышением мощности алюминиевых электролизеров, высокой стоимостью шильного ремонта, экологическими проблемами.

Электролизеры существующих конструкций имеют потенциальный срок ,жбы 3000 суток. В России в настоящее время оптимальный срок службы ггавляет 1200 суток. Увеличение срока службы электролизеров возможно при .чтении комплекса показателей: технологии эксплуатации, монтажа и пуска 1ины. а также материала подины. Статистика эксплуатации электролизеров казывает. что выход из строя по причине низкого качества углеродных териалов и плохого монтажа составляет около 30% от общего числа выходов.

В настоящий момент у отечественных потребителей и изготовителей годных блоков не существует единого мнения в оценке их качественных казателей. Общепринятым считается, что дм достижения высокого срока >жбы подины катодные блоки должны обладать достаточно низкой натриевой формацией, устойчивостью к химическом)" и абразивному износу, малой :пршшчивостью к процессам, связанным с реакциями и кристаллизацией лей в теле блоков и под подиной, стойкостью к термическому удару. Однако, иного подхода в оценке предельных численных значений наиболее важных казателей качества катодных блоков не существует. Не достигнуто также гласия в определении приоритетных показателей качества, которые отразили [ в себе основные, наиболее важные эксплуатационные характеристики годных блоков. \

Требования к качеству материала катодных блоков, вытекающие из ловий эксплуатации, можно сгруппировать в два основных комплексных нкциональных показателя: термопрочность в процессах заливки блюмса гуном. обжига подины и эксплуатации; стойкость к абразивному износу и триевому разрушению в процессе эксплуатации.

Одновременного высококачественного выполнения требований, ражаемых обеими функциями, на практике достигнуть трудно. Увеличение противления абразивном)' и натриевому износ)' ведет к повышению твердости плотности .материала блоков, что снижает термопрочность. И, наоборот, сличение термопрочности не всегда связано с увеличением стойкости к разивному износу. Оптимальным хтя практического осуществления »отставляется следующий вариант: на электродных заводах производить гсокотермопрочные блоки, а защиту от натрия и абразивного износа проводить потребителя блоков путем нанесения защитного покрытия на поверхность оптированной подины.

В сил)' особенностей технологии производства и условий эксплуатации годных блоков показателем качества, объединяющим требования к физико-ханическим свойствам, является термопрочность. К показателям качества посредственно влияющим на эксплуатационн)то стойкость блоков, следует оке

отнести характер распределения физико-механических свойств по длине и сечению блока и степень дефектности материала.

Действующие Технические условия не в полной мере характеризуют эксплуатациоиную стойкость катодных блоков в целом и слабо отражают требования потребителя к качеству материала, в особенности к величине термопрочности, как основном)- критерию работоспособности высокотсрмонагруженны.х конструкций.

Требования к уровню физико-механических свойств материала катодных блоков, обеспечивающих высокую термопрочность, наиболее полно и достоверно могут быть определены методом математического моделирования, который позволяет оперативно исследовать различные ситуации, возникающие в практике производства, монтажа и эксплуатации катодных блоков.

Одним из механизмов реализации критерия термопрочности катодных блоков .может служить ультразвуковой контроль качества, а сравнительным параметром - скорость прохождения ультразвука в изделии. Выбор неразрушающего ультразвукового метода контроля качества катодных блоков обусловлен необходимостью контроля каждого изделия, так как выход из строя хотя бы одного блока приводит к отключению всего электролизера.

Таким образом, в настоящее время не установлены качественные характеристики, критерии и способы оценки термопрочностных свойств при производстве и эксплуатации катодных блоков.

Цель работы: повышение термопрочности катодных блоков при производстве и эксплуатации.

Для достижения поставленных целей решались следующие основные

задачи:

1 .Разработать методы исследования механического поведенш крупнозернистых углеграфитовых материалов.

2.Исследовать характер распределения по объему изделия и степсш неоднородности физико-механических свойств, определяющих уровеш тер.мопрочности катодных блоков.

3.Разработать методические основы оценки уровня термопрочносп катодных блоков на базе методов математического моделирования г ультразвукового контроля.

4.Исследовать влияние компонентного и гранулометрического состав; наполнителя на тсрмопрочностные свойства катодных блоков на основ« параметров ультразвукового контроля.

Научная новизна работы.

1.Проведено экспериментальное исследование и получен! систематизированные данные о характере распределения физико-механически: свойств по объему катодных блоков. Экспериментально и расчетным путе: установлено значительное влияние неоднородности механических свойств н уровень тсрмопрочности катодных блоков.

2.Разработан способ оценки уровня термопрочности катодных блоков по амстрам ультразвукового контроля. Определены критерии ультразвукового троля качества катодных блоков в соответствии с уровнем термопрочности.

3.С помощью разработанного метода изучено влияние наполнителя на мопрочностные свойства катодных блоков. Выявлено, что термопрочностные йствз катодных блоков зависят от компонентного и фракционного состава олнителя. Показано, что эффективным путем повышения термопрочности и отоспособности катодных блоков является регулирование компонентного гава графитового наполнителя и фракционного состава термоантрацита, сазана эффективность применения ультразвукового метода для оценки нологических факторов производства катодных блоков.

Практическая ценность работы.

1.Получены систематизированные данные о характере и уровне днородности физико-механических свойств катодных блоков.

2.На основе параметров ультразвукового контроля разработан способ opa проб для механических испытаний материала катодных блоков.

3 .Разработан метод оценки уровня термопрочности катодных блоков по амстрам ультразвукового контроля, позволяющий оценить уровень днородност и механических свойств и степень дефектности материала блоков.

Методика ультразвукового контроля качества катодных блоков внедрена Братском. Красноярском. Иркутском. Волгоградском. Запорожском, ю кузнецком. Уральском. Богословском алюминиевых заводах, работанный способ формирования подин из катодных блоков по параметрам тразвукового контроля применяется на Челябинском и Новосибирском ктродных заводах.

Материалы работы использовались при разработке новой редакции ;н1Р1сских условий " Блоки подовые ятя алюминиевых электролизеров" в '8-1999 годах.

Апробация работы.

Содержание работы по отдельным разделам докладывалось на кдународных семинарах "Алюминии Сибири" в г. Красноярске в 1995. 1996. >7. 1998 годах, на 2м Научно-техническом семинаре "Основные проблемы и и совершенствования электродной технологии" в 1998 г. (т. Новочеркасск).

По результатам выполненных экспериментальных исследований бликовано 12 печатных работ и 2 авторских свидетельства на изобретения.

Диссертационная работа выполнена в открытом акционерном обществе эальский электродный институт" (ОАО "Уралэлектродин").

Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, биографического списка из 110 наименований, приложения и содержит страниц, включая основной текст. 11 таблиц. 36 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

ВВЕДЕНИЕ. Показана актуальность работы и обосновано направление тедований. сформулированы цель и задачи работы и основные положения, осимые на защиту.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. Анализ литературных данных показывает что требования, предъявляемые потребителями к уровню физико-механичесют свойств катодных блоков, отличаются противоречивостью. Исследована характера разрушения подины электролизера показали, что при всех разнообразии способов обжига и пуска электролизеров неблагоприятньп фактором является неравномерное распределение температур при нагрев« подины, приводящее к возникновению локальных концентраций напряжений I деформаций. В результате превышения напряжениями своих предельны: значений в материале блоков возникают микро- и макротрещины. В связи с этил на первый план выдвигаются механические и театофизическне характеристик! катодных блоков и. прежде всего, термопрочность, как величина, лимитирую ща: трещинообразование и разрушение подины.

В настоящее время отечественные производители и потребители 1 оценке качества катодных блоков ориентируются на Технические условия СП 48-12-21-95 "Блоки подовые для алюминиевых электролизеров"), в которы: регламентируются физико-механические свойства. не связанные I тсрмопрочностью. Оценка физико-механических свойств в катодных блока: согласно действующим ТУ проводится на нескольких изделиях из партии, а н< на каждом, как это принято делать для высокоответственных изделий, каковым! являются катодные блоки. Отсутствуют данные о неразрушающих метода; оценки уровня тсрмопрочности катодных блоков и физико-механически: свойств ее определяющих.

Для контроля качества углеродных изделий широкое применен» получил ультразвуковой метод, информативным параметром которого служи-скорость ультразву ка. Однако отсутствуют данные о критериях ультразвуковой контроля качества катодных блоков. Не установлены у льтразву ковые нормативь показателей, характеризующих термопрочностное поведение катодных блоков неоднородности распределения физико-механических свойств материала блоко! и степени дефектности. Отсутствуют также сведения о стопроцентно.х у льтразву ковом контроле качества катодных блоков как у производителя, так и ; потреб1ггеля.

Таким образом, возникает потребность в проведении исследований н; основе экспериментальных, расчетных методов и параметров неразрушаюшеп ультразвукового контроля качества, направленных на повышение уровн: термопрочности и работоспособности катодных блоков.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Объектами исследовани являлись катодные блоки длиной от 1000 до 2200 мм. изготовленные по ТУ 48 12-21-95 "Блоки подовые для алюминиевых электролизеров" методов эксгрузионного прессования.

Диапазон свойств исследуемых углеграфитовых материалов охватыва; кажущаяся плотность - 1.49... 1.56 г/см3, модуль упругости - 3... 11 ГПа.

От разных партий катодных блоков, удовлетворяющих требованиям Т 48-12-21-95. были отрезаны пластины толщиной 150 мм. Пластины отрезалис перпендикулярно продольной оси блока и имели форму его поперечно! сечения. Каждая пластина одинаково размечалась не менее чем на 20 равных

участков, равномерно распределенных по сечению. Из этих участков перпендикулярно оси прессования изготавливались образцы, на которых определялись механические и теплофизпческие свойства. Значения показателей из одинаковых участков разных пластин усреднялись по совокупности пластин. Таким образом бьио получено распределение усредненных значений каждого из механических и теплофизических свойств катодных блоков в плоскости поперечного сечения.

Объемная плотность и модуль упругости углеграфитового материала подовых блоков определялись на цилиндрических образцах размером 70x120 мм с относительной погрешностью не более 1% и 4% соответственно. Модуль упругости определяли ультразвуковым методом с помощью ультразвукового прибора УК-14ПМ.

Определение предела прочности на растяжение проводилось на галтельны.х образцах диаметром 50 мм и длиной рабочей зоны 120 мм с относительной погрешностью не более 3%.

Определение предела прочности на изгиб проводилось на образцах длиной 180 мм с поперечным сечением 70x70 мм с относительной погрешностью не более 3%.

Коэффициент теплопроводности измеряли на цилиндрических образцах размером 30x40 мм стационарным методом при температуре 20° С с погрешностью не выше 5%.

Коэффициент термического расширения определяли на автоматическом кварцевом дилатометре ДКВ-5А в диапазоне температур 20-200° С с относительной погрешностью 5%.

Неоднородность распределения физико-механических свойств по длине катодных блоков и степень дефектности определяли ультразвуковым методом. В качестве меры неоднородности служила скорость (время) распространения ультразвука в направлении перпендикулярном оси прессования блока, которою измеряли с относительной погрешностью не более 3%.

Напряженно-деформированное состояние в катодных блоках при заливке катодных стержней чугуном оценивалось на основе решения плоской и объемной задач термоупругости методом конечных элементов.

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРУПНОЗЕРНИСТОГО УГЛЕГРАФИТОВОГО МАТЕРИАЛА КАТОДНЫХ БЛОКОВ.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.

Действующие технические условия на катодные блоки в качестве величины, характеризующей механическое поведение блоков, содержат значение предела прочности углеграфитового материала на сжатие. Однако многочисленные исследования расчетными и экспериментальными методами показали, что в подавляющем большинстве случаев разрушение блоков происходит не вследствие сжатия, а в результате растяжения и изгиба.

Испытания на растяжение проводились на галтельных образцах, вырезанных из катодных блоков Челябинского электродного завода с

максимальным размером зерен наполнителя 10 мм. Диаметр рабочей зов образца был принят равным 50 мм.

а длина 120 мм. Для уменьшения влияния неточности крепления образца создания однородного напряженного состояния использовалось шарнир» закрепление захватов с помощью системы карданов.

Выбор метода испытания галтельных образцов обусловлен тем. ч метод диаметрального сжатия не удовлетворяет законам механики разрушения, частности, принципу Сен-Венана о равномерном распределении внутренних си Для крупнозернистых материалов при диаметральном сжатии действующ: механические напряжения по сечению образца распределены неравномерн Максимальные внутренние растягивающие напряжения возникают в зон; контакта образца со сжимающими поверхностями, площадь действия которв невозможно точно определить. В результате, имеет место несовпадсн: значений, полученных методом диаметрального сжатия, с истинным значен!« предела прочности на растяжение.

Результаты определения предела прочности на растяжение, пределы« деформации и предельного секущего модуля, усредненные по всему сеченш представлены в табл. 1.

Таблица

Результаты испытаний на растяжение

М S V.%

о,р. МПа 2.4 0.8 33.3

еВ1, % 0.067 0,02 30,4

Ее«- ГПа 3.67 1.24 33.9

Где М - среднее математическое ожидание:

Б - среднсквадратическос отклонение;

V - коэффициент ¿ариации. У=М/8.

Высокие значения коэффициентов вариации связаны с большим уровн< неоднородности механических свойств материала катодных блоков по сечению.

Диаграммы деформирования образцов нелинейны на всем протяжени Величина нелинейной составляющей деформации сравнима с пол» деформацией. Нелинейная зависимость, заканчивающаяся разру шением, типич для у глеродных материалов. Она частично вызвана напряжениями релаксаци связанными с образованием и закрытием микротрещин в материале. Основ» вклад в нелинейность вносит участок диаграммы предшествующий разрушении

Вид диаграмм деформирования значительно зависит от места вырез образцов по сечению блока. На периферии (особенно рабочей поверхнос блока) деформации и нелинейность ниже, чем в центральной части сечеш Показатели прочности наоборот, выше на периферии и ниже в централь» части сечения. Такое отличие можно объяснить различной структурой материа в этих зонах, формиру емой в процессе изготовления катодных блоков.

ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИИ КАТОДНЫХ БЛОКОВ СО СКОРОСТЬЮ РАСПРОСТРАНЕН' УЛЬТРАЗВУКА.

Для оценки работоспособности катодных блоков важно знать значение хзчности материала на растяжение и статического модуля упру гости в гждом изделии. Определить эти показатели стандартными - разрушающими гтодами - невозможно.

Из неразрушающих методов определения механических свойств териала наиболее оперативным и информативным в настоящее время является [ьтразвуковой метод. Он основан на корреляционной зависимости между «эпическими свойствами и скоростью распространения ультразвука в зтериале.

С целью установления корреляционной зависимости между скоростью гьтразвука и пределом прочности на растяжение и изгиб, а также между •этическим и динамическим модулями упругости, исследовались катодные юки производства Челябинского.электродного завода, табл.2.

Таблица 2.

:зультаты испытаний материала катодных блоков на растяжение и изгиб.

сР а№. МПа с„ ст„„. МПа

1.Объем выборки 28 28 28 28

2.Минимальное значение 1430 1.3 1125 1.3

3.Максимальное значение 2400 3.8 2370 7.5

4.Среднее значение 1850 2.6 1670 4.4

5.СКО 271 0.7 317 1.3

6.Коэффициент вариации. % 14.6 26.9 19.0 29.5

Где авр. ав„ - предел прочности на растяжение и изгиб соответственно.

Ср. С„ - скорость ультразвука в образцах при растяжении и изгибе. По результатам испытаний был проведен регрессионный анализ, олучены корреляционные зависимости предела прочности на растяжение и 5гиб от скорости прохождения ультразвука для материала катодных блоков роизводства Челябинского электродного завода. Корреляционные уравнения 1висимостеи выглядят следующим образом: а„Р'= 0.0022С - 1.65. где гтч, - предел прочности на растяжение. МПа: С - скорость прохождения у льтразвука, м/с. сгы, = 0.0393С - 2.38. где ств„ - предел прочности на изгиб. МПа:

С - скорость прохождения у льтразвука, м/с. Коэффициенты корреляции связей свр - С и С7ВИ — С составили ^ответственно 0.85 и 0.92. на уровне доверительной вероятности 0.95. Относительная среднеквадратическая ошибка б уравнений регрессии составила С>% и 18% соответственно. Ее повышенное значение обусловлено значительным азбросом прочности, коэффициент вариации которой составил 26.9% и 29.5% эответственно.

Определение статического модуля упругости проводилось по иаграммам деформирования образцов при определении механической рочности на растяжение.

Динамический модуль упругости вычислялся по формуле: Един = С:*4 •

Где Ед,ш - динамический модуль упругости. ГПа:

С - скорость прохождения ультразвука в образце, м/с; ¿к - кажущаяся плотность материала. г/см\

Коррелящюнное уравнение зависимости выглядит следующим образом:

ЕД1Ш = 1.33Е„ + 075 (ГПа).

Коэффициент корреляции уравнения составил 0.99.

ИССЛЕДОВАНИЕ УРОВНЯ НЕОДНОРОДНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ В КАТОДНЫХ БЛОКАХ.

Для устойчивой работы г подины алюминиевого электролизера утлеграфитовые катодные блоки должны иметь не только определенный уровень физико-механических свойств, но и быть достаточно однородными.

Неоднородность физико-механических свойств катодных блоков формируется вследствие ряда причин: различия исходных свойств фракций наполнителя, вариации содержания летучих фракций в связующем и наполнителе, метода прессования изделий, условий обжига и др.

Действующие технические условия на катодные блоки не предусматривают нормативных значений уровня неоднородности материала в силу сложности ее определения разрушающими методами.

Установление взаимосвязи между механическими свойствами материала катодных блоков и скоростью ультразвука открывает широкую возможность для определения уровня неоднородности механических свойств неразрушающими методами, причем, не выборочно по партии, а каждого изделия.

Целью проведенной работы явилось установление возможности определения и экспериментальная оценка уровня неоднородности распределения механических свойств по объему катодных блоков. Исследования проводились на катодных блоках производства Челябинского электродного завода.

Характер распределения физико-механических свойств по сечению катодного блока.

Статистические характеристики распределения механических и тепловых свойств углеграфитовых катодных блоков приведены в табл. 3.

Наибольший разброс в поперечном сечении катодного блока имеют механические свойства. Коэффициент вариации модуля упругости и предела прочности на растяжение составил 28% и 33% соответственно. По тепловым свойствам коэффициент вариации не превысил 14%.

На основе полученных данных были построены диаграммы распределения показателей механических свойств в плоскости поперечного сечения блока

Наибольшие значения мехашгчсскис свойства достигают на рабочей и боковых поверхностях блока: плотность - 1.55 г/м3. модуль упругости - 10.0 ГПа. предел прочности на растяжение - 4.0 МПа. Минимальные значения механических свойств расположены в центральной части сечения блока:

плотность - 1,48 г/м\ модуль упругости - 3.0 ГПа. предел прочности на растяжение -1.3 МПа.

Определенных закономерностей распределения теплофизических свойств по сечению блока не было обнаружено. На тепловые свойства катодных блоков условия прессования, по-видимому, оказывают слабое влияние.

Таблица 3.

| Статистические характеристики физико-механических свойств I катодных блоков в плоскости поперечного сечения____

| Показатель физико- • IX. Е Г71р. КТП. КТР.

; механических свойств 1 ч ГПа МПа Вт/м°С 10 7°С

! Объем выборки 45 43 20 46 40

1 Минимальное значение I 1.48 л 1.3 6.1 1.4

| Максимальное значение 1.56 10.5 4.0 9.7 2.5

\ Среднее значение ! 1.52 5.7 2.4 7.6 2.0

| Среднеквадратичное ! 0.02 1.6 0.8 1.0 0.24

| отклонение I

! Коэффициент вариации, "о 1.3 28.1 13.2 12.1

Характер распределения физико-механических свойств по длине катодных блоков.

В качестве оценки неоднородности распределения физико-механических свойств служили среднее значение скорости ультразвука С. коэффициент вариации V и относительная разница Н между максимальным и минимальным значениями скорости ультразвука в изделии, определяемая по форму ле:

Н = ((С,,,, - с„ш,)/с,....)* 1(10%.

Где С,:,.., - максимальное значение скорости ультразвука в катодном блоке, м/с:

С,„ш - минимальное значение скорости ультразвука в катодном

блоке, м/с.

■А----В----- -С

та

ж ><

а

п а

I--0 . С и

и о а. о

ж О

2500 2300 2100 1900 — 1700 1500 1300

О

2 4 6 8

Зона прозеучивания

Рис. 1.Распределение скорости ультразвука по длине катодных блоков производства Челябинского (А). Днепровского (В) и Новосибирского (С) электродных заводов.

Среднее значение скорости распространения ультразвука С коэффициент вариации скорости V определяют характер неоднородное физико-механических свойств по партии катодных блоков. Величина характеризует уровень неоднородности распределения физико-механическ свойств в отдельных блоках.

На рис.1 показано распределение значений скорости прохожден ультразвука по длине катодных блоков производства Челябинска Днепровского и Новосибирского электродных заводов.

Из рисунка видно, что торцы блоков различаются по скорое ультразвука. Это обусловлено вертикальным расположением блоков в каме обжига, при котором, вследствие миграции связующего при нагреве п действием силы тяжести, нижняя часть блока получается более прочной плотной и имеет скорость ультразвука выше, чем верхняя.

Однако в обше.м случае неоднородность распределения физии механических свойств в катодных блоках носит случайный характер. В парт] могут присутствовать изделия как однородные, так и неоднородные с различив характером распределения, табл.4.

Случайный характер и неоднородность распределения механическ свойств следует учитывать при отборе проб для достоверности проведен разрушающих испытаний, регламентированных техническими условиями катодные блоки.

Таблица■

Ха эактсристики неоднородности катодных блоков.

; Ь. ММ 1 С. | С„„ч. м/с | м/с с м/с V. % Н. | Н„,я,. 1 Н..... % 1 % ' '.Ч

! Новосибирский электродный завод

,' 1600 1 2278 2850 1230 ] 12.9 | 13.0 | 47.6 ; 1.6

| Днепровский электродный завод (Укрграфнт)

1 1600 2231 2657 1815 10.8 19.2 30.6 6.:

; 2000 2361 3125 1517 15.1 24.3 48.4 2.1

1 2200 2241 2619 1741 11.9 22.6 43.0 11.

; Челябинский электродный завод

! 1000 1895 2201 1209 11.3 7.9 | 32.1 | О,-

| 1400 1646 2895 1196 21.6 34.8 85.8 13.

1 1600 1776 2750 1122 18.4 14.7 55.0 1.

! 2200 1707 2500 1214 17.5 25.5 60.0 8:

Из таблицы видно, что практически все отечественные катодные блс длиной более 1000 мм отличаются значительным уровнем неоднородное распределения физико-механических свойств

ОЦЕНКА УРОВНЯ ТЕРМОПРОЧНОСТИ КАТОДНЫХ БЛОКОВ РАСЧЕТНЫМ МЕТОДОМ.

В процессе формирования подины алюминиевого электролизера, монтажа и эксплуатации катодные блоки, как и подина в целом, испытывают гермомеханическое нагружение. Любое нарушение сплошности подины, вследствие действия термомеханических напряжений, приводит к необратимым процессам проникновения расплава в цоколь, кристаллизации и образованию :олей под катодными блоками, способствуя подъему подины, возникновению магистральных трещин в блоках и швах, растворению блюмсов и выходу ванны из строя, вследствие большого содержания желез;! в алюминии или физической непригодности для дальнейшей эксплуатации.

Экспериментальные и промышленные испытания влияния различных факторов на работоспособность катодных блоков требуют высоких материальных и временных затрат, и не всегда выполнимы. Вследствие этого лнализ влияния работоспособности катодных блоков проводился расчетным путем на плоских и объемных моделях.

В расчетах в качестве условий нагружения был принят первый этап подготовки катодных блоков к эксплуатации - заливка катодного стержня чу гуном. Рассматривались напряжения, вызванные действием неравномерного нестационарного теплового поля и расширением блюмса.

В объемной модели рассматривались только тепловые напряжения, возникающие от действия неравномерного нестационарного теплового поля. Расчет напряжений, вызванных расширением блюмса в объемной постановке приводит к значительным трудностям и требует более мощного программного и аппаратурного обеспечения.

Расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) в катодном олокс при заливке катодного стержня чу гу ном проводился методом конечных элементов (МКЭ). При этом, в целях упрощения расчетов, считалось, что: материал блока упругий, физико-механические свойства не зависят от температуры, материал анизотропен (величина моду ля у пру гости вдоль блока на 30% выше чем поперек). Заливка ведется посекционно (5 секций), время между заливками секций постоянно и равно 10 минутам. Температура чугуна в начальный момент в залитой секции равна 1400°С. Механическое взаимодействие между блоком и катодным стержнем и влияние окружающей среды не рассматривалось. Размеры блока: длина - 1500 мм. высота - 400 мм. ширина - 550 мм. Размер поперечного сечения катодного стержня: 230x115 мм. При анализе напряжений принималось во внимание, что прочность на сжатие материала, катодных блоков значительно выше прочносги на растяжение. За критерий разрушения (в плоской модели) принималось максимальное растягивающее напряжение.

Тепловое..поле приводит к образованию максимальных напряжений на начальном этапе заливки, когда максимальны градиенты температур. Расширение катодного стержня приводит к возникновению растягивающих напряжений в углу

паза катодного блока при значительном расширении стержня, т. е. г определенного промежутка времени, необходимого для прогрева стержня.

Расчеты показали, что в зоне заливки на поверхности угла возникают сжимающие напряжения. Растягивающие напряжения возникая полке блока в зоне заливки и в углу паза на некотором удалении от гра] ыливаемой секции. Максимальные растягивающие напряжения возникли по.тке блока на 1 минуте при заливке 4 секции блока. Расчет напряжений н;. и 10 мину тах после заливки показал, что величина напряжений уменьшается

Величина действующих напряжений зависит от величины мс упругости материала катодного блока. Увеличение модуля упругости матер катодных блоков приводит к пропорциональному росту действуй напряжений. При величине модуля упругости Е„ = 8 ГПа вели максимальных действу ющих напряжений в области полки блока при залш секции составила 5.95 МПа. а в области угла паза 4.42 МПа - действуй напряжения в области утла паза превысили предел прочности материал растяжение.

Учет неоднородности .механических свойств.

При определении НДС в катодном блоке в расчетах учитыв; неоднородность механических свойств материала блоков. Расчеты провод! как для блоков однородных по свойствам при различных значениях мс упругости, так и для блоков с неоднородным распределением модуля упру 1 по сечению.

Хотя максимальные растягивающие напряжения возникают на по: блока, наиболее уязвимым с точки трещинообразования является угол предел прочности на растяжение материала блока в углу паза в 1.5 раза ь чем на полочке.

Зависимость действующих напряжений (в зоне угла паза) от вели1 модуля упругости показана на рис.2. Так как в расчетах предполагалось уп] поведение материала, то диаграмма представляет собой линейную зависим Более точную зависимость можно получить при учете нелинейности диафг деформирования материала.

О 2 4 6 8 10 Модуль упругости, ГПа

Рис.2.Зависимость действующих в у глу паза блока напряжений (а,. МПа) от величины модуля у пру гости (Е. ГПа).

Расчеты НДС в катодных блоках с \ "четом неоднородности эеделения модуля упругости показали, что максимальные действующие яжения определяются величиной модуля упругости в области полки паза.

МЕТОД УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ОДНЫХ БЛОКОВ.

Знание процесса термонагружения и трещинообразования катодных ов заставляет потребителя проводить тщательный контроль изделий, тающих в эксплуатацию. Одним пз эффективных и показательных ангов контроля качества катодных блоков перед эксплуатацией является д УЗК. позволяющий проводить контроль непосредственно в зонах, опасных |ки зрения трещинообразования.

Для оценки качества катодных блоков ультразвуковым методом льзовались два критерия: критерий по уровню термопрочности и 1стический критерий. Зная корреляционную зависимость скорости развука с пределом прочности на растяжение и модулем упругости, проведя варительныс расчеты НДС в катодном блоке в процессе термонагружения. ожно по уровню скорости ультразвука сравнить действующие в изделии ;омеханнчсские напряжения с пределом прочности.

Статистический критерий позволяет выбрать оптим&тьный диапазон рольного показателя на основе большого числа испытаний изделий по [ой характеристике. В нашем случае - по скорости ультразвука.

На рис.3 представлены зависимости предела прочности материала на яжсние и действующих напряжений от скорости УЗ. Как видно из рисунка, высоких значениях скорости УЗ (модуля упругости материала катодных сов) действующие при термонагр^жении катодного блока напряжения юсходят предел прочности материала на растяжение. При скорости развука превышающей 2650 м/с (время прохождения ультразвука в ¡речном направлении менее 210 мке) существует опасность хрупкого |ушения катодного блока при термическом нагружении.

1 6

1 4 « л4

I с2

I °

X 800 1300 1800 2300 2800 Скорость ультразвука, м/с

-----Действующ напряжения

—■— Предел прочности на растяжение

Рис.3.Зависимость действующих напряжений и предела прочности на гяжение от скорости ультразвука.

Точку равенства действующих напряжений и предела прочности н; растяжение можно принять ¡а верхнее значение критерия оценки качеств; катодных блоков по скорости ультразвука. Область значений скорости ниж 2650 м/с является оптимальной для эксплуатации.

На рис.4 представлена гистограмма распределения значений скоросп ультразву ка в катодных блоках производства Челябинского электродного завода Распределение подчиняется нормальному закону.

При нормальном законе распределения катодных блоков по скоросп ультразву ка минимальная допустимая скорость Сдо„ для ответственных изделий каковыми являются катодные блоки, устанавливается как нижняя границ интервала значений скорости ультразвука на уровне доверительной всроятност; 0.95;

г =г

Где Сс|, - средняя по выборке скорость ультразвука (1958 м/с);

Б - среднеквадратическое отклонение скорости УЗ от среднег значения (213 м/с).

300 250 200 150 100 60 0

K-Sd= 03626 р> 20 LiHiefors р< 05 Shapiro-Wlk W= 97895. р< 0070

* -N

\е 1 . А : ! -. ' Л \ \

jf s, *

/ f 4

t___ -----fcr—-i

1200 1400 1600 180О 2000 2200 2400 2600 Upper Boundaries (x< boundary)

Expected Normal

Рис.4.Распределение значений скорости у льтразвука в катодных блок Челябинского электродного завода.

Согласно этому выражению критерий отбраковки для блоков Ч~ составляет 1532 м/с. то есть 359 мке при базе прозвучивания 550 мм. С учете погрешности и удобства пользования этот критерий можно принять равным 3( мкс. Это означает, что катодные блоки, имеющие время прохождеш у льтразвука 360 мкс и выше, можно считать браком по УЗК. Подобные бло> могут содержать скрытые или явные трещины, однако значительное увеличен1 времени прохождения ультразвука может быть обусловлено также низк< прочностью материала, его высокой открытой пористостью и трешиноватосты Эти блоки скорее следует отнести к категории «рыхлых», низкопрочных ненадежных изделий.

Обнаружение внутренних дефектов в катодных блоках ультразвуковым методом.

Способность ультразвукового метода обнаруживать скрытые дефекты типа несплошностей основана на том, что плоскостной дефект (трещина) на пути ультразвукового импульса задерживает его приход, так как при огибании дефекта удлиняется путь ультразвукового импульса. Следовательно, наличие де<})екта может быть обнаружено по увеличению времени прохождения ультразвука по сравнению с бездефектным участком.

В качестве меры обнаружения дефектов использовалась относительная азница (Н) между максимальным и минимальным значениями скорости льтразв\та в блоке:

Н = ((С,„Л -Сгат)-1)х100%.

где С,,,,« и Стт - максимальное и минимальное значения скорости льтразву ка в одном и том же блоке.

Для установления критерия отбраковки катодных блоков по внутренним ефектам использовался статистический метод. Диаграмма распределения оказателя Н представлена на рис.5. Распределение подчиняется нормальному зкону. Значения критериев согласия приведены в заголовке диаграммы.

но 100 80 60 40 20 0

K S d= 06100 р> 20. lillietors р< 05 Shapiro-VWIkW* 95914.р<0000

■

t - ? ' -

,,..... / Г. " ' 'Â

i - t

Г-,: Л VJ

■5 0 5 10 15

Upper Boundaries fx < boundary

Expected Normal

Рис.5.Диаграмма распределения показателя Н в катодных блоках елябинского электродного завода.

Критерий отбраковки по внутренним дефектам (показатель Н) для атодных блоков Челябинского электродного завода при среднем значении Н = .5% и среднеквадратичном отклонении (СКО) Б = 3.7% составляет 15.9%. С четом погрешности и удобства пользования этот критерий можно принять авным 16%. Это означает, что катодные блоки, имеющие при входном УЗ онтроле значение показателя Н = 16% и выше, с вероятностью 0.95 можно читать браком по внутренним дефектам.

Следует отметить, что высокое значение показателя Н может быть оусловлено также высокой неоднородностью материала катодных блоков, его

высокой открытой пористостью и трещиноватостью. что недопустимо экснлу аташш катодных блоков как ответственных и зделий.

Формирование подин алюминиевых электролизеров нч каю.и блоков однородных но механическим свойствам.

Одним из способов, позволяющим формировать подины с одинако] у ровнем свойств, является метод ультразву кового контроля. Подбор блокон скорости ультразвука обеспечивает снижения уровня нсоднородш механических свойств материала блоков в подине, что. в свою очер стабилизирует тепловой и электрический режимы ванны и соответствс увеличивает срок службы подины.

Работа по формированию подин из катодных блоков близких по физ механическим свойствам проводилась на Братском алюминиевом заводе, (¡юр.мирования подин из сравнительно однородных блоков, распреде;« скорости ультразвука в блоках было условно разбито на три части. Ин словами, совокупность проконтролированных блоков была разделена на категории качества.

В соответствии с проведенной сортировкой было сформирован комплектов блоков для монтажа подин. Однородность механических сво комплекта обеспечивалась тем. что каждый комплект формировался из бл одного сорта.

Сформированные подины были запу щены в эксплуатацию. Ни одн сформированных подин не вышла из строя в первые два года слу жбы.

ВЛИЯНИЕ НАПОЛНИТЕЛЯ НА ПАРАМ Е1 УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ КАТОДНЫХ БЛОКОВ.

Способность метода УЗК в возможности проведения технологичес контроля состоит в том. что он позволяет не только выборочно по па оценивать свойства материала (как это преду смотрено разру шающими мето, в ТУ на подовые блоки), но и контролировать весь объем выпускаемых изд( что особенно важно для неоднородных углеграфитовых изделий. Ои качества изделий методом УЗК проводится не только по средним по па у ровням свойств, но и их стабильности (разбросу) в пределах отдельных б; и выпускаемых партий. Взаимосвязь параметров УЗК контроля с уп{ прочностными свойствами и термопрочностью даст возмож1 прогнозировать эксплуатационную надежность катодных блоков результатам технологического контроля.

Для оценки влияния наполнителя на свойства материала като блоков, был проведен 100%-ный ультразвуковой контроль пяти партий бл отличающихся компонентным составом, общим количеством 845 I Катодные блоки были условно рассортированы по уровню скорости у льтра на четыре гру ппы: первая группа - скорость ультразвука выше 2200 м/с (г прохождения ультразвука в поперечном направлении ниже 250 мке); в группа - скорость от 1830 до 2200 м/с (время прохождения от 250 до 300 третья группа - скорость от 1450 до 1830 м/с (время прохождения от 300 до

с): четвертая группа - брак по УЗК - скорость ниже 1450 м/с (время выше 380 с) табл.5. 6.

Исследуемые партии катодных блоков отличались процентным шржанием термоантрацита и качественными показателями графита. В партии 1 в качестве графитового наполнителя использовался электродный графит и монтированные отходы анодов алюминиевого производства. В партии 2 в качестве графитового наполнителя использовались графитированные-соды утлеграфитовых катодных блоков. В партиях №№ 3. 4. 5 в качестве |фитового наполнителя использовался только электродный графит.

Партия № 2 отличалась от первой небольшим увеличением доли шоантрацита и снижением доли обожженных возвратов. Основной шчительной особенностью партии №2 явилось применение вместо |фитового наполнителя графитированныч возвратов утлеграфитовых катодных жов - "угольного графита".

Партия №3 отличалась от исходной применением только электродного [фита и увеличенным процентным содержанием мелкой фракции хмоантрацита. Партия №4 отличалась от исходной применением только народного графита.

Партия №5 принципиально отличалась от исходной: значительным ¡личением доли термоантрацита и полным исключением из рецептуры пенного кокса и обожженных возвратов.

Таблица 5.

Статистические данные у льтразвукового контроля катодных блоков

\") партии Показатель 1 2 3 4 5 Среднее по заводу

Г. мке 288 288 297 275 271 285

Г. м/с 1910 1910 1852 2000 2030 1930

ГКО 232 259 182 177 134 198

12.1 13.6 9.8 8.9 6.6 10.3

Где Т - время ультразвука в поперечном направлении, мке: С - скорость ультразвука в поперечном направлении, м/с: СКО - среднеквадратичное отклонение; V - коэффициент вариации. %.

Таблица 6.

Процентное распределение катодных блоков по сортам (уровню >рости ультразвука)___ __

№ 1 2 3 4 5 Среднее по

партии заводу

сорт

1 сорт 9.5 18.3 3.0 12.5 20.5 10.7

2 сорт 47.2 25,4 36.0 65.8 60.3 44.5

3 сорт 35.8 39.4 52.0 18.0 19.2 36.3

Брак 7.5 16.9 9.0 3.7 () 8.7

Партия № 1 по своим исходным данным и конечным показателям является близкой к средним показателям качества рядовых катодных блоков.

Контроль катодных блоков партии №2 показал, что при неизменной средней скорости ультразвука, по сравнению с партией №1. увеличилась неоднородность механических свойств - коэффициент вариации возрос на 12.4%. Доля бракованных изделий по УЗК у величилась в 2.3 раза. Наряду с увеличением брака возрос процент изделш с высокой скоростью УЗ (первый сорт). Однако, среди первого сорта более 50% изделий имело скорость ультразвука выше 2500 м/с. что характерно для изделий жестких, низкотермопрочных. склонных к растрескиванию в процессе термонагружения. Данные выходного ультразвукового контроля партии №3 показали небольшое общее снижение скорости у льтразву ка - по сравнению с партией №1 на 3%. При этом уменьшилась неоднородность механических свойств - коэффициент вариации снизился на 19%. Доля бракованных по УЗК изделий возросла на 20%. Основная часть блоков партии №3 принадлежит к третьему сорту и браку, что характеризуется низким уровнем механических свойств и слабой структурной связностью материала.

Резу льтаты у льтразву кового контроля партии №4 по всем показателям превзошли исходную партию. Средняя скорость по партии возросла на 4.7%. коэффициент вариации снизился на 26%. доля брака уменьшилась на 50%. Большая часть - 75% изделий - имела скорость ультразвука не ниже 1830 м/с и не выше 2500 м/с. то есть находилась в оптимальном для эксплуатации диапазоне свойств.

Значительное изменение рецептуры партии №5 отразилось на результатах выходного ультразвукового контроля. Средняя скорость ультразвука - самая высокая среди изготовленных партий - возросла на 6.3%. Понизился уровень неоднородности механических свойств - коэффициент вариациг уменьшился на 45%. Полностью отсутствовали изделия с низким! механическими свойствами - доля брака 0%. Подавляющее большинстве изделий (78%) находилось в оптимальном для эксплуатации диапазоне свойств Партия №5 по своим качественным показателям превышает все предыду щие, чте определяется, в первуто очередь, исключением из рецептуры самого "слабого" компонента - доменного кокса, а также неоднородного и нестабильной компонента - обожженных возвратов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

!.На основе выполненных исследовании разработан метод оцени термопрочности катодных блоков по параметрам ультразвукового контроля.

2.Исследован характер распределения и уровень неоднородности физико-механических свойств по объему катодных блоков. Установлено, что пр! экстру знойном способе прессования блоки имеют более плотну ю периферию 1 рыхлую середину. Наибольший разброс и степень неоднородности по объем; изделий наблюдается по механическим свойствам - пределу прочности н; растяжение и модулю упру гости. Одной из причин образования неоднородности

анических свойств по длине катодных блоков является сегрегация зующего при обжиге изделий.

З.С использованием расчетного метода конечных элементов шовлено. что причиной трещинообразования в катодных блоках при монагружении является превышение действующими напряжениями предела чности на растяжение. Расчеты проведены с учетом уровня неоднородности и актера распределения физико-механических свойств по объему изделия. При :оком уровне неоднородности механическихсвойств, параметром, еделяющим термомеханическое поведение катодных блоков, является ичина модуля упругости материала блоков, который имеет устойчивую реляционную зависимость со скоростью ультразвука. Установлено, что при :оких значениях модуля упругости и. соответственно, при скорости тразвука превышающей 2650 м/с возможно хрупкое разрушение и азование трещин в катодных блоках.

4.0ценка предела прочности на растяжение крупнозернистого материала еграфитовых катодных блоков должна проводиться методами, спечивающими получение "истинного" предела прочности на растяжение, зазцы для таких испытаний должны отбираться из зоны утла паза - места никновения максимальных растягивающих напряжений в процессе плуатации изделия.

5.Для катодных блоков, как высокоответственных изделий, следует (водить стопроцентный ультразвуковой контроль качества, позволяющий нить уровень термопрочности изделии, степень неоднородности анических свойств и наличие внутренних дефектов. Ультразвуковой гтроль катодны-х блоков должен проводиться в направлении, шендикулярном оси блока, под линией паза - в зоне образования ссимальных растягивающих напряжений. Параметром контроля является рость прохождения ультразвука. Критерии ультразвукового контроля одных блоков устанавливаются: верхняя граница - по уровню мопрочности. исходя из расчетом напряженно-деформированного состояния 1 термонагружешш; нижняя граница - на основе статистических данных по роста ультразвука в катодных блоках; критерий дефектности - на основе тистических данных по относительной разнице между максимальным и нимальным значениями скорости ультразвука в изделиях.

6.Для повышения термопрочности и работоспособности подины :ктролизера следует проводить формирование подин из блоков, близких по »метрам ультразвукового контроля. Подбор катодных блоков по параметрам .тразвукового контроля обеспечивает снижение уровня неоднородности (анических свойств материала блоков в подине, что, в свою очередь, билизирует тепловой и электрический режимы ванны и, соответственно. :личивает срок службы подины.

7.Термопрочностные свойства катодных блоков зависят от состава толнителя. На основе параметров ультразвукового контроля установлено, что {юктивным путем повышения тсрмопрочности катодных блоков является улированне компонентного состава графитового наполнителя и фракционного

состава термоантрацита. Использование в рецептуре катодных блоко! графитированных углеграфитовых материалов приводит к значительному росл уровня неоднородности механических свойств по партии. Увеличение дол1 мелкой фракции термоантрацита в рецептуре при неизменном процент! связующего приводит к снижению структурной связности материала и уровш механических свойств. Исключение из рецептуры катодных блоков доменной кокса и обожженных возвратов значительно повышает качественны! характеристики изделий.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ I РАБОТАХ:

1.Бабкин М.Ю., Михайлюк Г.М.. Негуторов Н.В. Неоднородносп физико-механических свойств углеграфитовых подовых блоков.// 1Дветньг металлы. 1997. №2. С 38-40.

2.Бабкин М.Ю., Михайлюк Г.М., Негуторов Н.В. Исследовани неоднородности механических свойств углеграфитовых подовых блоко: ультразвуковым методом.// Цветные металлы. 2000. №3. С 98-101.

3.Бабкин М.Ю., Михайлюк Г.М.. Негуторов Н.В. Оценка предел прочности на растяжение материала подовых блоков ультразвуковым методом/ Цветные металлы. 2000. №5.

4.Бабкин М.Ю.. Негуторов Н.В. Обоснование проведени неразрушающего метода контроля для оценки качества подовых блоков подовых секций. Международный научный семинар "Алюминий Сибири -95' Сб. докладов. Красноярск. 1996. 322 с.

5.Бабкин М.Ю., Михайлюк Г.М.. Негуторов Н.В. Ультразвуково контроль подовых блоков и подовых секций. . Международный научный семина "Алюминий Сибири -96": Сб. докладов. Красноярск. 1997. - 314 с.

6.Бабкин М.Ю., Негуторов Н.В.. Михайлюк Г.М. Совершенствовани подхода к оценке качественных показателей подовых блоков В Россш Международный научный семинар "Алюминий Сибири -97": Сб. докладе» Красноярск. 1998. -315 с.

7.Бабкин М.Ю., Михайлюк Г.М.. Сергеев В.В.. Негуторов Н.В. Оцень термопрочности углеграфитовых катодных блоков ультразвуковым методои Международный научный семинар "Алюминий Сибири -98": Сб. доклада Красноярск. 1999. - 314 с.

8.Бабкин М.Ю., Михайлюк Г.М., Негуторов Н.В. Обнаружат внутренних дефектов в подовых блоках ультразвуковым методом.// Сборнг ОАО "Уралэлсктродин". Челябинск. 1998. - 136 с.

9.Ссргсев В.В., Бабкин М.Ю.. Негуторов Н.В. Прочностные, упругие деформационные свойства материала подового блока. Международный научны семинар "Алюминий Сибири -98": Сб. докладов. Красноярск. 1999. - 314 с.

Ю.Негуторов Н.В.. Михайлюк Г.М.. Бабкин М.Ю. Ультразвуковс контроль доменных блоков.// Сталь. 1998. №6. С. 10-12.

ВВЕДЕНИЕ.

I .СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1 .Требования к уровню качества углеграфитовых катодных блоков.:.

1,2.Неразрушающие методы исследования материалов.

2.МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 .Описание объектов исследования.

2.2.Методы исследования.

2.3.Методика определения скорости распространения ультразвука в углеродных изделиях.

3.ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРУПНОЗЕРНИСТОГО УГЛЕГРАФИТОВОГО МАТЕРИАЛА

КАТОДНЫХ БЛОКОВ.

3.1 .Механические свойства крупнозернистого углеграфитового материала.

3.2.Взаимосвязь механических свойств материала катодных блоков со скоростью распространения ультразвука.

3.2.1 .Механическая прочность на растяжение и изгиб.

3.2.2.Статический и динамический модули упругости.

3.3.Исследование уровня неоднородности распределения механических свойств в углеграфитовых катодных блоках.

3.3.1 .Характер распределения физико-механических по сечению катодного блока.

3.3.2.Характер распределения физико-механических свойств по длине катодных блоков.

4.ОЦЕНКА УРОВНЯ ТЕРМОПРОЧНОСТИ УГЛЕГРАФИТОВЫХ

КАТОДНЫХ БЛОКОВ РАСЧЕТНЫМ МЕТОДОМ.

4.1 .Плоская модель.

4.1.1 .Температурные напряжения в катодном блоке.

4.1.2.Температурные напряжения от расширения катодного стержня.

4.2.0бъемная модель.

5. МЕТОД УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА

КАТОДНЫХ БЛОКОВ.

5.1.Критерии оценки качества катодных блоков ультразвуковым методом.

5.1.1 .Критерий по уровню термопрочности.

5.1.2.Статистический критерий.

5.2.Обнаружение внутренних дефектов в катодных блоках ультразвуковым методом.

5.3.Формирование подин алюминиевых электролизеров из катодных блоков однородных по механическим свойствам.

6.ВЛИЯНИЕ НАПОЛНИТЕЛЯ НА ПАРАМЕТРЫ

УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ КАТОДНЫХ БЛОКОВ.

Современные требования, предъявляемые отечественными и зарубежными потребителями к качеству катодных блоков, обусловлены повышением мощности алюминиевых электролизеров, высокой стоимостью капитального ремонта, экологическими проблемами.

Электролизеры существующих конструкций имеют потенциальный срок службы 3000 суток. В России в настоящее время оптимальный срок службы составляет 1200 суток. Увеличение срока службы электролизеров возможно при улучшении комплекса показателей: технологии эксплуатации, монтажа и пуска подины, а также материала подины. Статистика эксплуатации электролизеров показывает, что выход из строя по причине низкого качества углеродных материалов и плохого монтажа составляет около 30% от общего числа выходов.

В настоящий момент у отечественных потребителей и изготовителей катодных блоков не существует единого мнения в оценке их качественных показателей. Общепринятым считается, что для достижения высокого срока службы подины катодные блоки должны обладать достаточно низкой натриевой деформацией, устойчивостью к химическому и абразивному износу, малой восприимчивостью к процессам, связанным с реакциями и кристаллизацией солей в теле блоков и под подиной, стойкостью к термическому удару. Однако, единого подхода в оценке предельных численных значений наиболее важных показателей качества катодных блоков не существует. Не достигнуто также согласия в определении приоритетных показателей качества, которые отразили бы в себе основные, наиболее важные эксплуатационные характеристики катодных блоков.

Требования к качеству материала катодных блоков, вытекающие из условий эксплуатации, можно сгруппировать в два основных комплексных функциональных показателя: термопрочность в процессах заливки блюмса чугуном, обжига подины и эксплуатации; стойкость к абразивному износу и натриевому разрушению в процессе эксплуатации.

Одновременного высококачественного выполнения требований, отражаемых обеими функциями, на практике достигнуть трудно. Увеличение сопротивления абразивному и натриевому износу ведет к повышению твердости и плотности материала блоков, что снижает термопрочность. И, наоборот, увеличение термопрочности не всегда связано с увеличением стойкости к абразивному износу. Оптимальным для практического осуществления представляется следующий вариант: на электродных заводах производить высокотермопрочные блоки, а защиту от натрия и абразивного износа проводить у потребителя блоков путем нанесения защитного покрытия на поверхность смонтированной подины.

В силу особенностей технологии производства и условий эксплуатации катодных блоков показателем качества, объединяющим требования к физико-механическим свойствам, является термопрочность. К показателям качества, непосредственно влияющим на эксплуатационную стойкость блоков, следует также отнести характер распределения физико-механических свойств по длине и сечению блока и степень дефектности материала.

Действующие Технические условия не в полной мере характеризуют эксплуатационную стойкость катодных блоков в целом и слабо отражают требования потребителя к качеству материала, в особенности к величине термопрочности, как основному критерию работоспособности высокотермонагруженных конструкций.

Требования к уровню физико-механических свойств материала катодных блоков, обеспечивающих высокую термопрочность, наиболее полно и достоверно могут быть определены методом математического моделирования, который позволяет оперативно исследовать различные ситуации, возникающие в практике производства, монтажа и эксплуатации катодных блоков.

Одним из механизмов реализации критерия термопрочности катодных блоков может служить ультразвуковой контроль качества, а сравнительным параметром - скорость прохождения ультразвука в изделии. Выбор неразрушающего ультразвукового метода контроля качества катодных блоков обусловлен необходимостью контроля каждого изделия, так как выход из строя хотя бы одного блока приводит к отключению всего электролизера.

Таким образом, в настоящее время не установлены качественные характеристики, критерии и способы оценки термопрочностных свойств при производстве и эксплуатации катодных блоков.

Цель работы: повышение термопрочности катодных блоков при производстве и эксплуатации.

Для достижения поставленных целей решались следующие основные задачи:

1 .Разработать методы исследования механического поведения крупнозернистых углеграфитовых материалов.

2.Исследовать характер распределения по объему изделия и степень неоднородности физико-механических свойств, определяющих уровень термопрочности катодных блоков.

3.Разработать методические основы оценки уровня термопрочности катодных блоков на базе методов математического моделирования и ультразвукового контроля.

4.Исследовать влияние компонентного и гранулометрического состава наполнителя на термопрочностные свойства катодных блоков на основе параметров ультразвукового контроля.

Научная новизна работы.

1 .Проведено экспериментальное исследование и получены систематизированные данные харакгера распределения физико-механических свойств по объему катодных блоков. Установлено значительное влияние неоднородности механических свойств на уровень термопрочности катодных блоков.

2.Разработан способ оценки уровня термопрочности катодных блоков по параметрам ультразвукового контроля. Определены критерии ультразвукового контроля качества катодных блоков в соответствии с уровнем термопрочности.

3.С помощью разработанного метода изучено влияние наполнителя на термопрочностные свойства катодных блоков. Выявлено, что термопрочностные свойства катодных блоков зависят от компонентного и фракционного состава наполнителя. Показано, что эффективным путем повышения термопрочности и работоспособности катодных блоков является регулирование компонентного состава графитового наполнителя и фракционного состава термоантрацита. Показана эффективность применения ультразвукового метода для оценки технологических факторов производства катодных блоков.

Практическая ценность работы.

1.Получены систематизированные данные о характере распределения и уровне неоднородности физико-механических свойств катодных блоков.

2.На основе параметров ультразвукового контроля разработан способ отбора проб для механических испытаний материала катодных блоков.

3.Разработан метод оценки уровня термопрочности катодных блоков по параметрам ультразвукового контроля, позволяющий оценить уровень неоднородности механических свойств и степень дефектности материала блоков.

Методика ультразвукового контроля качества катодных блоков внедрена на Братском, Красноярском, Иркутском, Волгоградском, Запорожском, Новокузнецком, Уральском, Богословском алюминиевых заводах. Разработанный способ формирования подин из катодных блоков по параметрам ультразвукового контроля применяется на Челябинском и Новосибирском электродных заводах.

Материалы работы использовались при разработке новой редакции Технических условий "Блоки подовые для алюминиевых электролизеров" в 1998-1999 годах. 9

Апробация работы.

Содержание работы по отдельным разделам докладывалось на международных семинарах "Алюминий Сибири" в г. Красноярске в 1995, 1996, 1997, 1998 годах, на 2м Научно-техническом семинаре "Основные проблемы и пути совершенствования электродной технологии" в 1998 г. (г. Новочеркасск).

По результатам выполненных экспериментальных исследований опубликовано 12 печатных работ и 2 авторских свидетельства на изобретения.

Диссертационная работа выполнена в открытом акционерном обществе "Уральский электродный институт" (ОАО "Уралэлектродин").

Автор выражает искреннюю благодарность доктору технических наук Апальковой Г.Д., кандидату технических наук Негуторову Н.В., кандитату технических наук Михайлюку Г.М., младшему научному сотруднику Сергееву В.В. и другим коллегам, оказавшим поддержку и помощь в выполнении работы и обсуждении результатов.

Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, библиографического списка из 110 наименований, приложения и содержит 136 страниц, включая основной текст, 11 таблиц, 36 рисунков.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1.На основе выполненных исследований разработан метод оценки термопрочности катодных блоков по параметрам ультразвукового контроля.

2.Исследован характер распределения и уровень неоднородности физико-механических свойств по объему катодных блоков. Установлено, что при экструзионном способе прессования блоки имеют более плотную периферию и рыхлую середину. Наибольший разброс и степень неоднородности по объему изделий наблюдается по механическим свойствам - пределу прочности на растяжение и модулю упругости. Причиной образования неоднородности механических свойств по длине катодных блоков является сегрегация связующего при обжиге изделий.

3.С использованием расчетного метода конечных элементов установлено, что причиной трещинообразования в катодных блоках при термонагружении является превышение действующими напряжениями предела прочности на растяжение. Расчеты проведены с учетом уровня неоднородности и характера распределения физико-механических свойств по объему изделия. При высоком уровне неоднородности механических свойств, параметром, определяющим термомеханическое поведение катодных блоков, является величина модуля упругости материала блоков, который имеет устойчивую корреляционную зависимость со скоростью ультразвука. Установлено, что при высоких значениях модуля упругости и, соответственно, при скорости ультразвука превышающей 2650 м/с возможно хрупкое разрушение и образование трещин в катодных блоках.

4.Оценка предела прочности на растяжение крупнозернистого материала углеграфитовых катодных блоков должна проводиться методами, обеспечивающими получение "истинного" предела прочности на растяжение. Образцы для таких испытаний должны отбираться из зоны угла паза - места возникновения максимальных растягивающих напряжений в процессе эксплуатации изделия.

5.Для катодных блоков, как высокоответственных изделий, следует проводить стопроцентный ультразвуковой контроль качества, позволяющий оценить уровень термопрочности изделий, степень неоднородности механических свойств и наличие внутренних дефектов. Ультразвуковой контроль катодных блоков должен проводиться в направлении, перпендикулярном оси блока, под линией паза - в зоне образования максимальных растягивающих напряжений. Параметром контроля является скорость прохождения ультразвука. Критерии ультразвукового контроля катодных блоков устанавливаются: верхняя граница - по уровню термопрочности, исходя из расчетом напряженно-деформированного состояния при термонагружении; нижняя граница - на основе статистических данных по скорости ультразвука в катодных блоках; критерий дефектности - на основе статистических данных по относительной разнице между максимальным и минимальным значениями скорости ультразвука в изделиях.

6.Для повышения термопрочности и работоспособности подины электролизера следует проводить формирование подин из блоков, близких по параметрам ультразвукового контроля. Подбор катодных блоков по параметрам ультразвукового контроля обеспечивает снижение уровня неоднородности механических свойств материала блоков в подине, что, в свою очередь, стабилизирует тепловой и электрический режимы ванны и, соответственно, увеличивает срок службы подины.

7.Термопрочностные свойства катодных блоков зависят от состава наполнителя. На основе параметров ультразвукового контроля установлено, что эффективным путем повышения термопрочности катодных блоков является регулирование компонентного состава графитового наполнителя и фракционного состава термоантрацита. Использование в рецептуре катодных блоков графитированиых углеграфитовых материалов приводит к значительному росту уровня неоднородности механических свойств по партии. Увеличение доли мелкой фракции термоантрацита в рецептуре при неизменном проценте связующего приводит к снижению структурной связности материала

108 и уровня механических свойств. Исключение из рецептуры катодных блоков доменного кокса и обожженных возвратов значительно повышает качественные характеристики изделий.

1. Зеленкин В.Г., Горбанева J1.B., Апалькова Г.Д. Цветные металлы. 1986. №7. С. 56-57.

2. Чанг X., де Нора В., Секхар Дж.А. Материалы, используемые в производстве алюминия методом Эру-Холла./ Пер. с англ. Полякова П.В. Красноярский государственный университет. Красноярск. 1998. 469 с.

3. Дынкин М.Е., Цыплаков A.M. Цветные металлы. 1987. №12. С. 42-44.

4. Michel C.J. Light Metals, 1985, AIME, 1985, p. 989-1003.

5. Haupin W. Aluminium, 1976, № 7, p.446-448.

6. Belitskus D.//Proc. of the 16 th. Conferense on Carbon. Juni 17-22 -1983. -P. 617-618.

7. Ю.Харченко В.Г., Дмитриев С.А., Дынкин М.Е. Цветные металлы. -1985, -№ 12, с.- 33-38.i 10

8. Горох О.П. Углеродные футеровочные материалы для алюминиевых электролизеров за рубежом. Обзорная информация ГосНИИЭП. -Челябинск, 1986,- 157 с.

9. P.Aeschbach and H.Friedli. Light Metals, 1981, p. 389.

10. Dewing E.W.//Light Metals, v.2. Proc. Jess. A1ME 103 d, 1974, p.879-887.

11. И.Архипов Г.В., Поляков П.В., Баранова A.M., Тихомиров В.Н.// Цветные металлы, №12, 1992, с.28-30.

12. Crulliant J.Т., Chandler H.W.// Light Metals. 1997, p. 437.

13. ASTM С565, "Tension Testing of Carbon and Graphite Mechanical Materials", 1983.

14. ASTM C749, "Tensile Stress-Strain of Carbon and Graphite", 1973.

15. ASTM C695, "Standart Test Method for Compressive Strength of Carbon and Graphite", 1981.

16. DIN 51,910, "Bestimmung der Druckfestigkeit", 1981.

17. Кононов H.M., Лежнев С.В. Малоцикловая прочность конструкционных графитов при пульсирующем сжатии.// Прочность машин и аппаратов при переменных нагружениях. Челябинск: ЧПИ, 1983. - С.90-96.

18. ASTM С 769, "Sonic Velocity in Manufactured Carbon and Graphite Materials for Use in Obtaining an Approxifflate Young's Modulus", 1980.

19. DIN 51, 915, „Bestimmung des Dynamischen Elastizitatsmodulus nach dem Resonanzverfahren", 1984.

20. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов.// Москва: Государственное издательство физико-математической литературы. -1963. 540 с.

21. Биргер И.А., Мавлютов P.P. Сопротивление материалов.// Москва: "Наука" -1986. 560 с.

22. ASTM С 747, "Module of Elasticity and Fundamental Frequencies of Carbon and Graphite Materials by Sonic Resonance", 1974.

23. Kingery W.D. "J. Amer. Ceram. Soc", 1955, V. 38, N1, p. 3-15.

24. Полисар Э.Л., Кочетков Д.В., Абросимов Б.В.//Проблемы прочности. -1980.-№5, с. 57-60.

25. Писаренко Г.С., Гогоци Г.А., Антоненко В.М.//Проблемы прочности.-1979. -№3, с.44-50.

26. Гогоци Г.А. Расчет критериев термостойкости с учетом особенностей деформируемости огнеупоров. "Огнеупоры" , 1977, №5, с. 45-50.

27. Гогоци Г.А. "Проблемы прочности", 1973, №10, с. 26-29.

28. Стрелов К.К., Гогоци Г.А. "Огнеупоры", 1974, №9, с.39-47.

29. Стрелов К.К., Гогоци Г.А., Третьяченко Г.Н. "Проблемы прочности", 1974, №6, с. 17-23.

30. Писаренко Г.С., Руденко В.Н., Третьяченко Г.Н. и др. Прочность материалов при высоких температурах. Киев. "Наукова думка", 1966. 791 с.

31. Hasselman D.P.H. "J. Amer. Ceram. Soc.", 1969, V 52, N11, p. 600604.

32. J.A.Brown and P.J.Rhedy, Light Metals, 1975, p.253.

33. D.Bel itskus, Light Metals, 1978, p.341.

34. S.Sato, K.Sato and Y.Imamura. Carbon 13 (1975) 309.

35. T.Log, J.Melas and B.Larsen, Light Metals (1992) 717.

36. Dupuis M. and Tabsh 1 ./'/Proceedings of the International Symposium on Advances in Production and Fabrication of Light Metals and Metal Matrix Composites, The Metallurgical Society of CIM, 1992, p.55.

37. Hale W.R. JOM 41 (11), 1989, p. 20.430 механизме нарушения сплошности подины в алюминиевом электролизере./ Архипов В.Г.// Красноярск 96.

38. Анализ факторов, влияющих на нарушение сплошности подины. / Архипов В.Г.// Красноярск 97.

39. G.Toia, G.Soletta, U.Plorenzani and A.Z.Rossi, Light Metals (1979), 495.

40. L.Michard, Light Metals, Vol. 1 (1986) 699.

41. G.Concas, F.Gregu and G.Soletta, Paper presented al 117 TMS Am. Meet. , Phoenix, AZ, 1988.

42. B.Larsen and M.Sorlie, Light Metals, (1989) 641.

43. Чернявский A.O. Прочность графитовых материалов и конструкций при малоцикловом нагружении. Челябинск. Изд-во ЧГТУ, 1997.

44. Михайлюк Г.М., Негуторов Н.В. Ультразвуковой контроль графитированных электродов.// Цветные металлы. 1997. №3. С. 44-46.

45. Митропольский А.К. Техника статистических вычислений. М., Наука, 1971, 576 с.54.13арыпаев Э.С., Бондарчук 13.И. Анализ прочности электродного графита на изгиб. Цветные металлы, 1984. № 1 1. С.37-39.

46. Конструкционные материалы на основе углерода. / Научные труды. НИИГрафит. М.: Металлургия, 1977, № 12, с. 192.

47. Кричевский Е.С., Бендарь В.К., Венедиктов М.В. и др. Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов. М.: Энергия, 1980. -240 с.

48. Бендарь В.К. Техника СВЧ-влагометрии. -Минск: Высшая школа, 1974.-352 с.

49. Новобратская И.Ф. и др. "Конструкционные углеграфитовые материалы", 1964, №1, с. 291.

50. Вайншток И.С. Радиоэлектроника в производстве сборного железобетона. Госстройиздат. 1961.64.3ащук И.В. Новые методы испытания дорожных материалов и сооружений без разрушения. Автотрансиздат, 1962.

51. Ультразвук в строительной технике. Сб. под ред. Ю.А.Нилендера. Госстройиздат, 1962.

52. Джонс Р. Испытание бетона без разрушения. Строй издаг, 1964.

53. Davidson T.D. Industrial Carbon and Graphite.Proc. Carbon Conf. London, 1957.

54. Wobschall D., Hammiii H. Proc. 4-th Carbon Conf. N.Y., Pergamon Press, 1960, p. 577-583.

55. Ливинцев В.Д. и др. В сб. "Конструкционные углеграфитовые материалы", 1964, №1, с. 175-189.

56. Бергман JI. Ультразвук и его применение в науке и технике. 1957.

57. МатаушекИ. Ультразвуковая техника. Металлургиздат, 1962. 72.Sclimidt Р. Die Ultraschallanalyse als Zerstörungsfreie

58. Werkstoffuntersuchimg an Hartkohle und Elektrographiten. Schunk und Ebe.-Blatter. 1978, №29, p. 13-16.

59. Muratore J.F., Carleton H.R. The ultrasonic properties of impregnated graphite. 1981. Ultrasonics Syrnp. Proc. IEEE, New York 1981, Vol. 2, pp. 940-944.

60. Hadden W.J., Chew C.H.: Ultrasonics in determining characteristics of coal. 1981. Ultrasonics Symp. Proc. IEEE, New York, 1981. Vol.1, pp. 465-468.

61. Dunnwald H.: Versuche zur Fehlererkennung in Graphit. DAGA Tag. 1980, München, VDE Verlag, p. 463-466.

62. Cook K.V., Simpson W.A.: Jmproved technignes for the ultrasonic characterization of graphite. Oak Ridge Nat. Lab. Oak Ridge, Rep. CONF -811003-5(1981).

63. A.c. №1753221 СССР, МКИ F27B3/08, F27D11/04. Способ установки токоподводов электрической печи сопротивления для графитации углеродных изделий./ Кузнецов Д.М., Михайлюк Г.М., Бабкин М.Ю. (СССР). Приоритет от 20.02.90 г. Дата регистр. 08.04.92 г.

64. Котосонова В.Я., Никишина JI.M. Методы определения модуля упругости на образцах облученного графита. Сб. тр. "Корструкционныс материалы на основе углерода." М.^Металлургия", 1978, с. 131-134.

65. Кузьменко В.А. Звуковые и ультразвуковые колебания при динамических испытаниях материалов. Киев, Изд-во АН УССР, 1963. С. 125.80.3иновкин В.А., Котосонова В.Я. "Заводская лаборатория", 1975, №4, с. 499-500.

66. Foosnaes Т., Jarek S., Oksefjell Т., Oye Н. Ultrasound for quality control of carbon cathode materials. Light Metals, 1990. P.543-545.

67. Варыпаев Э.С., Бондарчук В.И. Определение прочности подовых блоков неразрушающим методом. Сб. "Разработка и освоение новых видов углеродной продукции." Москва, 1987, с.82-87.

68. Варыпаев Э.С., Бондарчук В.И. Определение прочности графитированных ниппелей неразрушающим методом.// Заводская лаборатория. 1985. -№6. - С.63-64.

69. Особенности формирования структуры углеродных материалов и их связь с акустическими параметрами. Бондарчук В.И. Автореферат. Свердловск 1990. 21 с.

70. Волегов Ю.Н., Прохорова Л.В., Рудаков С.А. Выявление дефектов структуры отпрессованных заготовок ультразвуковым методом.// Пути ускорения научно-технического прогресса производства углеродной продукции./ Тезисы докладов и сообщений VI

71. Всесоюзной научно-технической конференции электродной промышленности. Челябинск, 1988. С. 147- 148.

72. Рапопорт Ю.М. Ультразвуковая дефектоскопия изделий из крупнозернистых материалов.// Передовой научно-технический опыт (Государственный научно-исследовательский институт научной и технической информации) № 10-63-34/3, 1965, с.13-25.

73. Иванов И.Н. Об ультразвуковом контроле качества катодных блоков для алюминиевых электролизеров./ Цветные металлы, 1973, №5, с. 38-41.

74. Лукошек И., Гонсиор И. Методы ультразвукового контроля применительно к футеровкам и электродам.// Труды IX Польской конференции по графиту. Челябинск. -1988, с. 514-518.

75. Гребенкин А.Ф., Изотов ПЛ., Козлов В.А., Палснко А.П. Неразрушающий акустический метод контроля углеродных изделий. Цветные металлы. 1994, №2, с.40-41.

76. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1979. -744 с.

77. Бабкин М.Ю., Михайлюк Г.М., Негуторов Н.В.// Цветные металлы. 1997. №2. С. 38-40.

78. Филин А.П. Прикладная механика твердого деформируемого тела. Т.1./М.: Наука. 1975.-832 с.

79. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука. 1971. - 192 с.

80. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука. 1978. - 512 с.

81. Санников А.К. и др. Производство электродной продукции. М.: Металлургия. 1985. - 129 с.

82. Бабкин М.Ю., Негуторов Н.В. Обоснование проведения неразрушающего метода контроля для оценки качества подовых блоков и подовых секций. Международный научный семинар "Алюминий Сибири -95": Сб. докладов. Красноярск. 1996. 322 с.

83. Бабкин М.Ю., Михайлюк Г.М., Негуторов Н.В. Ультразвуковой контроль подовых блоков и подовых секций. Международный научный семинар "Алюминий Сибири -96": Сб. докладов. Красноярск. 1997. 314 с.

84. Бабкин М.Ю., Негуторов Н.В., Михайлюк Г.М. Совершенствование подхода к оценке качественных показателей подовых блоков В России. Международный научный семинар "Алюминий Сибири -97": Сб. докладов. Красноярск. 1998. 315 с.

85. Бабкин М.Ю., Михайлюк Г.М., Сергеев В.В., Негуторов Н.В. Оценка термопрочности углеграфитовых катодных блоков ультразвуковым методом. Международный научный семинар "Алюминий Сибири -98": Сб. докладов. Красноярск. 1999. 314 с.

86. Рапопорт Ю.М. Ультразвуковая дефектоскопия строительных деталей и конструкций. Л.: Строниздат. 1975. - 128 с.

87. Бабкин М.Ю., Михайлюк Г.М., Негуторов Н.В. Обнаружение внутренних дефектов в подовых блоках ультразвуковым методом.// Сборник ОАО "Уралэлектродин" Челябинск. 1998. 136 с.

88. МЕТОДИКА УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ КАТОДНЫХ СПОСОБОМ СКВОЗНОГО ПРОЗВУЧИВАНИЯ (ручной вариант)1201. БЛОКОВ

89. Настоящая методика устанавливает ультразвуковой (УЗ) импульсный метод неразрушающего контроля качества катодных блоков, изготавливаемых по ТУ 48-12-21-95.

90. Методика УЗ контроля основана на связи скорости распространения УЗ колебаний в изделии с его механическими характеристиками и состоит в измерении времени прохождения УЗ колебаний.

91. Методика предназначена для оценки уровня и разброса механических свойств материала блоков, а также для обнаружения скрытых несплошностей типа трещин, инородных включений, участков крупной пористости и трещиноватости.

92. Условия проведения измерений.

93. Условия проведения измерений должны удовлетворять требованиям, изложенным в инструкции по эксплуатации УЗ прибора.

94. Измерения выполняются при температуре окружающего воздуха от -20 до + 40 °С.

95. Поверхность изделия в зоне акустического контакта с УЗ датчиками должна быть чистой и ровной и не содержать явных дефектов (бугров, вмятин, сколов, выбоин).

96. Схема прозвучивания катодных блоков.

97. Измерение времени прохождения ультразвука производится способом сквозного прозвучивания, при котором УЗ датчики устанавливаются соосно на противоположных сторонах изделия, рис. 1.

98. Точки прозвучивания должны быть расположены равномерно по длине блока через 200-300 мм на одном уровне, равном половине высоты блока. Минимальное количество точек прозвучивания указано в таблице 1.