автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Повышение эффективности работы алюминиевых электролизеров путем улучшения свойств минеральной части футеровки катода

На правах рукописи УДК 669.713

Бахтин Александр Арнольдович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ ПУТЕМ УЛУЧШЕНИЯ СВОЙСТВ МИНЕРАЛЬНОЙ ЧАСТИ ФУТЕРОВКИ КАТОДА

Специальность 05Л6.02. «Металлургия черных, цветных и редких металлов»

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск 2005

Работа выполнена в ОАО СУАЛ филиал «Иркутский алюминиевый завод»

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор А.Е.Черных

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор А.Н.Баранов

Кандидат технических наук, с.н.с. Л.В.Черняховский

Ведущая органи ¡ация: «Уральский алюминиевый завод»

Защита диссертации состоится « 14 » июня 2005 г. на заседании Диссертационного совета Д 212.073.02 Иркутского государственною технического университета по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, конференц чал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИрГТУ Автореферат разослан « // » 005 г.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Ученый секретарь диссертационного совота-/Т \ Г профессор ( ! V "^В.МСалов

Актуальность работы. Воздействие агрессивных компонентов расплава электролизной ванны на минеральную часть футеровки цокота является неотъемлемой частью комплекса физико-химических процессов, происходящих при электролитическом разложении глинозема Пористая структура угольной футеровки не является препятствием для проникновения расплава под подину, и инфильтрация последнего в цоколь происходит в течение всего срока эксплуатации электролизера.

Свойства огнеупорной и теплоизоляционной футеровки оказывают непосредственное влияние на эффективность технологического процесса Поэтому подбор и комплектация цоколя материалами с требуемыми свойствами играет важную роль в общей концепции повышения долговечности катодного устройства и поддержания стабильного теплового равновесия, влияющего на энергетические показатели работы электролизера

Целью диссертационной работы является разрабоша рекомендаций, направленных на обеспечение стабильности рабочих характеристик минеральной часш ка1 одной футеровки, гарантирующих высокий срок службы электролизера и сохранение в течение длительного периода теплового и энергетического равновесия вапяы, способствующих достижению высоких технико-экономических показателей работы электролизера

Методы исследования. Для изучения свойств футеровочных материалов использованы методики определения механической прочности на сжатие, водопоглощения, кажущейся геометрической плотности, истинной плотности, общей, открытой и канальной пористости, коэффициента газопроницаемости, коэффициента теплопроводности, коэффициента температурного линейного расширения, времени распространения ультразвука, коррозионной стойкости материалов

Для выполнения практических измерений температуры на наружной поверхности элементов катодного кожуха применен бесконтактный метод замеров температуры электронно-лучевым прибором «пирометр точечный «ТЪегторот! 64/64+»» Визуализация цифровой информации температурных замеров в виде построения изотерм и температурных полей наружных элементов поверхности электролизера осуществлялась разработанной компьютерной программой «Автоматизированный анализ профилей теи«^^-^^^™ пп.а кят"узла

«»С. НАЦИОНАЛЬНА»

электролизера для производства алюминия «Т-поля> » БИВЛИОТЕКА I

3

С.Петср*2рг 09 ПО

ТЖ)

Расчет тепловых и электрических полей алюминиевого электролизера выполнен с использованием компьютерной программы «Filer» (версия 2 52) Исследования формы рабочего пространства (ФРП) электролизеров по данным натурных измерений, а также расчет объемного состава незавершенною производства, эффективной рабочей площади катода осуществлены методом компьютерного моделирования при помощи программы «Vega Soft - расчет ФРП» (версия 1 07)

В работе использованы физико-химические методы исследования материалов, такие как рентгенографический фазовый анализ, визуальный нолуколичествснный атомно-эмиссионный анализ, рептгеноспектральный, химический и фотоколометри-ческий методы анализа

Научная новизна работы заключается в том, что определены основные свойства теплоизоляционных и огнеупорных изделий, оказывающие влияние на коррозионную стойкость футеровки и эффективность работы электролизера

Определены основные свойства сухих барьерных смесей (СБС) различных составов, в том числе их коррозионная стойкость

Установлена взаимосвязь основных физико-механических характеристик шамотных изделий с химической стойкостью к воздействию натрия и фторидов, поступающих в цоколь из электролизной ванны

Определены корреляционные зависимости различных характеристик шамотных изделий от скорости распространения ультразвука (УЗ) Установлен интервал средней скорости распространения УЗ для образцов шамотных изделий, обеспечивающий надежность огнеупорной футеровки и эффективность производственных показателей рабош электролизеров, в том числе - увеличение срока службы

Установлена зависимость температурного поля днища катодного кожуха от состояния футеровки цоколя Разработана компьютерная программа «Т-поля», которая на основе ограниченного набора точек натурных измереттий температуры позволяет производить построение профилей температурных полей соответствующих участков теплового агрегата, совместно с другими технологическими данными определять наиболее верояшые очаги разрушения футеровки катодного устройства, повысить эффективность локального ремонта подины катодного устройшва алюминиевого

электролизера .....

Определено влияние коэффициента неравномерности температурного поля по

днищу катодного кожуха в пусковой период на продолжительность образования на ванне стабильного гарнисажа и время выхода электролизера на стационарный режим

Практическая значимость и реализация результатов работы По результатам исследований проведены промышленные испытания электролизеров с опытными элементами футеровки в цоколе Разработаны и внедрены различные варианты компоновки цоколя катодною устройства. На ОАО СУЛЛ филиал «ИркАЗ-СУАЛ» внедрена комплектация для отдельных категорий футеровочных материалов по данным ультразвукового контроля За счет внедрения компьютерной программы «Т-поля» повышена эффективность локального ремонта подин катодных устройств В 2004 г средний срок службы электролизеров отключенных после локального ремонта составил 10 мес, действующих после локального ремонта - 8,2 мес Результаты выполненных исследований внедрены в электролизном цехе «ИркАЗ-СУАЛ» со среднегодовым экономическим эффектом, начиная с 2001 г. ~ 4,5 млн руб

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на заводских, региональных и международных научно-технических и научно-практических конференциях По материалам диссертационной работы опубликовано 35 научных трудов, в т ч 21 статья, 14 тезисов докладов на конференциях Подано 2 заявки на изобретение, получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ

Объем и структура работы. Диссертационная работа содержит 183 страницы машинописного текста. 75 рисунков, 51 таблицу Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 123 наименований, двух приложений

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введепии обосновывается актуальность диссертационной темы, описываются методы исследования используемые в работе, формулируется цель работы и её научная новизна, изложены основные результаты исследований выносимые на защиту

В первой главе проведен анализ современного состояния производства и применения футеровочных материалов для катодов алюминиевых электролизеров и механизма их разрушения под действием расплава электролизной ванны

Конструкция катодного устройства алюминиевого электролизера предусматривает наличие в цокольной части огнеупоров и теплоизоляции Основным

огнеупорным материалом для российских алюминиевых заводов остается шамот, в основе которого лежит природный минерал муллит (3Ab0v2Si02) В качестве теплоизолятора катодного устройства алюминиевого электролизера традиционно применяется пенодиатомит, зарубежный аналог - кирпичи Moler Широкое применение находят высокоэффективные теплоизоляционные изделия из вермикулита и волластонита

Причиной раннего выхода электролизера из строя является проникновение агрессивных компоненюв расплава электролизной ванны в теплоизоляционные слои катодной футеровки Для защиты теплоизоляции применяются различные барьеры Условно барьеры подразделяют на две группы физические и химические барьеры (иногда применяются комбинированные) Ни один из барьеров не может быть вечным, их цель состоит в том, чтобы затрудните, сдержат!, проникновение натрия, алюминия и электролита в теплоизоляцию поколя Физические барьеры подразумеваются как герметичные (непроницаемые) для компонентов расплава Химические экраны обеспечивают защиту цоколя за счет химической реакции защитного барьерного слоя и проникающего расплава таким образом, чтобы продукты их реакций являлись при данной температуре твердыми веществами, либо очень вязким расплавом Одной из разновидностей химического барьера являются сукне барьерные смеси (СБС)

Огнеупорные материалы, используемые в футеровке катодов алюминиевых электролизеров, подвергаются воздействию компонентов электролита во время всего срока службы электролизера Особенно интенсивно проникновение компонентов расплавленного электролита в катодную футеровку происходит в первые месяцы работы электролизера Внедряющимся в футеровку цоколя расплавом чаще всего является криолит, обогащенный NaF Огнеупорный слой футеровки, который уже скорродировап, может повторно подвергаться воздействию «свежих» порций расплава, и растворимость продуктов реакций в расплаве фторидов также определяет степень коррозионной стойкости огнеупоров Основными продуктами реакций между компонентами электролита и огнеупорной футеровкой являются нефелин NaAlSiO^ альбит NaAIShOs, глинозем р-А120з и «содолитоподобная» фаза NaAlSi04xNaF Основной причиной вспучивания подины является образование Р>-АЬО, Образование алюмосиликатов натрия повышает плотность футеровки

В зависимости от расположения в цоколе и срока службы электролизера исходная теплопроводность футеровочных материалов может значительно возрастать Характер теплопотерь элементами катодного кожуха зависит от состояния цокольной часги катода.

Во второй главе приведены результаты исследований физико-химических свойств футеровочных материалов Разработаны методики и проведены исследования свойств 1еплоизоляционных футеровочных изделий кирпича пенодиаюмитового ПД-400, шамота-легковеса ШЛ-0,5, теплоизоляционных волластонитовых блоков НС Я 20/ НС8 23 (силикат кальция СаБЮз), вермикулитовых изделий различных марок

Наименьшей теплопроводностью из группы изученных материалов обладает волластони) НСЯ 20 Коэффициент его теплопроводности при +20°С составляет -0,118 Вт/мК Оптимальными рабочими характеристиками обладает вермикулитовый теплоизолятор КВИ-500 минимальное изменение геометрических размеров и объема образца при высокотемпературной обработке (-1%), сохранение кажущейся плотности при высокотемпературной обработку высокий предел прочности на сжатие (-1 МИа) и незначительная потеря мехпрочности при высокотемпературной обрабоше (~9 %), наименьший ТКЛР (0,98-10"6 К"1), коэффициент теплопроводности (0,24 Вт/мК)

Испытания материалов на химическую стойкость показали, что все изученные теплоизоляторы имеют низкую реакционную стойкость к воздействию компонентов расплава электролизной ванны и должны быть надежно защищены в цоколе коррозионно-стойким огнеупорным слоем

Проведены исследования коррозиотгой стойкости сыпучих материалов выравнивающей подуптки под подовые секции - кварцевого песка, глинозема и шамотного заполнителя ЗШБ Результаты исследований показали, что использование для подушки кремнезема в чистом виде (кварцевого песка) приводит к образованию под подовыми блоками большого объема жидкой солевой фазы легкоплавкого силиката натрия, увеличению давления на подину и фильтрации расплава в глубь цоколя Глиноземная подушка не является препятствием для проникающих компонентов электролизной ванны Применение в этой зоне цоколя глинозема пе эффективно и не экономично Лучшую стойкость к воздействию электролита и в условиях лабораторного эксперимента показал шамотный заполнитель ЗШБ

В лабораторных условиях разработаны и испытаны несколько составов сухих барьерных смесей (СБС) Для этого впервые применены пылеобразные материалы отходов газоочистки руднотермических печей ЗАО «Кремний» и прокалочных печей цеха анодной массы (ЦАМ) ИркАЗа Испытания проводились в сравнении с промышленно изготовленной СБС-DBM китайского производства Для испытаний материалов на коррозионную стойкость разработана оригинальная методика, основанная на однонаправленном потоке натрия и фторидов через сплошную пористую перегородку в графитовом тигле

Резулыаты исследований показали, что пыль электрофильтров ЦАМ обладает хорошей коррозионной стойкостью, но возникают серьезные трудности при ее уплотнении, укладке в тигель (цоколь катода) Аморфная пыль электрофильтров кремниевого производства обладает высокой химической активностью, полностью реагирует с электролитом и не может быть использована в качестве барьерною материала цоколе электролизера ни в чистом виде, ни в виде смеси с другими компонентами Высокую химическую стойкость к криолит-глиноземному расплаву показала пыль циклонов кремниевого производства Независимо от времени эксперимента и количества реагента, зона проникновения электролита была минимальной, 10 % от высоты уплотненного слоя пыли Лабораторные испытания показали соизмеримую коррозионную стойкость СБС-1ЩГ на основе пыли циклонов газоочистки руднотермических печей с промышленной сухой барьерной смесью DBM производства Claybum Xiangyang Refractory Со Ltd (Китай) Эффективность этих двух СБС подтвердил эксперимент на проникающую способность натрия и фтора сквозь барьерный слой Результаты химическот о анализа образцов шамота, расположенного под слоем защитного материала, показали минимальное содержание фтора и натрия при использовании СБС-ПЦГ и DBM (<0,2 % вес NazO,-0,1% вес F)

Для снижения пыления мелкодисперсных фракций СБС при укладке в цоколь электролизера и последующем уплотнении изучена возможное) ь применения гранулированных материалов Для испытания гранулированных СБС изготовлена лабораторная матрица специальной конструкции (рис 1)

Исследования гран\лированньгх СБС различных сосгавов зашихтовапных из оксидов алюминия кремния, магния и кальция, показали, что лучшую коррозионную стойкость к компонентам электролита имеют СБС по стехиометрии соответствующие

анортиту Са0А]203-28Ю2 и соединению Са0М^А1203-28Ю2 Эти составы

показали, что при ограниченном поступлении расплава в цоколь они способны

приостановить разрушение нижних слоев шамотной футеровки

Рис 1 Матрица лабораторная для испытания сухих барьерных смесей (СБС): I - стальпая матрица; 2 -крышка; 3 - кирпич (шамот), 4 -фрагмент подового блока, 5 - кирпич (шамот), 6 - чехол под термопару; 7 -термопара контроля, 8 - термопара управляющая Материалы- А СБС, В - электролит, С - коксовая крупка; Э -заполнитель шамотный

При использовании гранулированных СБС в катоде электролизера

необходимо обеспечить высокую плотность упаковки гранул для исключения

протека расплава в зону теплоизоляции

Проведены исследования основных физико-химических свойств образцов

шамотных изделий Целью проведенных исследований являлось выявление связи

основных физико-механических характеристик шамотных изделий с химической

стойкостью к воздействию натрия и фторидов Выбор материалов с определенными

свойствами экспресс-методом неразрушающего ультразвукового (УЗ) контроля,

который основан на корреляционной зависимости между механическими

свойствами и скоростью распространения ультразвука в материале.

Для экспериментов использовались шамотные изделия марки ШБ (АО

«Сухоложский огнеупорный завод»), применяемые на «ИркАЗ-СУАЛ» в качестве

01 неупоров для монтажа цоколя катодного устройства Образцы шамотных изделий

подвер1нуты сквозному ультразвуковому прозвучиватшю прибором «Пульсар-1 0» в

трех направлениях по оригинальной методике УЗ исследований материалов

Проведенными исследованиями определены характеристики образцов шамотных

изделий, такие как предел прочности на сжатие; динамический модуль упругости,

температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), водопоглощение,

открытая, истинная и канальная пористость; распределение пор по размерам,

истинная и кажущаяся плотность; коэффициент теплопроводности (рис 2-4)

Испытания шамота на коррозионную стойкость проведены по методу

однонанравленного потока корродиентов через сплошную пористую перегородку в

9

графитовом тигле При оценке коррозионной стойкости учитывалось изменение эффективного объема образцов после опыта, а также фазовый и химический состав образцов после испытаний (рис 5-6)

о о

е- 2 «

1*15-

ч

с 3

о , ! $ 8

05-

у « ЭЕ-07Х2 - 0 0061Х ♦ 10,345 ' КТО 7111"

0 \--

2000

2500 3000 3500 Средняя скорость УЗ, м/с

4000

Рис 2 Зависимость содержания в образцах шамота пор диаметром 20-50 мкм от средней скорости УЗ

2000 2500 3000 3500 Средняя скорость УЗ м'с

4000

Рис 3 Зависимость общей пористости образцов шамота от средней скорости УЗ

Рис 4 Интегральные (а) и дифференциальные (б) кривые распределения пор по размерам в образцах шамота Вщж- 1940-1990 кг/м1

2 3 4 5

Содержание пор 0-5-10 мкм %

Рис 5 Содержание фтора в образцах шамота после опыта в зависимости от содержания пор диаметром 5-10 мкм в исходных образцах

о 0,5 1 1,5

Содержание пор 0=50-100 мкм, %

Рис 6 Содержание натрия в образцах шамота после опыта в зависимости от содержания пор диаметром 50-100 мкм в исходных образцах

Исследования основных физико-химических свойств образцов шамота показали их значительный разброс в пределах одной партии изделий, одного изготовителя Основными показателями, определяющими прочностные свойства материала, которые влияют на физическую долговечность огнеупоров, является модуль упруюсти и предел прочности на сжатие Макроструктура огнеупоров различна и при близких величинах пористости наблюдаются значительные расхождения по величине канальности и распредсленюо пор по размерам, определяющих прочностные свойссва материала Теплопроводность огнеупоров зависит от общей пористости и имеет различные значения, влияющие на равномерность тепловою потока в цоколе На коррозионную стойкость огнеупоров оказывают влияние газопроницаемоеть материала, канальная пористость, а также распределение пор по размерам Проникновение основного количества натрия в огнеупоры активно происходит по канальным порам крупного диаметра 50 - 100 мкм Проникновение основного количества фтора идет по канальным порам диаметра 5-10 мкм Изменение эффективного объема образцов шамота (поверхностного оплавления) зависит от содержания пор крупного диаметра 50- 100 мкм

Скорость УЗ коррелирует с термопрочностными и теплофизическими свойствами огнеупора и может быть использована в качестве информативного показателя при выборе огнеупорного материала Интервал средней скорости УЗ -3000 - 1300 м/с, прозвученных образцов шамота в направлении перпендикулярном оси прессования, позволяет выбрать огнеупорные кирпичи с оптимальными свойствами, обеспечить надежность огнеупорной футеровки и повысить срок службы катодного устройства алюминиевого электролизера

Изучена зависимое! ь температурного поля днища катодного кожуха алюминиевого электролизера от состояния футеровки цоколя катодного устройства При вне/фении электролита и металла в минеральную футеровку огнеупорные и изоляционные материалы претерпевают химические изменения, при этом увеличивается их теплопроводность Возрастает тепловой поток в направлении днища катодного кожуха Это приводит к повышению температуры на наружной поверхности металлического днища кожуха Таким образом, по изменению температуры днища можно судить о состоянии футеровки и теплосопротивлении

цоколя Для оценки состояния футеровки катодного устройства алюминиевого электролизера разработана компьютерная программа «Автоматизированный анализ профилей температурного поля катодного узла электролизера для производства алюминия» («Т-поля») Программа позволяет с высокой точностью аппроксимировать ограниченное количество натурных измерений и производить построение температурных полей соответствующих участков теплового агрегата, совместно с другими технологическими данными определять наиболее вероятные очаги разрушения футеровки катодного устройства. Использование программы «Т-поля» повысило эффективность локального ремонта подин катодных устройств алюминиевых электролизёров.

Разработанные новые технические решения компоновки цоколя перед испытаниями на промышленных электролизерах прошли проверку на компьютерной программе методом математического моделирования Программой расчета тепловых и электрических полей алюминиевого электролизера - «Filer» произведен расчет основных технологических параметров электролизера типа С 8Б с различными вариантами компоновки цоколя, использующими антидиффузионные барьеры и сухие барьерные смеси Сравнение базовой модели электролизера и вновь рассчитанных показало улучшение ряда основных показателей, таких как длина настыли от проекции анода и бортового блока, температура днтца катодного кожуха, рабочее напряжение и величина подведенной энергии при использовании сухой барьерной смеси на основе пыли циклонов газоочистки ЗАО «Кремний» (СБС-ПЦГ) и промышленной смеси DBM китайского производства

В третьей главе приведены результаты исследования эффективности применения сухих барьерных смесей и антидиффузионных барьеров на промышленных электролизерах Содербсрга на силу тока 165 кА

В соответствие с разработанными схемами компоновки цоколя произведен монтаж и пуск опытных электролизеров с СБС-ПЦГ, DBM и антидиффузионными барьерами из листов железа и стекла При монтаже в цоколь катода каждого электролизера произведена закладка десяти термопар В течение всего периода эксплуатации производилось наблюдение за опытными электролизерами в сравнении со свидетелями Состояние футеровки цоколя и эффективность

барьерного слоя оценивалось по температурному полю на днище катодного кожуха Скорость прогрева цоколя и равномерность распределения теплового потока в массиве футеровки катода оценивали по показаниям термопар

Важное значение для монолитности угольной подины и целостности материалов минеральной части футеровки цоколя имеет равномерность распределения температуры в катоде и по днищу катодного кожуха Для количественной оценки равномерности распределения температуры по днищу

где - температура локальных точек днища катодного кожуха, "С, п - количес!во точек измерения температуры

Коэффициент К 1 зависит от тепловою потока в направлении днища ка1 одного кожуха Равномерность теплового потока, индикатором которой является К,, влияет на величину возникающих термомеханических напряжений в подине и цоколе Барьеры в цоколе способствуют снижению интенсивности пропитки футеровочных материалов, верхние слои которых особенно интенсивно подвергаются воздействию диффундирующих компонентов расплава в первые месяцы эксплуатации

Все опытные электролизеры, в отличие от свидетелей, на днище катодного кожуха имели стабильно невысокий коэффициент неравномерности температурного поля К1 0,072-0,084, что способствовало скорейшему выходу электролизеров на стационарный технологический режим. У свидетелей наблюдались резкие колебания Кь что свидетельствует о возникновении дополнительных термомеханических напряжений в материалах катода Это создает предпосылки для нарушения монолитности подины и повышает вероятность протеков расплава вглубь цоколя

По резулыагам обследования температурного поля днища катодных кожухов установлено что средняя температура опытных электролизеров ниже юмпературы свидетелей Это соотношение сохраняется на ваннах с СБС-ГП ТТ в течение, по крайней мере 2-х лет эксплуатации, а с ЭВМ - в течение 3-х лет эксплуатации Для

вычислялся коэффициент неравномерности температурного пеля К, по формуле

(1)

электролизеров с антидиффузионным барьером температура на днище катодного кожуха сопоставима со свидетелями уже на второй год эксплуатации

Эффективность барьеров может быть оценена по продолжительности периода сохранения теплоизоляционных свойств футеровочных материалов цоколя, за счет их меньшей пропитки и сохранения первоначальных характеристик В конечном итоге это влияет на стабильность формы рабочего пространства (ФРП) и эффективную рабочую площадь катода. Опытные электролизеры имеют более короткие и крутопадаютцие настыли, это обеспечивает их стабильное преимущество в эффективной рабочей площади катодов тта протяжении всего срока эксплуатации (-8-12%) В течение исследованного периода эксплуатации (2001-2004 гг) опьпные электролизеры имели более высокий выход по току (-0,6-1,5%) и среднесуточную производительность (-10-20 кг/сут), а также более высокий выход по энергии (-0,61,2 г/кВт-ч) и меньший удельный расход электроэнергии (-130-280 кВт-ч/т А1)

В результате анализа статистических данных по отключениям электролизеров на «ИркАЗ-СУАЛ» получено уравнение зависимости среднего срока службы отключенных электролизеров на конец календарного года (у), от отношения числа действующих электролизеров со сроком службы свыше 36 мес к числу действующих со сроком службы до 36 мес , на начало этого же года (х)'

у = 37,518 х +32,331 (2)

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 Анализ имеющихся в литературе сведений о видах футеровочных материалов для монтажа цокольной части катода алюминиевого электролизера показал, что лучшую коррозионную стойкость к проникающим под подину натрию и фторидам показывают огнеупоры на основе минералов муллита И АЬОз 2S1O2) и кристобалита S1O2 Одним из перспективных направлений является использование сухих барьерных смесей, способных заменить огнеупорную я/или теплоизоляционную части футеровки цоколя Применение барьеров в цоколе катодного устройства позволяет повысить надежность катода и увеличить эффективный срок эксплуатации электролизеров

2 Наименьшей теплопроводностью, из группы изученных материалов, обладает волласшниг HCS 20 (производства «Ferromm Limited», Китай)

Коэффициент его теплопроводности составляет - 0,118 Вт/м К Наиболее полным комплексом оптимальных рабочих характеристик обладает теплоизолятор на основе вермикулита - КВИ-500 Все изученные теплоизоляционные материалы имеют низкую реакционную стойкость к воздействию компонентов расплава электролизной ванны и должны быть надежно защищены в цоколе коррозионно-стойким огнеупорным слоем

3 Использование кварцевого песка для выравнивающей подсыпки под подовые секции приводит к образованию под подовыми блоками большого объема жидкой солевой фазы, увеличению давления на подину и филырации расплава вглубь цоколя Глиноземная подушка не является препятствием для проникающих компоненюв электролизной ванны Шамотный заполнитель ЗШБ показывает хорошую стойкость к воздействию электролита и в условиях лабораторного эксперимента проявляет себя как физический барьер

4 Хорошей коррозионной стойкое тью обладает сухая барьерная смесь состоящая из пыли циклонов газоочисгки рудно-гермических печей ЗЛО «Кремний» - СБС-11ЦГ Из гранулированных СБС различных составов лучшую коррозионную стойкость к компонентам электролита имеют смеси по стехиометрии соответствующие анортиту СаО A1203-2Si02 и соединению Ca0Mg0Al203 2Si02

5 Макроструктура отдельных обра:цов шамота различна и, при близких величинах пористости, наблюдаются значительные расхождения по величине канальное:и и распределению пор по размерам Теплопроводность огнеупоров зависит от общей пористости материала На коррозионную стойкоеib огнеупоров оказывают влияние газопроницаемость материала, канальная пористость и размер пор Проникновение основного количества натрия в огнеупоры активно происходи! по канальным порам крупного диаметра 50 - 100 мкм Проникновение основного количес1ва фтора идет по канальным порам диаметра 5-10 мкм

6 Скорость УЗ коррелирует с термопрочностными и геплофизическими свойствами огнеупора и может быть использована в качестве информативного показателя при выборе огнеупорного материала Интервал средней скорости УЗ -3000 - 3300 м'с прозвученных образцов шамота в направлении перпендикулярном оси прессования, позволяет выбрать огнеупорные кирпичи с оптимальными

свойствами, обеспечить надежность огнеупорной футеровки и повысить срок службы катодного устройства алюминиевого электролизера

7 Тепловой поток, проходящий через цокольную часть катодного устройства, зависит от состояния минеральной части футеровки цоколя Температура на наружной поверхности днища катодного кожуха является индикатором сохранности исходных теплофизических свойств огнеупоров и теплоизоляции Разработанная компьютерная программа «Т-поля» позволила повысить эффективность локального ремонта подины катодного устройства алюминиевого электролизёра В 2004 г средний срок службы электролизеров отключенных после локального ремонта составил 10 мес , действующих после локального ремонта - 8,2 мес.

8 На величитту возникающих термомеханических напряжений в подине и цоколе оказывает влияние распределение теплового потока, индикатором которого является коэффициент неравномерности температурного поля (К,) на днище катодною кожуха Применение барьеров в катодах алюминиевых электролизеров способствует снижению интенсивности пропитки футеровочных материалов, а также стабилизации теплового потока в направлении днища катодного кожуха уже в первые месяцы эксплуатации За счет невысокого и стабильного К, опытные электролизеры с барьерами в цоколе на 5-7 суток быстрее выходят на стационарный технологический режим

9 Условная суммарная прибыль от эксплуатации опытных электролизеров в течение 3-х лет наблюдения (2001-2004 гг) составила ~ 13,5 млн руб Среднегодовой экономический эффект составил ~ 4,5 млн руб

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

1 Бахтин А А, Тумашев А. А Применение барьеров в цоколе электролизеров // Сб научн - исслед работ. - Шелехов, 1999 С. 57-63.

2 Бахтин А А , Сергеев В А , Любушкин В А и др О влиянии состояния футеровки подины на тепловой баланс электролизера Применение нетрадиционных материалов в цоколе // Сб научн -исслед работ «Повышение эффективности действующего производства II научно-практическая конференция» -Шелехов, 2000 С 129-137

3 Бахтин А А , Черных А Е , Любушкин В.А. Изучение коррозионной стойкости минеральной части футеровки цоколя алюминиевого электролизера // Сб научн -исслед работ «11овышение эффективности действующего производства IV научно-практическая конференция» - Шелехов, 2003 С 157-164.

4 Бахтин А А , Любушкин В.А , Сергеев В А. и др Влияние структурных характеристик oi неупорных изделий на стойкость цоколя катода алюминиевого электролизера // Сб научн трудов «Электрометаллургия легких металлов» -Иркутск, 2003 С 73-81.

5 Бахтин А А , Любушкин В А. Сергеев В А. и др Изучение физико-технических характеристик материалов огнеупорной футеровки алюмитгиевого электролизера // Сб научн трудов «Электрометаллургия легких металлов» -Иркутск, 2003 С 63-72

6 Любушкин В А , Сергеев В А , Бахтин А А Опыт проведения локально! о ремонта катодов алюминиевых электролизеров // Тезисы докладов II Региональная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов алюминиевой промышленности Иркутск, 2004 С. 20-21

7 Рагозин Л В , Бахтин А А , Любушкин В А и др Оценка состояния футеровки катодного устройства алюминиевого электролизера на основе анализа температурных полей наружных элементов конструкций // Цветная металлургия 2002, №7. С 36-40

8 Бахшн А А, Черных АЕ, Любушкин В.А Температурное поле наружных элементов конструкций электролизера для производства алюминия -индикатор состояния футеровки катодного устройства // Сб научн трудов «Разработка математического и программного обеспечения для автоматизированною управления некоторыми локальными процессами производства алюминия» - Иркутск, 2002 С 28-40

9 Бахтин А А , Черных А Е Расчет тепловых и электрических полей электролизеров с разными вариантами компоновки цоколя катода // Сб научн -исслед работ «Повышение эффективности действующего производства III научно-практическая конференция» - Шелехов, 2001 С 117-129

10 Любушкин В А , Бахтин А. А , Сергеев В А. и др Сухая выбойка катодов электролизеров // Сб научн трудов «Повышение эффективности действующего производства Материалы II научно-практической конференции» - Шелехов, 2000 С. 138-148

11 Рагозин JT В , Ефимов А А, Любушкин В А , Бахтин А А и др Анализ причин преждевременно! о выхода из строя электролизеров для производства алюминия // Цветные металлы. 2002 №3 С 40-44

12 Любушкин В А., Бахтин А А Изучение катодов алюминиевых электролизеров с низким сроком службы // Сб научн. трудов «Повышение эффективности действующего производства Материалы III научно-практической конференции» - Шелехов, 2001 С 151-160

13 Любушкин В А , Бахтин А А , Сергеев В А Применение сухих барьерных смесей в цоколе электролизера // Тезисы докладов Научно-нрактическая конференция «Современное состояние и перспективы развития алюминиевой промышленности» - Иркутск, 1999 С 34

14 Бахтин А А Основные направления в совершенствовании конструкции катодного устройства электролизера // Сборник научных трудов «Научные и теоретические исследования в металлургии легких металлов» - С-Петербург, 2000 С 119-125

15 Надточий АМ, Сергеев В А., Бахшн А А. Технологии капитального ремонта электролизеров // Цветные металлы Специальный выпуск «40 лет ИркАЗу» 2002 С 24-28

16 Бахтин А А, Сергеев В А, Пимкин Е.В Реализация комплексной программы «Долговечность электролизеров» // Сб научн -исслед работ «Повышение эффективности действующего производства IV научно-практическая конференция» - Шелехов, 2003 С 144-151

17 Любушкин В А, Бахтин А А , Сергеев В А Срок службы электролизеров на ИркАЗе в 2002 году // Тезисы докладов Научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов алюминиевой промышленности Иркутск, 2003 С 20-21

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. -1,0 Уч.-изд.л. -1,0 Тираж400 экз. Зак.

ИД№ 06506 от 26.12.2001 Иркутский государственный технический университет 664074, Иркутск, ул.Лермонтова, 83

»-93 53

РНБ Русский фонд

2006-4 7292

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ ФУТЕРОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ КАТОДОВ АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ И МЕХАНИЗМА ИХ РАЗРУШЕНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ КОМПОНЕНТОВ РАСПЛАВА

ЭЛЕКТРОЛИЗНОЙ ВАННЫ.IО

1.1. Конструкция катодного кожуха. Назначение, местоположение материалов в цоколе и основные требования к ним.

1.2. Основные виды футеровочных материалов, применяемых в алюминиевых электролизерах. Химический состав и основные физико-химические свойства футеровочных материалов.

1.3. Механизм разрушения цокольной части катодов алюминиевых электролизеров. Основные реакции футеровочных материалов с компонентами расплава электролизной ванны.

1.4. Влияние состояния футеровки цоколя на технико-экономические показатели работы электролизера и его тепловую и энергетическую эффективность.

1.5. Выводы.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ

ФУТЕРОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

2.1. Изучение физико-химических свойств футеровочных материалов.

2.2. Исследование зависимости коррозионной стойкости шамотных изделий от их физико-механических свойств. Оценка стойкости огнеупора методом ультразвукового контроля.

2.3. Изучение температурного поля днища катодного кожуха, как фактора состояния футеровки цоколя.

2.4. Разработка технических решений по совершенствованию конструкции футеровки цоколя с использованием математического моделирования.

2.5. Выводы.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СУХИХ БАРЬЕРНЫХ СМЕСЕЙ И АНТИДИФФУЗИОННЫХ БАРЬЕРОВ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРАХ СОДЕРБЕРГА НА СИЛУ ТОКА 165 КА.

3.1. Монтаж, обжиг и пуск электролизеров.

3.2. Эксплуатация электролизеров.

3.3. Анализ и прогноз срока службы электролизеров.

3.4. Выводы.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В условиях современной рыночной экономики, когда каждый производитель первичного алюминия борется за снижение себестоимости металла, значительную долю в этом показателе эффективности производства занимает статья расходов на капитальный ремонт электролизеров. Это особенно актуально для большинства отечественных алюминиевых заводов, на которых уровень технологии и культуры производства на сегодняшний день отстают от ведущих зарубежных производителей.

Высокие требования, предъявляемые к современным футеровочным материалам, определяют их высокую стоимость и общее увеличение затрат на капитальный ремонт электролизеров. Однако повышение надежности катодного устройства, приводящее к увеличению эффективного срока службы электролизера, в конечном итоге, должно окупить рост затрат на футеровку при капитальном ремонте за счет увеличения межремонтного цикла и улучшения производственных показателей работы электролизера.

Воздействие агрессивных компонентов расплава электролизной ванны на минеральную часть футеровки цоколя является неотъемлемой частью комплекса физико-химических процессов, происходящих при электролитическом разложении глинозема. Пористая структура угольной футеровки не является препятствием для проникновения расплава под подину, и инфильтрация последнего в цоколь происходит в течение всего срока эксплуатации электролизера.

Свойства огнеупорной и теплоизоляционной футеровки оказывают непосредственное влияние на эффективность технологического процесса. Поэтому подбор и комплектация цоколя материалами с требуемыми свойствами играют важную роль в общей концепции повышения долговечности катодного устройства и поддержания стабильного теплового равновесия, влияющего на энергетические показатели работы электролизера.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью диссертационной работы является выдача рекомендаций, направленных на обеспечение стабильных рабочих характеристик минеральной части катодной футеровки, гарантирующих высокий срок службы электролизера и сохранение в течение длительного периода теплового и энергетического равновесия ванны, способствующих достижению высоких технико-экономических показателей работы электролизера.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для изучения свойств футеровочных материалов использованы методики определения механической прочности на сжатие, водопоглощения, кажущейся плотности, общей, открытой и канальной пористости, кажущейся геометрической плотности, истинной плотности, коэффициента газопроницаемости, коэффициента теплопроводности, коэффициента температурного линейного расширения, времени распространения ультразвука, коррозионной стойкости материалов.

Для выполнения практических измерений температуры наружной поверхности элементов катодного кожуха применен бесконтактный метод замеров температуры электронно-лучевым прибором «пирометр точечный «Thermopoint 64/64+»».

Визуализация цифровой информации температурных замеров в виде построения изотерм и температурных полей наружных элементов поверхности электролизера осуществлялась разработанной компьютерной программой «Автоматизированный анализ профилей температурного поля катодного узла электролизера для производства алюминия «Т-поля»».

Контроль температуры на отдельных областях наружной поверхности катодного кожуха осуществлялся тепловизором «AGEMA -570 Flir System».

Расчет тепловых и электрических полей алюминиевого электролизера выполнен с использованием компьютерной программы «Filer» (версия 2.52).

Исследования формы рабочего пространства (ФРП) электролизеров по данным натурных измерений, а также расчет объемного состава незавершенного производства, эффективной рабочей площади катода осуществлены методом компьютерного моделирования при помощи программы «Vega Soft - расчет ФРП» (версия 1.07).

В работе использованы физико-химические методы исследования материалов, такие как: рентгенографический фазовый анализ; визуальный полуколичественный атомно-эмиссионный анализ; рентгеноспектральный, химический и фотоколометрический методы анализа.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в том, что:

- на основе проведенных лабораторных исследований материалов минеральной части футеровки цоколя определены основные свойства теплоизоляционных и огнеупорных изделий, оказывающие влияние на коррозионную стойкость футеровки и эффективность работы электролизера;

- проведены исследования различных составов сухих барьерных смесей (СБС), определены основные свойства СБС, в том числе их коррозионная стойкость. Даны рекомендации по применению СБС;

- установлена взаимосвязь основных физико-механических характеристик шамотных изделий с химической стойкостью к воздействию натрия и фторидов, поступающих в цоколь из электролизной ванны;

- установлены корреляционные зависимости различных характеристик шамотных изделий от скорости распространения ультразвука (УЗ);

- на примере кирпичей марки ШБ-1 «Сухоложского огнеупорного завода» установлен интервал средней скорости распространения УЗ для образцов шамотных изделий, обеспечивающий надежность огнеупорной футеровки и эффективность производственных показателей работы электролизеров, в том числе - увеличение срока службы; изучена зависимость температурного поля днища катодного кожуха от состояния футеровки цоколя. Разработана компьютерная программа «Т-поля», которая на основе ограниченного набора точек натурных измерений температуры позволяет производить построение профилей температурных полей соответствующих участков теплового агрегата, совместно с другими технологическими данными определять наиболее вероятные очаги разрушения футеровки катодного устройства, повысить эффективность локального ремонта подины катодного устройства алюминиевого электролизёра; изучено влияние коэффициента неравномерности температурного поля по днищу катодного кожуха в пусковой период на продолжительность образования на ванне стабильного гарнисажа и время выхода электролизера на стационарный режим;

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. По результатам исследований проведены промышленные испытания электролизеров с опытными элементами футеровки в цоколе. Разработаны различные варианты компоновки цоколя катодного устройства (заявка на изобретение № 2004102989 «Катодное устройство электролизера для получения алюминия»). На ОАО «СУАЛ - ИркАЗ» внедрена комплектация для отдельных категорий футеровочных материалов по данным ультразвукового контроля (заявка на изобретение № 2004134995 «Способ формирования подины алюминиевого электролизера»). За счет внедрения программы «Т-поля» (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2003611535) повышена эффективность локального ремонта подин катодных устройств, в 2004 г. средний срок службы электролизеров, отключенных после локального ремонта, составил 10,0 мес., действующих после локального ремонта - 8,2 мес.

Результаты выполненных исследований внедрены в электролизном цехе «СУАЛ-ИркАЗ» со среднегодовым экономическим эффектом, начиная с 2001 г. ~ 4,5 млн. руб. (расчет экономической эффективности прилагается).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на заводских, региональных и международных научно-технических и научно-практических конференциях:

- на научно-практической конференции ИркАЗ-СУАЛ «Повышение эффективности действующего производства». Шелехов, 1999 г.;

- на научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы развития алюминиевой промышленности». Иркутск, 1999 г.;

- на международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов алюминиевой, магниевой и электродной промышленности. ВАМИ. Санкт-Петербург, 1999 г.;

- на II научно-практической конференции ИркАЗ-СУАЛ «Повышение эффективности действующего производства». Шелехов, 2000 г.;

- на международной конференции «Металлургические технологии и экология». Санкт-Петербург, 2001 г.;

- на III научно-практической конференции ИркАЗ-СУАЛ «Повышение эффективности действующего производства». Шелехов, 2001 г.;

- на VI региональной научно-практической конференции «Алюминий Урала-2001». Краснотурьинск, 2001 г.;

- на II международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов алюминиевой, магниевой и электродной промышленности. ВАМИ. Санкт-Петербург, 2002 г.;

- на IV научно-практической конференции ИркАЗ-СУАЛ «Повышение эффективности действующего производства». Шелехов, 2003 г.;

- на региональной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов алюминиевой, магниевой и электродной промышленности. СибВАМИ. Иркутск, 2003 г.;

- на II региональной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов алюминиевой, магниевой и электродной промышленности. СибВАМИ. Иркутск, 2004 г.;

- на научно-практической конференции «Совершенствование техники и технологии производства алюминия и глинозема». Надвоицы, 2004 г.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертационной работы опубликовано 35 научных трудов, в т.ч. 21 статья, 14 тезисов докладов на конференциях.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа содержит 183 страницы машинописного текста, 75 рисунков, 51 таблицу. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 123 наименований, двух приложений.

3.4. Выводы

Оценивая обжиг, пуск и начальный период эксплуатации опытных электролизеров можно отметить, что стабилизация теплового потока в цоколе наступает приблизительно через 10 суток с момента пуска электролизеров. В этот период завершается прогрев основного массива футеровки цоколя, температура на днище катодного кожуха начинает снижаться (рис. 3.4 - 3.6).

Опытные электролизеры на 5-7 суток раньше выходят на стационарный режим, когда завершается образование стабильного гарнисажа и формируется оптимальная форма рабочего пространства (рис. 3.1 - 3.3).

К положительным моментам можно отнести тот факт, что в начальный период эксплуатации опытные электролизеры показали более низкую среднюю и максимальную температуры днища катодного кожуха в сравнении со свидетелями, за аналогичный период наблюдения.

Опытные электролизеры имели и более равномерное распределение температуры по днищу катодного кожуха. Оптимальная средняя температура днища катодных кожухов опытных электролизеров и сравнительные показания термопар в массивах катодов позволяют сказать о правильно рассчитанной толщине барьерных смесей и соответствующем ей теплосопротивлении.

В течение всего периода эксплуатации опытные ванны, нарабатывая металл высших сортов (А7-А85), показывали лучшие технологические показатели по сравнению со свидетелями: повышенную среднесуточную производительность; увеличенный выход по току; меньший удельный расход электроэнергии.

Цоколь катода является неотделимой частью всего теплового агрегата в целом, поэтому все усилия по защите минеральной части футеровки будут тщетны, если не обеспечена надежная монолитность углеродной подины [108, 109]. В этом случае протеки металла и расплава фторсолей в цоколь неизбежны. [110-115]. До известной степени надежным средством защиты от диффузии натрия и фторидов в цокольную часть катода являются физические и химические барьеры. Сухие барьерные смеси и антидиффузионные барьеры в большей степени предназначены для защиты минеральной футеровки катода именно от диффузии компонентов электролизной ванны, а не от обширных протеков. При фактически не ограниченной подпитке, проникающие металл и фториды способны разрушить любой барьер, вопрос только во времени [116119]. Даже если барьеру удастся на некоторое время остановить интенсивное проникновение расплава в цоколь, образуется «линза» между СБС и подовыми секциями и начинается интенсивное разрушение стальных катодных стержней [120-122].

Полученные положительные результаты по увеличению среднего срока службы действующих электролизеров, способствуют стабильному росту доли ванн, эксплуатируемых свыше 36 мес. Это позволяет прогнозировать дальнейшее повышение среднего срока службы отключенных электролизеров в ближайшем будущем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ имеющихся в литературе сведений о видах футеровочных материалов для монтажа цокольной части катода алюминиевого электролизера показал, что существует большое количество огнеупоров и теплоизоляторов, успешно применяющихся на различных предприятиях производящих первичный алюминий. Установлено много достаточно разноречивых критериев, определяющих качество минеральной футеровки, однако, поиск идеальных, с точки зрения коррозионной стойкости материалов, активно продолжается. Одним из перспективных направлений является использование сухих барьерных смесей, способных заменить огнеупорную и теплоизоляционную части футеровки цоколя.

Лучшую коррозионную стойкость к проникающим под подину натрию и фторидам показывают огнеупоры на основе минералов муллита (ЗАЬОз^БЮг) и кристобалита БЮг.

Используемые взамен огнеупорных кирпичей сухие барьерные смеси и антидиффузионные барьеры не являются «вечными» и, в условиях неограниченной подпитки проникающих компонентов расплава электролизной ванны, неизбежно разрушаются. Тем не менее, применение барьеров в цоколе катодного устройства позволяет повысить надежность катода и увеличить эффективный срок эксплуатации электролизеров.

2. В лабораторных условиях исследованы несколько видов теплоизоляционных материалов. Наименьшей теплопроводностью, из группы изученных материалов, обладает - волластонит HCS 20 (производства «Ferromin Limited», Китай). Коэффициент его теплопроводности составляет -0,118 Вт/м-К. Наиболее полным комплексом оптимальных рабочих характеристик обладает теплоизолятор на основе вермикулита - КВИ-500 (производства «Техсервисвермикулит», г. Челябинск). Все изученные теплоизоляционные материалы имеют низкую реакционную стойкость к воздействию компонентов расплава электролизной ванны и должны быть надежно защищены в цоколе коррозионно-стойким огнеупорным слоем.

3. В лабораторных условиях исследованы сыпучие материалы, применяемые для выравнивающей подсыпки под подовые секции. Установлено, что использование для этой цели кремнезема в чистом виде (кварцевого песка) приводит к образованию под подовыми блоками большого объема жидкой солевой фазы, увеличению давления на подину и фильтрации расплава в глубь цоколя. Используемая (по проекту типовых чертежей) глиноземная подушка не является препятствием для проникающих компонентов электролизной ванны. Шамотный заполнитель ЗШБ показывает хорошую стойкость к воздействию электролита и в условиях лабораторного эксперимента проявляет себя как физический барьер.

4. Изучено несколько составов сухих барьерных смесей, как промышленно выпускаемых («DBM» Clayburn Xiangyang Refractory Co. Ltd (Китай)), так и собственной разработки на основе отходов газоочистки производства кремния и анодной массы. Установлено, что хорошей коррозионной стойкостью обладает сухая барьерная смесь состоящая из пыли циклонов газоочистки рудно-термических печей ЗАО «Кремний» - СБС-ПЦГ [123]. Исследования гранулированных СБС различных составов, зашихтованных из оксидов алюминия, кремния, магния и кальция, показали, что лучшую коррозионную стойкость к компонентам электролита имеют СБС, по стехиометрии соответствующие анортиту СаО-АЬОз^БЮг и соединению Ca0-Mg0-Al203-2Si02. Эти составы наиболее полно трансформировались из механических смесей оксидов в сложные соединения требуемой композиции и показали, что при ограниченном поступлении расплава в цоколь, способны приостановить разрушение нижних слоев шамотной футеровки.

5. Проведены исследования основных физико-химических свойств образцов шамотных изделий. Установлено что, макроструктура отдельных образцов шамота различна и, при близких величинах пористости, наблюдаются значительные расхождения по величине канальности и распределению пор по размерам, определяющим прочностные свойства материала. Теплопроводность огнеупоров зависит от общей пористости материала. На коррозионную стойкость огнеупоров оказывают влияние газопроницаемость материала, канальная пористость и размер пор. Проникновение основного количества натрия в огнеупоры активно происходит по канальным порам крупного диаметра 50 - 100 мкм. Проникновение основного количества фтора идет по канальным порам диаметра 5-10 мкм.

6. На примере шамотных изделий марки ШБ «Сухоложского огнеупорного завода», определена корреляционная зависимость основных характеристик шамота от параметров ультразвукового контроля. Скорость УЗ коррелируется с термопрочностными и теплофизическими свойствами огнеупора и может быть использована в качестве информативного показателя при выборе огнеупорного материала. Интервал средней скорости УЗ - 3000 -3300 м/с, прозвученных образцов шамота в направлении перпендикулярном оси прессования, позволяет выбрать огнеупорные кирпичи с оптимальными свойствами, обеспечить надежность огнеупорной футеровки и повысить срок службы катодного устройства алюминиевого электролизера.

7. Тепловой поток, проходящий через цокольную часть катодного устройства, зависит от состояния минеральной части футеровки цоколя. Температура на наружной поверхности днища катодного кожуха является индикатором сохранности исходных теплофизических свойств огнеупоров и теплоизоляции. Для оценки состояния футеровки катодного устройства алюминиевого электролизера разработана компьютерная программа «Автоматизированный анализ профилей температурного поля катодного узла электролизера для производства алюминия («Т-поля»), которая позволяет:

- с высокой точностью аппроксимировать ограниченное количество натурных измерений и производить построение температурных полей соответствующих участков теплового агрегата;

- совместно с другими технологическими данными определять наиболее вероятные очаги разрушения футеровки катодного устройства;

- повысить эффективность локального ремонта подины катодного устройства алюминиевого электролизёра.

8. На величину возникающих термомеханических напряжений в подине и цоколе оказывает влияние распределение теплового потока, индикатором которого является коэффициент неравномерности температурного поля (КО на днище катодного кожуха. Проведенные опытно-промышленные испытания барьеров в катодах алюминиевых электролизеров показали, что их применение способствует снижению интенсивности пропитки футеровочных материалов, а также стабилизации теплового потока в направлении днища катодного кожуха, уже в первые месяцы эксплуатации. Опытные электролизеры с барьерами в цоколе в начальный период эксплуатации имеют невысокий и стабильный Кь Это способствует скорейшему (на 5-7 суток) выходу электролизеров на стационарный технологический режим, когда завершается образование гарнисажа и формируется оптимальная форма рабочего пространства. В течение всего периода эксплуатации опытные ванны, нарабатывая металл высших сортов (А7-А85), имели лучшие технологические показатели по сравнению со свидетелями:

- повышенную среднесуточную производительность;

- увеличенный выход по току;

- меньший удельный расход электроэнергии.

9. Условная суммарная прибыль от эксплуатации опытных электролизеров в течение 3-х лет наблюдения (2001-2004 гг.) составила ~ 13,5 млн. руб. Среднегодовой экономический эффект составил ~ 4,5 млн. руб.(см. Приложение Б).

1. Сорлье М., Ойя Х.А. Катоды в алюминиевом электролизе / Пер. с англ. Красноярск, 1997.- 460 с.

2. Richards N.E. // 2nd Australasian Aluminium Smelter Technology Course. Sydney, 1987.

3. Борисоглебский Ю.В., Галевский Г.В., Кулагин H.M. и др. Металлургия алюминия. Новосибирск, 1999. - 437 с.

4. Сильян О.-Я., Порсгрунн Г., Гранде Т. и др. Огнеупорные материалы для алюминиевых электролизеров // Ж. Алюминиум. 2001, т.7, № 4. С. 294.

5. Мальков М.А., Дмитриев И.Г. Огнеупоры для алюминиевого производства.// Огнеупоры и техническая керамика. 2000. № 6. С. 35-41.

6. Fisher R.F., Krietzn L.P. // UNITECR'93 CONGRESS. S-Paulo. Brazil, 1993. P. 146-148.

7. Вейбель P. Преимущества и недостатки применения различных огнеупорных материалов для катодов // Сб. научн. статей «Алюминий Сибири-2002». Красноярск, 2002. С. 14-24.

8. Прошкин A.B. Огнеупоры в цветной металлургии // Лекция на Высших российских алюминиевых курсах. Красноярск, 2000. - 15 с.

9. Grjotheim К., Kvande Н. // Aluminium 68. 1992. Р. 64.

10. Brunk F., Becker W., Lepeere К. // Light metals. 1993. P. 315.

11. Brunk F. Corrosion and behaviour of fireclay bricks of varying chemical composition used in the bottom lining of reduction cell // Light Metals. 1994. P. 477482.

12. Schöning С. Ildfaste materialer for elektrolyseceller. Oppsummering av ALILAB's undersokelser // Lecture at NIF-studiesentered Ildfaste materialer i aluminiumsindustrien. 1995.

13. Walz W. Basic principles for the optimisation of refractoiy barrier in aluminium electrolytic cell // Intereram, 50/ 3. P. 170-175.

14. Pelletier R., Allaire C. Corrosion of pot lining refractories: A comparison between different cell lining designs using a unified approach // Thirty-seventh Symposium on refractories. St. Louis, Missouri, March 23. 2001.

15. Rutlin J.L. Chemical reactions and minerals formation during sodium aluminium fluoride attack on alumino-silicate and anorthite based refractories // Ph. D. Thesis. Norges Teknisk-Naturvidenskabellige Universitet (NTNU). Trondheim, Norway. P. 167.

16. Opera G. Corrosion tests on refractories for aluminium electrolytic cell // Light Metal. 2000. P. 189-205.

17. Jarett N. in Burkin A.R. (ed.) Production of Aluminium and Alumina: John Wiley & Sons. 1987. P.60.

18. Chapman J.C., Wilder H.J. // Light Metals. Vol.1. 1978. P. 303.

19. Hess J.B., Strahl E.O. (Kaiser Aluminium), U.S.Pat. 4,411,756.

20. Бахтин A.A., Тумашев A.A. Применение барьеров в цоколе электролизеров // Сб. научн.- исслед. работ. Шелехов, 1999. С. 57-63.

21. Moeller J.C., Stewart D.V., Tabereaux А.Т. (Reynolds Metals), U.S.Pat. 4,591,419.

22. Brandtzag S.R., Paulsen K.A., Siljian O.J. // Light Metals. 1993. P.309.

23. Siljian O.J., Schoning C. Refractories for molten aluminium contact. Part 2: Influence of pore size on aluminium penetration // Unified Internal Technical Conference on refractories (UNITECR-ALAFAR 2001). Cancun, Mexico, November 2001.

24. Tabereaux A.T. Reviewing advances in cathode refractory materials // JOM. 1992. P. 20-26.

25. Seitveit A., Schöning С. // Proc. 8-th Int. Light Metals Congress. -Leoben-Vienna, 1987. P. 163.

26. Seltveit A. (SINTEF), Norwegian Pat. 150,007.

27. Громов Б.С., Панов E.H., Боженко М.Ф. и др. Обжиг и пуск алюминиевых электролизёров. М.: Руда и металлы, 2001. - 336 с.

28. Schöning С., Grande T.,Siljian O.J. // Light Metals. 1999. P. 231-237.

29. Pawlek R. Refractory materials for aluminium electrolysis // INTERCERAM. 1976, 1. P. 25-26.

30. Johansson S.F. Heat insulation of Aluminium Electrolysis Furnances // International Conference on Aluminium. New Delhi, India, 1985. Vol. 2. P. 65-77.

31. Weibel R., Juhl L.J., Nielsen B. ets. Ageing of cathode refractory materials in aluminium reduction cell // Light Metals. 2002. P. 425-431.

32. Tabereaux A.T. Thermal insulation material for reduction cell cathodes // AIME. 1982. P. 571-593.

33. Aksay I.A., Pask J.A. // Science 183. 1974. P. 69.

34. Allaire C. Refractory lining for alumina electrolitic cell // J. Am. Ceram. Soc. 75, 8. P. 2308-2311.

35. Allaire C., Fradet C. Comparative evaluation between a low alumina: silica ratio dry-barrier mix and conventional refractories in aluminium reduction cells' potlining//Light Metals. 1997. P. 247-259.

36. Holm J.L. Thermodynamic properties of molten cryolite and other fluoride mixtures: Dr. Techn. Dissertation, Institute of inorganic chemistry, NTH. -Trondheim, Norway, 1979.

37. Brilloit P., Lossius L.P., 0ye H.A. Melt penetration and reactions in carbon cathodes during aluminium electrolysis. Part I: Laboratory experiments // Light Metals. 1992. P. 321-330.

38. Shamsili R., 0ye H.A. Melt penetration and reactions in carbon cathodes during aluminium electrolysis. Part IV // Light Metals. 1994. P. 731-738.

39. Seltveit A. Refractories in the Aluminium Industry. Porsgrunn, Norway,1987.

40. Siljan O.-J., Seltveit A. // UNITECR'91 Congress. -Aachen. Germany, 1991. P. 59.

41. Foster P.A. Phase diagram of a portion of the system Na3AlF6-AlF3-Al203 // J. Am. Ceram. Soc. 58, 1975. P. 200-203.

42. Torklep K., 0ye H.A. Viscosity of NaF-AlF3-Al203 melt mixtures // Electrochem. Acta, 25. 1980. P. 229-235.

43. Siljan O.-J. Sodium aluminium fluoride attack on alumino-silicate refractories. Chemical reactions and mineral phase // Dr. Ing. Thesis, IUK-thesis: 61. NTU. Trondheim, Norway, 1990.

44. Rutlin J.L., Grande T. Phase Equilibria in Subsystems of the Quaternary Reciprocal System Na20-Si02-Al203-NaF-SiF4-AlF3 // J. Am. Ceram. Soc. 82. 1999. P. 2538-2544.

45. Vries M., Stephens G.T. Analysis of reacted sub-cathodic barrier materials from cell autopsies // 5th Australasian Aluminium Technology Workshop.- Sidney. Australia, 1995.

46. Brunk F. Corrosion and behaviour of fireclay bricks of varying chemical composition used in the bottom lining of reduction cell // Light Metals. 1994. P. 477482.

47. Rutlin J.L. Chemical reactions and mineral phase formation by sodium aluminium fluoride attack on alumino-silicate and anorthite based refractories // Dr. Ing. Thesis, IUK-thesis: 90. NTU. Trondheim, Norway, 1998.

48. Schöning С., Grande Т., Siljan O.-J. Cathode refractory materials for aluminium reduction cell // Light Metals. 1999. P. 231-238.

49. Stull D.R., Prophet H. JANAF Thermochemical Tables // NSRDS-NBS 37. -Washington, 1971.

50. Урда H.H. Исследования процессов теплообмена при свободной конвекции расплава фтористых солей, теплопроводности твердой фазы и материалов, пропитанных расплавом: Автореф. дис. канд .техн. наук.- Киев, 1974.-27 с.

51. Романько К.С. Исследование процессов теплопередачи в алюминиевых электролизерах: Автореф. дис. канд. техн. наук. Киев, 1969. -35 с.

52. Янко Э.А. Автореф. дис. Канд. техн. Наук. Л., 1968. - 25 с.

53. Семенов B.C. Изменение теплофизических свойств теплоизоляционных материалов алюминиевого электролизера // Цветные металлы. 1974. № 8. С.32.

54. Панов E.H., Васильченко Г.Н., Даниленко С.В. и др.; Под общ. ред. Б.С. Громова. Тепловые процессы в электролизёрах и миксерах алюминиевого производства. М.: Руда и металлы, 1998. - 256 с.

55. ASTM С 24. Pyrometric Cone Equivalent (РСЕ) of Refractory Materials.1984.

56. ASTM С 201. Thermal Condactivity of Refractories. 1968.

57. ASTM С 202. Thermal Condactivity of Refractory Brick. 1984.

58. ASTM С 182. Thermal Condactivity of Insulating Firebrick. 1983.

59. ASTM С 16. Load Testing Refractory Brick at High Temperatures. 1981.

60. ASTM С 583. Modulus of Rupture of Refractory Materials at Elevated Temperatures. 1980.

61. DIN 51, 902. Bestimmung der Biegefestigkeit nach dem DreipunktVerfahren. 1981.

62. Schöning C. // Iternal SINTEF report to Institute of Inorganic Chemistry. -Trondheim, Norway, 1989.

63. Аллер К., Пелетьер Р. Усовершенствованное испытание огнеупорных материалов футеровки электролизёра на коррозию / Пер. с англ. // Light Metals. 2001. С. 245-249.

64. Ахмедов С.Н., Ратнер А.Х. Экспертное заключение по составу сухой барьерной смеси, применяемой на ОАО «БрАЗ» в 1998-1999 гг. Санкт-Петербург, 1999. - 6 с.

65. Seltveit A., Schoning С. // Proc. 8th International Light Metals Congress. -Leoben-Vienna, Austria, 1987. P. 163.

66. Faroyvik M., Grande Т., Julsrud S., Seltveit A. Phase relations in the system NaF-CaF2-NaAlSi04-CaAl2Si208 // J. Am. Ceram. Soc. 82 (1). 1999. P. 190196.

67. Rutlin J., Grande T. Molten fluoride attack on anorthite based powder barrier materials in aluminium electrolysis cell // Light Metals. 1998. P. 589-595.

68. Siljan O.-J., Junge O.J., Svendsen T.B., Thovsen K. Experiences with dry barrier powder materials in aluminium electrolysis cell // Light Metals. 1998. P. 573581.

69. Бабкин М.Ю., Михайлюк Г.М., Негуторов H.B. Неоднородность физико-химических свойств углеграфитовых подовых блоков // Цветные металлы. 1997. №2. С. 38-40.

70. Бабкин М.Ю., Михайлюк Г.М., Негуторов Н.В. Исследование неоднородности механических свойств углеграфитовых подовых блоков ультразвуковым методом // Цветные металлы. 2000. №3. С. 98-101.

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

72. Бахтин A.A., Любушкин В.А., Сергеев В.А. и др. Влияние структурных характеристик огнеупорных изделий на стойкость цоколя катода алюминиевого электролизера // Сб. научн. трудов «Электрометаллургия легких металлов». Иркутск, 2003. С. 73-81.

73. Бахтин A.A., Любушкин В.А., Сергеев В.А. и др. Изучение физико-технических характеристик материалов огнеупорной футеровки алюминиевого электролизера // Сб. научн. трудов «Электрометаллургия легких металлов». -Иркутск, 2003. С. 63-72.

74. Стрелов К.К., Мамыкин П.С. Технология огнеупоров. М.: Металлургия, 1978.- 376 с.

75. Стрелов К.К. Структура и свойства огнеупоров. М.: Металлургия, 1982.-207с.

76. Орлова И.Г., Тоценко А.И. // Известия АН СССР. Неорганические материалы. 1967. т.З. №7. С. 1298.

77. Дыбань Ю.П., Келер Э.К. // Огнеупоры. 1973. №9. С. 44.

78. Криворученко В.В., Коробов М.А. Тепловые и энергетические балансы алюминиевых и магниевых электролизеров. М.: Металлургиздат, 1963.-320 с.

79. Вильям X. Мак-Адаме. Теплопередача / Пер. с англ. М.: Металлургиздат, 1961. - 686 с.

80. Маркелов И.С. Эксплуатация электролизеров с катодными узлами шпангоутного типа // Сборник научно-исследовательских работ. Шелехов. 1999. С. 16-21.

81. Любушкин В.А., Надточий A.M., Сергеев В.А. Некоторые вопросы локального ремонта электролизеров // Сб. научн.-исслед. работ «Повышениеэффективности действующего производства. III научно-практическая конференция». -Шелехов, 2001. С.140.

82. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «Автоматизированный анализ профилей температурного поля катодного узла электролизера для производства алюминия «Т-поля». № 2003611535, от 25.06.2003.

83. Рагозин Л.В., Бахтин A.A., Любушкин В.А. и др. Оценка состояния футеровки катодного устройства алюминиевого электролизера на основе анализа температурных полей наружных элементов конструкций // Цветная металлургия. 2002, №7. С. 36-40.

84. Веселков В.В., Зельберг Б.И., Черных А.Е. и др. Разработка математического и программного обеспечения для автоматизированного управления некоторыми локальными процессами производства алюминия //

85. Электрометаллургия легких металлов. Сборник научных трудов к 45-летию ОАО «СибВАМИ». Иркутск, 2004. С. 42-59.

86. Рагозин JI.B., Ефимов A.A., Любушкин В.А. и др. Анализ причин преждевременного выхода из строя алюминиевых электролизёров // Сб. научн. трудов «Современные тенденции в развитии металлургии лёгких металлов». -Санкт-Петербург, 2001. С. 89-97.

87. Парамонов С.А., Грибков К.А. Система раннего обнаружения локальных разрушений подины алюминиевых электролизеров // Сборник научно-исследовательских работ. -Шелехов. 1999. С. 28-31.

88. Щербинин С.А. Компьютерное моделирование на БрАЗе // Технико-экономический вестник БрАЗа Братск, 2002. №8. С. 38-42.

89. Щербинин С.А. Математическое моделирование и программы расчета тепловых и электрических полей алюминиевых электролизеров // Высшие российские алюминиевые курсы. Красноярск, 2001. С.29.

90. Сысоев A.B., Зайков Ю.П., Щербинин С.А. и др. Математическое моделирование электрических и тепловых полей алюминиевых электролизеров с боковым токоподводом // Цветные металлы. 1998. №2. С. 70-73.

91. Щербинин С. А. Расчеты тепловых и электрических полей катодного блока алюминиевых электролизеров с боковым токоподводом // Тезисы докладов. V региональная научно-практическая конференция «Алюминий Урала-2000». Краснотурьинск, 2000. С. 37-40.

92. Крюковский В.А., Щербинин С.А. Применение математического моделирования для расчетов энергетических балансов электролизеров // Изв. вузов. Цветная металлургия. 1991. №1. С. 91-96.

93. Robertson W.W. Methods for start up and Restan High Amperays Prebake Electrode Type Aluminium Cells // Proc. Soviet Canadian Symposium. 1975 (Препр. / Минцветмет СССР. ВАМИ. Л., 1975. - 10 с.

94. Терентьев В.Г., Сысоев А.В., Гринберг И.С. Производство алюминия: Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1997. - 350 с.

95. Троицкий И.А., Железнов В.А. Металлургия алюминия. М.: Металлургия, 1984. -247 с.

96. Производство алюминия: Справочник металлурга по цветным металлам / Костюков А.А., Киль И.Г., Никифоров В.П. и др. М.: Металлургия, 1971.-559 с.

97. Ю5.Любушкин В.А., Бахтин А.А., Сергеев В.А. Срок службы электролизеров на ИркАЗе в 2002 году // Тезисы докладов. Региональная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов алюминиевой промышленности. Иркутск, 2003. С. 20-21.

98. Надточий А.М., Сергеев В.А., Бахтин А.А. Технологии капитального ремонта электролизеров // Цветные металлы. Специальный выпуск «40 лет ИркАЗу». 2002. С. 24-28.

99. Бахтин А.А., Сергеев В.А., Пимкин Е.В. Реализация комплексной программы «Долговечность электролизеров» // Сб. научн.-исслед. работ «Повышение эффективности действующего производства. IV научно-практическая конференция». Шелехов, 2003. С. 144-151.

100. Ойя Х.А., Наас Т. Вскрытие катода № 2116 на Красноярском алюминиевом заводе / Пер. с англ. Красноярск, 1995.

101. Салькова Е.А., Архипов Г.В., Дубова И.В. и др. Изучение взаимодействия алюминиевого электролита с футеровочными материалами электролизных ванн // Сб. научн. трудов «Алюминий Сибири 99». -Красноярск, 2000. С.70 - 76.

102. Бахтин А.А. Основные направления в совершенствовании конструкции катодного устройства электролизера // Сборник научных трудов

103. Научные и теоретические исследования в металлургии легких металлов». С-Петербург, 2000. С. 119-125.

104. Заявка на изобретение «Способ формирования подины алюминиевого электролизера» № 2004134995 от 30.11.2004.

105. Любушкин В.А., Бахтин A.A., Сергеев В.А. и др. Сухая выбойка катодов электролизеров // Сб. научн. трудов «Повышение эффективности действующего производства. Материалы II научно-практической конференции». Шелехов, 2000. С. 138-148.

106. Любушкин В.А., Бахтин A.A., Сергеев В.А. Сухая выбойка катодов электролизеров // Сб. научн. трудов «Электрометаллургия легких металлов». -Иркутск, 2000. С. 30-41.

107. Рагозин JI.В., Ефимов A.A., Любушкин В.А. и др. Анализ причин преждевременного выхода из строя электролизеров для производства алюминия // Цветные металлы. 2002. №3. С. 40-44.

108. Любушкин В.А., Бахтин A.A. Изучение катодов алюминиевых электролизеров с низким сроком службы // Сб. научн. трудов «Повышение эффективности действующего производства. Материалы III научно-практической конференции». Шелехов, 2001. С. 151-160.

109. Козьмин Г.Д., Синани М.Ф., Заливной В.И. и др. Пуск электролизеров после капитального ремонта без предварительного обжига // Цветные металлы. 1987. №3. С.48 50.

110. Любушкин В.А., Бахтин A.A., Сергеев В.А. Применение сухих барьерных смесей в цоколе электролизера // Тезисы докладов. Научно-практическая конференция «Современное состояние и перспективы развития алюминиевой промышленности». Иркутск, 1999. С. 34.

111. Заявка на изобретение «Катодное устройство электролизера для получения алюминия» № 2004102989 от 02.02.2004.