Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Обжиг и графитирование электродов
Назначение обжига: превратить «зеленые» электроды, обладающие большим электрическим сопротивлением и малой механической прочностью, в продукцию с малым электросопротивлением и достаточной механической прочностью. Изделия обжигают, постепенно поднимая температуру до максимального ее значения. При этом в них протекает ряд сложных физических и химических процессов. В процессе обжига происходит затвердевание (коксование) пека, т.е. образование так называемого вторичного кокса. «Зеленые» электродные изделия обжигают в специальных камерных печах без доступа воздуха, где тепло передается обжигаемым изделиям через огнеупорную кладку, которая обогревается горячими газами, проходящими по каналам, проложенным в кладке. Условия обжига (продолжительность, скорость подъема температуры, выдержка и др.) устанавливают опытным путем. Общая продолжительность процесса зависит от вида и размеров изделий, от конструкции печи и составляет более 15 суток. Но во всех случаях изделия проходят последовательно три стадии: подогрев, обжиг и охлаждение. В интервале 100—200 °С начинается выделение летучих веществ, выше 350°С происходит дистилляция связующего и выделяется основная масса летучих из пека, при 450—500 °С начинается отвердение связующего (коксование). При 600 °С химические процессы в изделии постепенно затухают, изменение свойств материала замедляется, а пек полностью превращается в кокс. Обычный обжиг углеродистых изделий проводят до 1200 °С, и в результате их пористость, истинная плотность, прочность, твердость и электропроводность увеличиваются. Графитирование заключается в нагревании изделий без доступа воздуха до 2500 °С. Для этого применяют электрические печи сопротивления, в них рабочим сопротивлением служат сами заготовки электродов, подвергающиеся графитированию. Ток, проходя через толщу электродов, развивает столько джоулева тепла, сколько необходимо для достижения температуры 2500 °С и выше. Этот процесс длится 25— 35 час, а с учетом охлаждения и разогрева до 360 часов. В процессе высокотемпературного обжига происходит укрупнение кристаллов графита и улетучивание примесей, изменяются свойства этих изделий. В графитированных изделиях по сравнению с обожжёнными в 4—5 раз снижается электрическое сопротивление, в 8—10 раз содержание минеральных примесей (золы), возрастают температура начала окисления, истинная плотность и теплопроводность при одновременном падении механической прочности. В природе графит встречается в значительных количествах, но сильно загрязнен минеральными примесями, поэтому искусственным путем графитируют электроды, изготовленные из нефтяного кокса и прошедшие обычные стадии технологического процесса. Отходы (бой) электродов, образующийся при прессовании, обжиге, графитировании и механической обработке возвращают в производство (после дробления и измельчения). Анодные материалы В современных алюминиевых электролизерах используются два вида анодных материалов: 1) самообжигающиеся аноды - формуются из анодной массы непосредственно в процессе электролиза; 2) предварительно обожжённые анодные блоки. Анодная масса выпускается в России в соответствии с ТУ 48-5-80-86 из пекового или нефтяного коксов. Масса из пекового кокса лучше по прочности, пористости, удельному электросопротивлению, чем из нефтяного кокса, но пековый кокс гораздо дороже. Анодная масса состоит из кокса (наполнителя) и пека (связующего). В зависимости от содержания связующего анодная масса может быть «жирной», «полусухой» и «сухой». В «сухой» анодной массе количество пека составляет 26 ± 1 %, что на 2% меньше, чем в «полусухой» и на 4-7%, чем в «жирной». Меньшее количество пека означает лучшее качество анода: - выделение полиароматических углеводородов и вредных выбросов в атмосферу сокращается на 80− 90 %; - съём угольной пены сокращается на 15− 20 кг/т Al; - падение напряжения в аноде уменьшается на 80 мВ; - меньший расход электроэнергии. В связи с высокими требованиями к охране окружающей среды и значительными экологическими штрафами алюминиевые заводы перешли на прогрессивную технологию производства сухой анодной массы. Содержание золы в анодной массе влияет на содержание примесей в алюминии, так как на производство 1 т алюминия расходуется более 550 кг анодной массы. В свою очередь, зольность массы определяется качеством коксов, а также износом технологического оборудования и, прежде всего, футеровки прокалочных печей. Содержание серы в массе зависит от ее содержания в коксах. В нефтяных коксах содержание серы до 4 – 7 %, однако для производства анодной массы не рекомендуется использование кокса с содержанием серы более 1, 5 %, в основном из-за экологических соображений. Удельное электросопротивление (УЭС) анодной массы и ее пористость — взаимозависимые величины: с увеличением пористости возрастает УЭС и увеличиваются потери электроэнергии в аноде. Пористость массы зависит от вида и качества исходного кокса, гранулометрического состава, содержания и качества связующего, технологии обжига анода и пр. С уменьшением пористости повышается механическая прочность анода, что полезно до определенного предела, так как с увеличением прочности растет хрупкость анода, что влечет за собой образование трещин и сколов. Разрушаемость анода состоит из суммы двух составляющих: окисляемости и осыпаемости. Окисляемость численно равна тому количеству углерода, которое расходуется при окислении анода углекислым газом по реакции Будуара: С + СО2 = 2СО. Чем меньше эта составляющая, тем меньше расход анода в процессе электролиза. Осыпаемость частиц кокса-наполнителя происходит в результате более высокой реакционной способности вторичного кокса из связующего, и чем она меньше, тем меньше расход анода. Содержание влаги в массе не является браковочным показателем, а определяется для взаиморасчетов потребителей с поставщиками. Прессованные обожженные аноды, применяемые при производстве алюминия, представляют собой призматические блоки (1450х70х60 мм) с несколькими ниппельными гнездами (углублениями) для заливки чугуном стальных ниппелей контактов, с помощью которых подводят электрический ток в электролизёр. В электролизёрах для рафинирования алюминия применяют цилиндрические электроды (катоды).
Контрольные вопросы
Теоретические основы электролиза глинозёма Основы электрохимии В электрохимии исследуют процессы превращения химической энергии в электрическую (гальванические элементы) и электрической энергии в химическую (электролиз). Электрохимические исследования получили развитие после изобретения в 1799 г. итальянским учёным Луиджи Вольта электрической батареи, называемой вольтовым столбом. Вещества, проводящие электрический ток, разделяются на проводники первого и второго рода. Все металлы, сплавы металлов и углеродистые электроды относятся к проводникам первого рода. В них часть электронов слабо связанны с ядрами атомов и образует так называемый «электронный газ». Электроны неупорядоченно перемещаются от одних атомов к другим, но при наложении электрического поля начинается упорядоченное движение электронов. Прохождение электрического тока по проводникам первого рода не связано с переносом вещества. К проводникам второго рода относятся электролиты: водные растворы солей, кислот, щелочей и расплавленные соли. В проводниках второго рода электричество переносится ионами, значит, прохождение электрического тока через проводники второго рода сопровождается переносом вещества. В связи с этим различают электронную и ионную проводимость. В 1833 г. Фарадей открыл законы электролиза, являющиеся основой количественного изучения электродных процессов. При электролизе на электроды подаётся разность потенциалов от источника постоянного тока. Отрицательно заряженный электрод называется катодом, а положительно заряженный – анодом. Процесс разложения молекул вещества на ионы при взаимодействии с растворителем называется электролитической диссоциацией, в результате которой образуются ионы: несущие положительный заряд – катионы и отрицательный заряд – анионы. При этом сумма положительных зарядов образовавшихся катионов равна сумме отрицательных зарядов анионов. Процесс разряда ионов и выделения веществ на электродах в растворах или расплавах под действием постоянного тока называется электролизом. Среда, в которой осуществляется процесс электролиза, называется электролитом, это смесь ионов, проводящих электрический ток. Чтобы осуществить разряд катиона, нужно создать на катоде избыток электронов, причём для разных металлов избыток электронов различен. В зависимости от величины электродного потенциала металла и водорода, все металлы располагаются в так называемый электрохимический ряд напряжений: Li K Ca Na Mg Al Si Zn Fe H Cu Ag Алюминий обладает высокой химической активностью, большой энергией образования соединений и занимает место среди электроотрицательных металлов, что делает невозможным выделение его электролизом из водных растворов, так как на катоде в первую очередь будет выделяться водород. Поэтому электролит не должен содержать ионов металлов более электроположительных, чем алюминий, а лишь соли щелочных и щелочноземельных металлов. В настоящее время единственным способом получения алюминия в крупномасштабном производстве является электролитическое разложение его окиси, растворённой в расплавленном криолите. |
Последнее изменение этой страницы: 2020-02-17; Просмотров: 628; Нарушение авторского права страницы