АНАЛИЗ ПРИЧИН РАЗРУШЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ПОДОВЫХ УСТРОЙСТВ АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ

ANALYSIS OF DESTRUCTION OF MODERN CATHOD LINING OF THE ALUMINIUM ELECTROLYZERS

Roman Feshchenko

candidate of Science, Assistant of Automation of Technological Processes and Productions department at St. Petersburg Mining university,

Russia, Saint-Petersburg

Olga Erokhina

student of Automation of Technological Processes and Productions department at St. Petersburg Mining university,

Russia, Saint-Petersburg

АННОТАЦИЯ

В данной работе показана и обоснована проблема преждевременного выхода из строя подовых устройств алюминиевых электролизеров в контексте развития технологии. Представлен анализ причин разрушения, показана специфичность износа для современных типов катодных блоков, описано наиболее рациональное решение данной проблемы.

ABSTRACT

In the article the problem of premature failure of the sole aluminum electrolytic devices in the context of the technology development is shown and justified. The analysis of the damage causes is presented, the wearing process specificity for modern types of cathode blocks is shown, and the most rational solution to this problem is described.

Ключевые слова: разрушение катода, углеграфитовая подина, графитизированный блок, абразивный износ, эрозия подины.

Keywords: destruction of the cathode, carbon lining, graphitized block, abrasion, erosion of the cathode lining

Введение

Применение новых материалов в конструкции футеровки современных алюминиевых электролизеров и использование графитизированных подовых блоки приводит к существенному удорожанию единичного технологического агрегата. В настоящее время практические 100 % отключений электролизеров в капитальный ремонт происходит аварийно из-за разрушения подового устройства; по ряду причин далеко не всегда удается выдержать даже паспортный срок службы подины, что приводит к повышению удельной стоимости производимого металла и снижению рентабельности всего технологического процесса.

Преждевременный выход из строя подин на основе синтетического или природного графита – основная причина, по которой блоки данного типа не применяются в отечественной промышленности даже на современны сверхмощных электролизерах [14], хотя в мировой практике наблюдается обратная тенденция [2]. Детальный анализ зарубежного опыта позволит как скорректировать технологический процесс производства катодных блоков, так и их эксплуатацию в условиях электролиза криолит-глиноземных расплавов.

По материалам Велча и др. [15], вопрос износа подины не затрагивался в работах вплоть до 1980 года, cчиталось, что средняя скорость износа подины составляет примерно 1±½ см/год. В тот период в основном использовались блоки на основе антрацита, при этом многие алюминиевые заводы работали с небольшим переизбытком AlF₃ (8 мас%). В последнее время, в связи с все большим внедрением графитизированных блоков и работы алюминиевых электролизеров на большом избытке AlF₃, наблюдаются существенное повышение скорости износа, до 3 см/год и более. При этом скорость износа существенно выше в местах с высокой плотностью тока.

Эрозионный износ посредством карбидообразования

Износ катодного блока представляет собой сложный процесс, основными двумя составляющими которого являются: износ за счет образования Al₄C₃, величина которого практически не зависит от типа блока, и абразивный износ, который принципиально различается для различных типов блоков.

В работе [10] предложен механизм разрушения подины посредством карбидообразования, который представляет собой последовательность следующих стадий: тонкий слой электролита, находящегося под слоем металла, вследствие того, что последний не смачивает угольную подину, внедряется в открытую пору, на стенках которой начинает образовываться карбид алюминия; слой карбида алюминия растет и начинает выталкивать углеграфитовую частицу с поверхности подины; данная частица «отрывается» и удаляется от поверхности подины в объем расплава.

При высоких плотностях тока, характерных для современных электролизеров, вследствие поляризации значительно увеличивается электродный потенциал катода, скорость образования карбида алюминия, соответственно, резко повышается, этому сопутствуют повышение эрозионного износа и высокая скорость отделения частиц. По причине эрозии подины, снижается расстояние от слоя жидкого алюминия, заполняющего освобождающееся пространство, до токоотводящего стержня в катодном блоке – блюмса, что приводит к увеличению перепада напряжения на катоде, которое является движущей силой для образования карбида алюминия, таким образом, возникают предпосылки для дальнейшего развития эрозии подины.

Данная концепция механизма эрозии подины получила развитие в ряде работ [4; 7; 8] и может быть обобщена в виде следующих тезисов:

• карбид алюминия образуется в порах катодного блока в приповерхностном слое, что подтверждается исследования в лабораторном масштабе;
• увеличение открытой пористости увеличивает уровень пропитки электролитом и приводит к повышенному карбидообразованию;
• высокопористые исследуемые образцы показали неравномерный износ поверхности, соответственно, процесс отслоения частиц локализован;
• пористость, состав электролита и плотность тока в совокупности оказывают наибольший эффект на износ катода.

Специфичный абразивный износ

Для высокоамперных электролизеров с обожженными анодами характерна высокая степень локального износа около края скоса настыли прямо над блюмсом, где, на границе «блок-металл», как правило, наблюдаются самые высокие значения катодной плотности тока. Блок имеет W-образный профиль износа, с низкой степенью износа в средней части (вдоль всей оси подины), и с глубоким износом по торцам в месте, где заканчивается защитная подовая настыль. В поперечном сечении блок сужается по направлению к узким набивным швам, в которых плотность тока ниже, что приводит к образованию выработанных углублений в конце каждого блока. Общий вид изношенной подины показан на рисунке 1. Как отмечается в работах [2; 5; 11], подобный W-образный профиль износа и характер эрозии преобладает в отработанных подинах с графитизированными подовыми блоками.

Рисунок 1. Профиль эрозии катодного блока для сверхмощного электролизера [5]

Дрейфус и Джонкурт [2] впервые отметили, что при помощи последовательного количественного моделирования можно добиться корреляции между степенью износа подины и распределением катодной плотности тока. Заданные размеры катодного блока и блюмса и их электропроводность будут влиять на распределение плотности тока между блоками. При высоких значениях электропроводности блоков, т. е. при использовании блоков с повышенным содержанием графита, самое высокое значение плотности тока наблюдается по торцам катодных блоков.

При изучении эрозии подовых блоков на ваннах АР-30, Рени и Вилкенинг [11] обнаружили, что существуют значительные различия в скорости износа блоков от двух разных поставщиков (2,7 см/год и 4,1 см/год).

На основании наблюдений и измерений профиля эрозии, можно объяснить предполагаемый механизм образования различной степени износа, в случае, когда менее чем 10 см углерода остается над верхней поверхностью блюмса. Потери тепла через блюмсы являются результатом образования твердого осадка (коржа) на подине на всю глубину разрушенной части, который полностью закрывает поверхность блока. Такое дополнительное сопротивление изменяет направление тока и смещает его в середину блока, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Механизм развития эрозии катодных блоков: а – постепенная выработка верхней части блока; б – снижение скорости развития износа в глубину и начало распространения эрозии в середину блока [11]

Данные, полученные Дрейфусом и Джонкуртом с отключенных ванн [2], позволили рассчитать максимальное значение скорости эрозии как функцию катодной плотности тока, т. е. найти связь величины амперной нагрузки с общими разрушениями катода.

Согласно утверждению авторов, прослеживается прямая линейная корреляция между скоростью эрозии и средним значением катодной плотности тока. Как показывают расчеты [6], максимальное значение плотности тока может быть значительно больше, чем среднее значение плотности тока в зависимости от условий обслуживания электролизеров. Несмотря на то, что повышение средней плотности тока приводит к увеличению максимального ее значения, количественное значение плотности тока будет изменяться от формы рабочего пространства электролизера и ряда других технологических параметров. При этом, можно сделать вывод, что снижение максимальной скорости эрозии вероятно связано с уменьшением пика плотности тока.

Сравнительные данные по износу в производственных условиях

В таблице 1 приведены некоторые опытные данные, полученные на рабочих электролизерах [6]. Скорость износа снижается с увеличением уровнем металла и улучшением МГД-стабильности. Износ нельзя соотносить с местом для выливки металла или с участками с высокими скоростями потоков металла.

Таблица 1.

Скорость износ катода на действующих электролизерах [6]

Тебро и др. провели подробное исследование износа материалов для электролизеров ОА на 180 кА [14]. В таблице 2 даны результаты этих исследований. Они также подтвердили проведенные ранее наблюдения, тенденции которых изображены на рисунке 1. Такой характер выработки подины обычно проявляется с твердыми межблочными швами, но при высоких плотностях тока в аморфных катодных блоках относительно подовых швов также может произойти кавитационная выработка с подобным профилем износа подины.

Таблица 2.

Уровень износа в электролизных ваннах на 180 кА [14]

Методы снижения специфичного износа

Основным способом снижения W-образного износа является изготовление блоков с вариативным сопротивлением по длине. Ранее такой эффект достигался непроизвольно как побочное явление процесса графитизации блоков в печи Ачессона. Некоторые поставщики подовых блоков начали производить блоки с различным значением электросопротивления по длине блока [1; 4; 12].

Для придания графитизированным блокам подобных свойств, существует ряд способов, так или иначе связанных с изменением условий термообработки, для повышения степени графитизации по торцам блока в сравнении со средней его частью. В патенте [9] предложен способ, суть которого заключается в подаче в печь блока, сечение которого на концах больше, чем в середине, с последующим удалением избытка материала после графитизации. Или же требуемый эффект достигается путем различной толщины теплоизоляционного слоя.

Заключение

Поскольку технология электролитического производства первичного алюминия развивается экстенсивно посредством увеличения амперной нагрузки, при этом согласно мировой практике для новых электролизеров принципиально использование катодных блоков с низким электросопротивлением, обеспечивающих энергоэффективность процесса, повышение эксплуатационных характеристик графитизированных катодных блоков является актуальной тема для исследований. Проблема повышенного абразивного износа подобных блоков, которая препятствует их внедрению в эксплуатацию отечественными предприятиями, в мировой практике успешно решена. Данные решения необходимо внедрять после соответствующей доработки и адаптации.

Список литературы:

1. Dreyfus J., Rivoaland L., Lacroix S. Variable Resistivity Cathode against Graphite Erosion // Light Metals. 2004. P. 603–608.
2. Dreyfus J-M., Lacroix S. Cathode producer’s proposals for the improvement of the erosion resistance of graphitized cathodes // Light Metals. 1999. P. 199–207.
3. Hiltmann F., Gudbrandsen H., Rolseth S., Stoen L., Thonstad J. Laboratory test method for measuring wear rates of carbon cathode materials // Light Metals. 2003. P. 655–659
4. Hiltmann F., Patel P., Hyland M. Influence of internal cathode structure on behavior during electrolysis. Part II: porosity and wear mechanisms in graphitized cathode material // Light Metals. – 2005. – P. 757–762.
5. Lombard D., Beheregaray T., Feve B., Jolas J.M. Aluminium Pechiney experience with graphitized cathode blocks // Light Metals. 1998. P. 653–658.
6. Oye H.A., Welch B. Cathode Performance: The Influence of Design, Operations, and Operating Conditions // JOM 50. 1998. V. 2. P. 8–23.
7. Patel P., Hiltmann F., Hyland M. 9th Australasialn Smelting Technology Conference and Workshops // Eds. M. Skyllas-Kazacos and B.J. Welch. Terrigal. Australia. 2007.
8. Patel P., Hyland M., Hiltmann F. Influence of internal cathode structure on behavior during electrolysis. Part III: wear behavior in graphitic materials // Light Metals. 2006. P. 633–638.
9. Patent WO2003056067. Method for the production of cathode blocks. Publ. 11.11.2004.
10. Rafiei P., Hiltmann F., Welch B. Electrolytic Degradation within Cathode Materials // Light Metals. 2001. P. 747–752.
11. Reny P., Wilkening S. Graphite Cathode Wear Study at Alouette // Light Metals. 2000. P. 399–404.
12. Sato Y., Patel P., Lavoie P. Erosion measurements of high density cathode block samples through laboratory electrolysis with rotation // Light Metals. 2010. P. 817–822.
13. Sizyakov V.M., Bazhin V.Y., Patrin R.K., Feshchenko R.Y., Saitov A.V. Features of high-amperage electrolyzer hearth breakdown // Refractories and industrial ceramics. 2013. V. 54. № 3. P. 151–154.
14. Tabereaux A.T., Brown J.H., Eldridge I.J., Alcorn T.R. Erosion of Cathode Blocks in 180 kA Prebake Cells // Light Metals. 1999. P. 187–198.
15. Welch B.J., Hyland M.M, James B.J. Future materials requirements for the high-energy-intensity production of aluminium // JOM. 2001. V. 53. P. 13–18.