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 массавыпускается 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 ≈ 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

1. Характеристика сырья для производства электродов.
2. Нефтяной и пековый кокс, получение и свойства
3. Условия прокаливания коксов. Назначение операции.
4. Каменноугольный пек, виды и свойства.
5. Оборудование для производства анодной массы.
6. Схема изготовления катодных блоков.
7. Зачем графитируют электроды?
8. Виды угольных изделий, применяемых в алюминиевой промышленности.
9. Процессы, происходящие при обжиге углеродистых изделий.
10. Процессы, происходящие при формировании самообжигающегося анода.
11. Виды анодной массы.
12. Назначение электродов, классификация.
13. Подготовка сырья для анодной массы.
14. Процессы производства анодной массы.
15. Оборудование производства обожжённых анодов.
16. Характеристика основных операций производства электродов.
17. Требования к электродам
18. Что такое первичный и вторичный кокс?