Тема 5.1 Гранулометрический состав анодной массы.

Раздел 5. Рецептура анодной массы.

Основы формирования структуры анода

К анодам алюминиевого электролизера предъявляют требования следующего характера:

— как к физическому телу, способному выдерживать механические нагрузки при высоких температурах и обеспечивать высокую электрическую проводимость,

— как к химически активному электроду, подверженному химическому и электрохимическому окислению в процессе электролиза и способному противостоять неблагоприятным воздействиям химического характера.

Эти условия можно удовлетворить, если построить структуру электрода по принципу композиционного материала, т. е. каркаса из коксового зерна (наполнителя) и связующего (матрицы) из каменноугольного пека. Согласно теории композиционных материалов, конечный продукт — композит превосходит по своим свойствам обе составляющие в отдельности.

Тем не менее композиционный характер структуры предопределяет и некоторые особенности работы анода в условиях электролиза криолитоглиноземного расплава. Важнейшие из них следующие.

1. В силу различия химических свойств кокса из наполнителя и кокса из связующего окисление их происходит с разной скоростью, что обуславливает неравномерное (селективное) окисление анода и осыпание части наполнителя, как показано на рис. 5.1.

2. Нескомпенсированная усадка материала матрицы при обжиге приводит к образованию в структуре кокса из связующего многочисленных дефектов (микротрещин, пор, расслоений и др.), что инициирует механическое осыпание частиц кокса.

Это означает, что при разработке рецептуры анодной массы следует использовать кокс-наполнитель со строго регламентированным значением реакционной способности. При расчете гранулометрического состава необходимо также предусмотреть плотную упаковку зерен, чтобы избежать высокой пористости анода и проникновения реакции окисления во внутрипористое пространство.

Тема 5.1 Гранулометрический состав анодной массы.

В практических условиях при наличии нескольких фракций укладка зерен размером от 12—15 до 1—2 мм представляет собой жесткий каркас будущей структуры анода. Этот класс материала называют наполнителем. Класс менее 1 мм подвергают мельничному размолу до размера менее 0,16 мм, в котором размеры частиц от 0,16мм до 0,010—0,040 мм распределяются относительно равномерно.Именно этот материал, т. е. пыль, используется для заполнения оставшегося пространства. Пылевая фракция компенсирует все дефекты укладки зерен наполнителя. Следует учесть другой важный фактор. Зерна кокса обладают пористостью, в том числе так называемой открытой пористостью. Открытые поры имеют выход к поверхности. При смешении шихты эти поры заполняются более мелкими зернами, на что требуется дополнительное количество материала средних и тонких фракций.

Максимальная обьемная плотность шихты при изменении содержания трех фракций:

- крупной (от 10-12 до 4-5мм)

-средней (от 4-5мм до 1,25-1мм)

- пыли (менее 0,16мм)

достигается если:

- крупной 20-30%

- средней 30-35%

-пыли 30-45%

Следует, однако, учесть, что максимальная объемная плотность не является единственным критерием оценки гранулометрического состава шихты. В частности, должны быть учтены дополнительные требования, касающиеся состава отдельных фракций.

Грубая фракция При использовании традиционной технологии анодов на электролизерах с самообжигающимися анодами размер зерна максимальной крупности составляет 6—8 мм. Существует правило: чем больше геометрические размеры анода, тем больше требуется размер зерна максимальной крупности. Однако увеличение размера крупной фракции более 8 мм затрудняет перестановку штырей на электролизерах с верхним токоподводом. В то же время многочисленные исследования и промышленные данные говорят о том, что увеличение размера зерна крупной фракции способствует:

- снижению усадки анода,

-препятствуют образованию макро- и микро трещин,

- уменьшает образование угольной пены и удельный расход углерода.

Эту проблему удается решить путем использования технологии «сухой» анодной массы и раздельной загрузки «сухой» и подштыревой массы. При технологии сухого анода основная доля массы с максимальным размером зерна 12—15 мм загружается в аноды в виде «сухой» массы, а в лунки при перестановке штырей грузится подштыревая масса с высокой текучестью и максимальным размером зерна 4—5 мм. Никаких трудностей при перестановке штырей при этом не отмечается.

Что касается анодной массы для предварительно обожженных анодов, то для анодных блоков больших размеров (например 1445х700х600 мм) размер зерна крупной фракции, применяемый в промышленности, также составляет 12—15 мм, дальнейшему его увеличению препятствует рост закрытой пористости крупного зерна кокса и, соответственно, возможное снижение объемной плотности анода.

Средние фракции. Целый ряд источников указывает на целесообразность ограничения содержания в шихте средних фракции. При большом содержании средних фракций существенно возрастает селективность окисления анода, рекомендует устранить или максимально снизить в составе сухой шихты класс —2+0,40 мм и повысить за счет этого класс 2—6 мм. С точки зрения максимальной упаковки большого количества средней фракции не требуется.

Пылевая фракция. Пылевая фракция может контролироваться по классам —0,16, —0,08 или —0,074 мм. Отмечено, что при содержании в шихте 45—50% пыли наблюдается минимальный выход угольной пены и наименьший расход анода при электролизе.

Увеличение содержание мелкой фракции способствует:

- снижению пористости,

-механическая прочность возрастает,

-разрушаемость снижается(при содержании мелкой фракции до50-60%) затем резко возрастает.

При производстве анодной массы для самообжигающихся анодов на основе нефтяных коксов на отечественных предприятиях используют следующие составы шихты:

Гранулометрический состав коксовой шихты ВгАЗа

Крупка 1 14±2% (-6+4 мм);

Крупка 2 16±2% (-4+2 мм)

Отсев 38±2% (-2+0,63 мм);

Пыль 30±2% (-0,08 мм).

Связующее 28-30%, шихта 70-72 %.

Для производства обожженных анодов применяется гранулометрический состав шихты

Грубая фракция состоит из дробленных огарков и возврата обожженных анодов.

Средняя фракция исключительно из кокса