Оптимизация состава, дисперсности и химических свойств поверхности компонентов рецептур анодной массы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.18, кандидат технических наук Тюменцев, Валерий Михайлович

• Тюменцев, Валерий Михайлович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тюменцев, Валерий Михайлович

1. Введение.

2 .Аналитический обзор.

2.1 Физико-химические свойства коксопековых композиций анодной массы.

2.1.1 Зависимость свойств композиций кокс — связующее от их состава.

2.1.2. Влияние физико-химических свойств нефтяного кокса на характеристики углеродных композиции на его основе.

2.1.3 Влияние структуры и свойств пеков на характеристики коксопековых композиций.

2.2 Физико-химическое взаимодействие поверхности углеродных порошков и связующего.

2.2.1 Функциональные группы на поверхности углеродных порошков.

2.2.2 Формирование структуры и свойств углеграфитовых материалов в зависимости от химических свойств поверхности углеродных порошков. .34 2.3. Качество анодной массы в технологии самообжигающегося анода с верхним токоподводом.

3. Влияние физико-химических свойств каменноугольных пеков на качество анодной массы.

3.1 Стабилизация качества анодной массы на основе разнородных пеков.

3.2. Физико-химические свойства смесей пеков. Оптимальная шихтовка пеков.

3.3. Выводы.

4. Влияние состава и свойств смесей каменноугольного и нефтяного пеков на характеристики анодной массы.

4.1 Физико-химические свойства анодной массы, приготовленной на смеси пеков.

4.2.Оптимизация дисперсного состава кокса и технологических параметров смешения пеков.

5. Влияние физико-химических свойств нефтяных коксов на качество анодной массы.

5.1.Физико-химические свойства нефтяных коксов, поставляемых на БрА3.

5.1.1. Свойства сырых нефтяных коксов.

5.1.2. Свойства прокаленных нефтяных коксов.

5.2. Свойства анодной массы на основе нефтяных коксов, поставляемых на БрАЗ.

5.3. Свойства анодной массы на основе смесей коксов.

6. Влияние физико-химических свойств «суммарного» кокса на свойства анодной массы.

6.1. Физико-химические свойства «суммарных» коксов.

6.2. Влияние температуры прокалки на физико-химические свойства крупных и мелких фракций «суммарных» коксов.

6.3. Качество анодной массы на основе крупных и мелких фракций «суммарных» коксов.

6.4. Оптимизация технологии подготовки «суммарных» коксов для производства анодной массы.

7. Химическая модификация поверхности ингредиентов анодной массы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация состава, дисперсности и химических свойств поверхности компонентов рецептур анодной массы»

В настоящее время большая часть отечественного алюминия производится на крупнейших в мире Сибирских алюминиевых заводах, производящих анодную массу для собственных нужд. Производство анодной массы на этих заводах велико, и ни один производитель пека в России не может закрыть их полную потребность в электродном пеке. Как правило, сибирские алюминиевые заводы получают пеки от 5-10 поставщиков и альтернативы этому пока нет. Аналогичная ситуация сложилась и с поставками коксов (612 поставщиков).

Большое количество поставщиков компонентов анодной массы обусловливает нестабильность их свойств и характеристик анодной массы. В конечном итоге это отрицательно сказывается на технологии самообжигающихся анодов и технологии электролиза и является одной из причин высокого удельного расхода анодной массы (570-590 кг/т алюминия).

Основной целью работы является оптимизация физико-химических свойств компонентов анодной массы для технологии самообжигающегося анода с верхним токоподводом, используемой Братским алюминиевым заводом (БраЗ). Это позволит снизить расход пека на производство анодной массы и повысить ее качество. При этом снижение содержания пека, а значит и летучих веществ в массе, должно обеспечить также уменьшение удельного расхода углерода и сокращение выбросов смолистых веществ в атмосферу.

Конечно, более радикальным решением является переход на производство и применение «сухой» анодной массы. Однако переход на новую технологию требует технического перевооружения со значительными затратами и переобучения обслуживающего персонала.

Как показывает опыт зарубежных фирм на это уходит до 5 лет. Поэтому в переходный период вполне оправданным может быть использование технологии производства и применения анодной массы с пониженным содержанием связующего, которая бы позволяла реализовать обычную технологию самообжигающегося анода с верхним токоподводом.

В России есть опыт постепенного перехода к технологии "полусухого анода" - на Красноярском алюминиевом заводе (КрАЗ). В основу концепции перехода была положена технология так называемого «полусухого» анода с попеременной загрузкой в анод «сухой» и «жирной» (под перестановку штырей) анодной массы. Параллельно при техническом содействии фирмы «Кайзер Алюминиум» проводилось техническое перевооружение цеха анодной массы. В настоящее время технология «полусухого» анода по информации специалистов КрАЗа можно считать внедренной в масштабе всего завода.

Если оценивать результаты внедрения технологии «полусухого» анода на КрАЗе, то однозначную оценку ей, с точки зрения поставленной задачи дать нельзя.

Во-первых, фактическое средневзвешенное содержание связующего при использовании 60% «сухой» и 40% «жирной» массы на КрАЗе составляет порядка 31%. Это в среднем на 1% выше чем на БрАЗе, на котором за счет снижения степени прокалки кокса, рационального использования пеков и стабилизации текучести анодной массы содержание связующего снижено в среднем с 31% до 30% при реализации обычной технологии анодов.

Во-вторых, технология «полусухого» анода в принципе невозможна без производства «сухой» анодной массы. Это потребовало провести реконструкцию цеха анодной массы (Н АМ) со значительными валютными затратами.

В-третьих, технология «полусухого» анода оказалась достаточно сложной. На КрАЗе на отработку и освоение этой технологии потребовалось порядка 5 лет.

Тем не менее, если сопоставить все «плюсы» и «минусы» концепции КрАЗа и результатов ее реализации, то ни по срокам, ни по затратам, ни по 6 достигнутому расходу пека она не удовлетворяет требованиям программы БрАЗа по снижению расхода пека и снижению затрат на производство анодной массы и алюминия.

Поэтому для действующего производства БрАЗа актуальным является оптимизация состава, дисперсности и химических свойств поверхности компонентов рецептур анодной массы. Совершенствование ее состава и технологии позволит снизить дозировку связующего с сохранением текучести массы и ее высоких потребительских свойств для технологии самообжигающегося анода с верхним токоподводом.

Заключение диссертации по теме «Химия, физика и технология поверхности», Тюменцев, Валерий Михайлович

8. Выводы по работе.

1. В работе исследован механизм регулирования и управления качественными показателями анодной массы путем шихтовки пеков, поскольку поставляемые на БрАЗ пеки существенно различаются по групповому составу и спекающей способности, что может являться дестабилизирующим фактором в технологии производства анодной массы и самообжигающихся анодов. Изменение дозировки связующего и температуры смешивания массы не позволяет в достаточной степени сблизить свойства анодной массы на основе разнородных пеков. Степень помола пылевой фракции действует разнонаправлено на качество анодной массы на основе тяжелых и легких пеков. При температуре порядка 170°С пеки после механического перемешивания образуют устойчивые смеси со средневзвешенными для данной смеси свойствами.

2. Наиболее эффективным фактором, позволяющим повысить долю нефтяного пека в смеси является состав коксовой шихты, в том числе содержание и тонина помола пыли. При обеспечении тонины шарового помола пыли в пределах не менее 65% доля нефтяного пека в смеси может быть повышена до 50% с получением массы, отвечающей по своим качественным показателям установленным требованиям.

3. Оптимальными технологическими параметрами процесса смешения рецептур на основе каменноугольных и нефтяных пеков, обеспечивающими минимальное значение коэффициента неоднородности и максимальную прочность адсорбционно-сольватных слоев для смесильных установок являются - при 25% смеси производительность 11-12 т/ч; температура смешивания 110-190°С; (предпочтительно 150-190°С); при 50% смеси и выше -производительность 10-15 т/ч; температура смешивания 150-170°С.

4. Целесообразно оценивать параметры коксов на основе их классификации по структурно-пористым характеристикам и постепенно

165 снижать использование высокопористых коксов. Тем самым будет обеспечено повышение однородности коксового сырья и повышение его качества в целом.

5. При выборе температуры прокалки «суммарных» коксов для исключения явлений селективного окисления и усадки анода необходимо учитывать особенности их структурной перестройки.

6. Химическая модификация поверхности ингредиентов анодной массы позволяет управлять ее основными эксплуатационными характеристиками. При низком содержании связующего в рецептуре анодной массы (28%) окисление кокса положительно влияет на прочность анодной массы, при увеличении содержания связующего до 31% эффект меняет знак, и можно говорить лишь об общем изменении прочности образцов анодной массы по всем фракциям.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тюменцев, Валерий Михайлович, 2000 год

1. Фиалков А. С. Формирование структуры и свойств углеграфитовых материалов.-М.: Металлургия, 1965.-286 с.

2. Ребиндер П. А. Адсорбционные слои и их влияние на свойства дисперсных систем. // Известия АН СССР, ОМЕН, Серия химическая, -1936, -№ 5, -с. 639-706.

3. Емельянов А. Н., Сюняев 3. И., Долматов JI. В. Аналитический метод определения расхода связующего для приготовления анодной мас-сы./ЯДветные металлы, -1970, -№ 10, -с. 42-45.

4. Mallison H. Zur Frage der Verteilung des Pechs im Stcin-kohlenbrikett.//Brennstotf-Chemie, -1958, Bd 39, -№ 1/2, -S. 13—14.

5. О формировании пластических свойств анодной массы/ Янко Э. А., Лазарев В. Д., Анохин Ю. М, Потапова В. И.//Цветные металлы, -1972, -№ 10, -с. 33-36.

6. Бикерман Я. О. Новые представления о прочности адгезионных свя-зей.//Успехи химии, -1972, т. 41, 8, с. 1431—1464.

7. Lewis J. В. Thermal gas reaction.// Modem aspects of graphite technology. London: Academic Press, -1970.-pp. 346-354.

8. Липатов Ю. С. Физико-химия наполненных полимеров. -Киев: Нау-кова думка, 1967, -322 с.

9. Greenhaigh Е. and Moyse M. Е. Contact angle of pitch or carbon surfaces.// Third conference industrial carbon and graphite. London: Society Chemical Industry, -1970,-p. 539—549.

10. Mason C. R. Correlation between pitch binder properties and properties of Soderberg electrodes. // Fuel, -1970, vol. 49, -№ 2, -p. 165-174.

11. Емельянов A. H. Исследование влияния технологических параметров на качество облагороженных нефтяных коксов и расход связующего приизготовлении из них анодной массы: Дис.канд. техн. наук. -Уфа:. Уфимский нефт. институт, 1969.- 185 с.

12. Сюняев 3. И. Облагораживание и применение нефтяного кокса. -М.: Химия, 1966.-134 с.

13. Jakob R. R. Соке quality and how to make it.//Hydrocarbon Process., -1971, vol. 50, -№ 9, -p. 132—136.

14. Brooks J., Taylor G. The formation of graphitizing carbons from the liquid phase.// Carbon, -1965, vol. 3, -№ 2, -p. 185—193.

15. Степаненко M. А., Брон Я. А., Кулаков Н. К. Производство пеково-го кокса. -Харьков: Металлургиздат, 1961.-239 с.

16. Фиалков А. С. Технология и оборудование электроугольного производства. М.—Л.: Госэнергоиздат, 1958.-187 с.

17. Nellensteyn F. J., Kuipers J. Р. Die Mikronenzatil. //Teer und Bitumen, -1933, Bd 31,-№26, -S. 309 -312.

18. Schafer H. G. Einige physikalische und technische Eigen-schaften von Steinkohlenteerpech in ihrer Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung. // Erdöl und Kohle—Erdgas Petrochemie, -1967,- № 6, -S. 416-419.

19. Hügel G. Untersuchungen an Sleinkohlenteerpech.//Brenn-stoff-Chemie, -1958, Bd 39, -№ 13/14, -S. 213—217.

20. Thomas В. E. High resolution triples tar mass spectra peaks. // Chemical Engineering, -1967, -№ 9, -p. 37.

21. Малинский Ю.М. О влиянии твердой поверхности на процессы релаксации и структурообразования в пристенных слоях полимеров.//Успехи химии, -1970. т.29 -№ 8, -с. 1511-1535.

22. Фиалков A.C., Галеев Г.С., Тян JI.C. Электронный парамагнитный резонанс в каменноуголном пеке.//Химия твердого топлива, -1967, -№2. -с. 108-110.

23. Thomas В. Е. Electrode pitch. // The Gas World-Coking, -1960, -2, April, -p. 51—66.

24. Puri B.R. Surface complexes of carbon.// Chemistry and physics of carbon. New York: M. Dekker Inc., -1970, vol. 6, -pp. 191-282.

25. Лазарев В.Д., Тюменцев B.M., Богатырев B.P. Роль пеков-связующих в формировании пластических свойств анодной массы./ЯДветные металлы, №3, 1999-С.44-48.

26. Коробов М.А., Дмитриев А. А. Самообжигающиеся аноды алюминиевых электролизеров М.: Металлургия, 1972, 205 с.

27. Джонсон Д.А. Обзор результатов внедрения технологии сухой анодной массы Кайзер // Технико-экономический вестник, КрАЗ Кайзер -ВАМИ, Красноярск, 1997, с. 12-18.

28. Ахметов М.М., Тюменцев В.М., Богатырев В.Р., Борзилова В.В., Карпинская H.H. Пути снижения расхода кокса в производстве алюминия// Химия и технология топлива и масел, №4 1999- с. 10-11.

29. Привалов В.В., Степаненко М.А. Каменноугольный пек. М.:: Металлургия. 1981. - 208 с.

30. Чалик С.М., Ласукова Л.П., Свердлин В.А. // Цветные металлы. 1974. № 1. с. 45-50.

31. Янко Э.А., Лазарев В.Д., Воропаев В.Н., Тугарин C.B. // Цветныеметаллы. 1976. № 6. с.48-51.

32. Крысин В.П. Исследование по модификации свойств пека с температурой размягчения 110-120°С и разработка конструкции аппарата для охлаждения и грануляции высокотемпературного пека. Отчет НИР по договору № 64, Свердловск, УХИН, 1989 Г.-186 с.

33. Янко Э.А., Лазарев В.Д., Воронков М.Г., Дерягина E.H. Исследование влияния добавок в анодную массу на ее физико-химические свойства//Цветные металлы. 1975. № 10. с. 38-42.

34. Янко Э.А., Лазарев В.Д., Потапова В.И., Анохин Ю.М. // Кокс ихимия. 1973, №6. с. 32-36.

35. Красюков А.Ф. Нефтяной кокс М.: Химия, 1966. -274 с.

36. Лазарев В.Д., Янко Э.А., Маркелова Л.И., Сенюта С.А., Ахметов М.М. О формировании физико-химических свойств пеко-коксовых композиций //Цветные металлы. 1979, № 5 с. 46-50.

37. Янко Э.А., Лазарев В.Д., Анохин Ю.М., Потапова В.И. О формировании пластических свойств анодной массы// Цветные металлы. 1972, №10. с. 33-36.

38. Усовершенствование производства электродной продукции для алюминиевой промышленности. Отчет о НИР ВАМИ; Руковод. Ведерников Г.Ф., Копельман М.И.- № 5-65-070,-Л, 1969.-142 с.

39. Капелянов В.Н. // Цветные металлы. -1990, -№ 7, -с. 75.

40. Балыкин В.П. и др. // Химия твердого топлива, -1983. -№ 6 -с. 118123.

41. Маркина Н.Б., Балыкин В.П. // Цветные металлы. -1991, -№ 4, -с.29.31.

42. Сюняев З.И. Нефтяной углерод. М.: Химия, 1980 г. - 272 с.

43. Лазарев В.Д., Янко Э.А. Исследование некоторых физико-химических процессов в пеко-коксовых композициях // Химия твердого топлива. 1976.-№ I.e. 77-80.

44. Фиалков A.C. Углеводородистые материалы. М., Энергия, 1989,320 с.

45. Долматов A.B. Способы повышения плотности электродных пеков // Цветные металлы. 1991. - № 3. - с. 42-44.

46. Янко Э.А., Лазарев В.Д. и др. О формировании пластических свойств анодной массы // Цветные металлы. 1972. - № 10.-е. 33-36.

47. Балыкин В.П. и др. // Химия твердого топлива. 1993. - № 6. - с. 113-123.

48. Маркина Н.В., Балыкин В.П. // Цветные металлы. 1991. - № 4. - с.29.31.

49. Санников А.К., Балыкин В.П. и др. Исследование модифицирования поверхности углеродистого наполнителя в процессе его тонкого измельчения. Сб. научных трудов. - Производство электродной продукции. НИИГрафит. -М., 1984.325 с.

50. Лазарев В.Д., Чалых В.И., Тюменцев В.М., Богатырев В.Р. Влияние источника кокса на формирование и стабильность свойств анодной мас-сы.//Цветные металлы, № 12, 1999-C.25-30.

51. Колодин Э.П., Вишнев В.Г., Никитин В.Я. Взаимосвязь коксового сырья и эксплуатационных свойств анодной массы и обожженных анодов.// Труды ВАМИ, Л.:, 1984 Г.-388 с.

52. Колодин Э.П., Никитин В.Я. //Цветные металлы, 1982 г., № 8, с.44.45.171

53. Лазарев В.Д., Янко Э.А. и др.// Цветные металлы, 1982 г., № 1, с.49.52.

54. Лазарев В.Д., Полевой Б.Н. //Цветные металлы, 1993, № 6, с. 59-61.

55. Билицкус Д.Л. //Цветные металлы. 1995, № 9, с. 42-45.

56. Патент РФ 2064483 МКИ 6 С 10 В 39/10. Барабанный холодильник для охлаждения кокса / Ахметов М.М., Юсупов Э.А., Тюменцев В.М.-№93052988/26; заявлено 23.11.93; опубл. Б.И.№21,1998.-c.194.

57. Патент РФ 2080418 С1 МКИ С 25 С 3/12 Способ производства анодной массы алюминиевых электролизеров / Лазарев В.Д., Махалова Н.П., Тюменцев В.М.-№93025933/02; заявлено 30.04.93; опубл. Б.И. № 15, 1997.-е. 131.

58. Патент РФ 2128246 С1 МКИ 6 С 25 С 3/12 Способ подготовки коксов разных поставщиков перед прокалкой для производства анодной массы / Лазарев В.Д., Баранцев А.Г., Тюменцев В.М.-№97120677/02; заявлено 02.12.97; опубл. Б.И. № 9,1999.-е. 359.

59. Лазарев В.Д., Маркелова Л.И., Бессонов Г.Л., Тюменцев В.М. Пути улучшения качества анодной массы, изготовленной на основе нестандартных каменноугольных пеков // Цветные металлы № 6,1996-е. 27-32.