Снижение энергозатрат при электролитическом производстве алюминия за счет применения хромуглеродсодержащих покрытий блюмсов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Гамаюнов, Иван Геннадьевич

• Гамаюнов, Иван Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гамаюнов, Иван Геннадьевич

Введение

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР КАТОДНОГО УСТРОЙСТВА

АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ

1.1 Напряжение на электролизере

Конструкции катодного устройства алюминиевых электролизе

1.2 12 ров

1.3 Катодный кожух электролизеров

1.4 Футеровка катодного кожуха

1.5 Монтаж подины

1.6 Подготовка подовых блоков и сборка катодных секций

1.7 Причины выхода из строя катода

1.8 Виды аварий катода

1.9 Механизмы разрушения катода

1.10 Способы защиты металлов от коррозии

1.11 Защитные покрытия

Выводы по литературному обзору и формирование задач иссле-1. дования

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМИЗАЦИИ

ТОКОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Влияние конструктивных и технологических решений на срок

2.1 49 службы электролизеров

2.2 Распределение тока в подине

2.3 Исследования распределения тока в подине

2.4 Влияние распределения тока на работу подины

2.5 Электрические переходные контакты

2.6 Расчет падения напряжения в катоде электролизера

2.7 Электрические переходные контакты алюминий - сталь

2.8 Выводы по главе

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СТАЛИ И ХРОМСОДЕРЖАЩИХ ПОКРЫТИЙ С РАСПЛАВЛЕННЫМ

АЛЮМИНИЕМ

3.1 Методика получения порошка мелкодисперсного графита

Определение гранулометрического состава на лазерном ди

3.2 83 фракционном анализаторе

Результаты измерений гранулометрического состава порошка

3.3 84 графита после диспергирования на бисерной мельнице

3.4 Методика нанесения хромуглеродсодержащего покрытия

3.5 Рентгеноструктурный анализ покрытия

3.6 Испытания стали с хромуглеродсодержагцим покрытием

3.7 Расчет количества железа, поступающего в электролизер

3.8 Выводы по главе

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАДЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В КОНТАКТЕ БЛЮМС - ПОДОВЫЙ БЛОК

Методика исследование падения напряжения в контакте блюмс

4.1 109 - подовый блок

4.2 Расчет ожидаемой экономической эффективности

Расчет затрат на нанесение композиционных хромуглеродсо

4.3 125 держащих покрытий на поверхность блюмса

4.4 Выводы по главе 129 Заключение 130 Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Снижение энергозатрат при электролитическом производстве алюминия за счет применения хромуглеродсодержащих покрытий блюмсов»

Актуальность работы. Алюминий лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия. Широкое применение алюминия в качестве конструкционного материала обуславливает необходимость постоянно наращивать его производство. По оценке аналитиков ежегодный прирост потребления алюминия в мире до 2016 года будет увеличиваться в среднем на 3,8 %, что составляет примерно 1 200 тыс. тонн алюминия от объемов существующего производства. Важной задачей производителей алюминия является снижение себестоимости, что может быть достигнуто за счет уменьшения расходов электроэнергии и конструкционных материалов. Удельный расход электроэнергии, и, как следствие, напряжение на электролизере, обусловлены материальным балансом и конструкцией электролизера. Следовательно, все действия, направленные на снижение напряжения, должны сопровождаться изменением конструкции либо изменением технологических параметров электролиза. Напряжение на электролизере зависит от многих параметров, в том числе и от качества контакта в узлах электролизера, а расход материалов определяется сроком службы электролизера. Продолжительность работы электролизера зависит от срока службы катодного узла, который включает в себя токоподводящие стальные стержни (блюмсы). В процессе электролитического получения алюминия путем электролиза из криолит-глиноземных расплавов происходит растворение блюмсов, что приводит к преждевременному выходу катодного блока из строя, а соответственно, к загрязнению алюминия-сырца железом. Повышенное содержание железа в первичном алюминии приводит к снижению сортности, что снижает эффективность производства алюминия. Традиционным способом защиты является изготовление оборудования из легированных хромом и никелем сталей или нанесение защитных покрытий на основе карбида кремния, титана и т.д. Однако изготовление блюмсов из нержавеющей стали значительно повышает его стоимость, а применение защитных покрытий из хрома повышает электрическое сопротивление блюмсов, что приводит к повышению расхода электроэнергии.

Для предохранения блюмсов целесообразен отход от традиционных методов защиты. В качестве перспективного направления весьма актуально рассмотреть нанесение на блюмс композиционных хромовых покрытий с включениями мелкодисперсного углерода для повышения электропроводности.

Цель работы. Модернизация катодного узла электролизера для производства алюминия путем нанесения на блюмсы, изготовленные из углеродистой стали, углеродсодержащих композиционных хромовых покрытий.

Для реализации этих целей были поставлены и решались следующие задачи:

• изучение влияния различных факторов на падение напряжения в катодном узле;

• анализ влияния растворения материала блюмсов на технико-экономические показатели промышленного производства алюминия;

• исследование скорости растворения металлов и хромсодержащих сплавов в расплавленном алюминии;

• разработка методики снижения падения напряжения в контакте «блок-блюмс» на основе хромуглеродных покрытий;

• определение стойкости защитного слоя к воздействию расплавленного алюминия;

• изучение падения напряжения в контакте «угольный блок-блюмс с хромуглеродным слоем».

Методы исследования. В работе для решения поставленных задач использовались гравиметрические и электрохимические методы определения стойкости материалов в технологических средах производства алюминия, статистическая обработка результатов измерений с применением пакета прикладных программ «Microsoft Excel», микроскопический анализ для изучения структуры получаемых хромовых покрытий. Эксперименты с расплавленным алюминием проводились в лабораторных условиях. Производились измерения температур теплоотдающих поверхностей блюмсов инфракрасным пирометром «TermaCAM Е45».

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается привлечением установленных ГОСТом методик при современном метрологическом обеспечении лаборатории ИрГТУ и воспроизводимостью результатов параллельных опытов.

Научная новизна работы заключается в том, что на основе выполненных исследований и анализов впервые:

• изучена скорость растворения блюмсов в расплавленном алюминии в интервале температур 700-900°С;

• установлено, что в диапазоне температур 700-800 °С процесс растворения блюмсов контролируется законами диффузии, а с повышением температуры - кинетическими закономерностями;

• установлено влияние добавки мелкодисперсного углерода в хромсо-держащее покрытие блюмсов на увеличение электропроводности контакта «блок-блюмс», приводящее к снижению удельного расхода электроэнергии;

• предложена классификация раннего обнаружения процессов разрушения подины с помощью хром-индикатора.

Практическая значимость. Предложена методика увеличения электропроводности контакта «угольный блок - блюмс» и защиты блюмсов от растворения в расплавленном алюминии при разрушении подины с помощью применения хромуглеродсодержащего слоя. Данная методика позволяет снизить скорость растворения блюмсов в расплавленном алюминии в

2 раза, что повышает сортность получаемого алюминия и увеличивает срок службы электролизера, а так же уменьшить падение напряжения в контакте «угольный блок - блюмс» в 2,5 раза. Предложен способ раннего обнаружения разрушения подины с помощью хром-индикатора. Ожидаемый экономический эффект от использования результатов работы на Братском алюминиевом заводе составит более 36 млн. долл. в год.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно практических конференциях «Перспективы развития технологии, экологии и автоматизации химических, пищевых и металлургических производств» (Иркутск, 2006; 2007;2008); 2-ой Всероссийской школе-семинаре ученых, с международным участием, посвященной 75-летию со дня рождения члена корреспондента РАН С.Б. Леонова «Обогащение руд» (Иркутск, 2006); VI -ой всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов алюминиевой промышленности ОАО«СибВами» (Иркутск, 2008).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 12 работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК.

Объём и структура работы. Диссертационная работа содержит 144 страниц машинописного текста, 62 рисунка и 41 таблицу. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 131 наименования.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Гамаюнов, Иван Геннадьевич

4.4 Выводы по главе

1. В процессе исследований установленно, что при использовании хромуглеродно-го покрытия, падение напряжения в контакте "углерод - сталь с хромуглеродным покрытием", уменьшается в 2,5 раза по сравнению с контактом "углерод - сталь СтЗ". Поскольку потери напряжения, по данным промышленных исследований, в контакте "блюмс - угольный блок" составляют от 100 мВ до 300мВ[122], при использовании блюмсов с хромуглеродным покрытием предполагаемые потери напряжения составят 40-120 мВ, что позволит снизить расход электроэнергии.

2. Согласно полученным лабораторным данным, при использовании хромуг-леродного покрытия, падение напряжения в контакте "углерод - сталь с хромуглеродным покрытием", уменьшается в 2,5 раза по сравнению с контактом углерод - сталь СтЗ.

3. Внедрение в промышленном масштабе блюмсов с хромуглеродсодержа-щим покрытием обеспечит снижение удельного расхода электроэнергии на производства алюминия-сырца. Повысится качество производимого алюминия. Метод обнаружения процессов разрушения подины с помощью хром-индикатора позволит увеличить срок службы электролизера, что благоприятно скажется не только на технико - экономических показателях, но и улучшит рентабельность производства.

4. Суммарный экономический эффект от внедрения результатов работы составит более 36 млн. долл. в год.

9. Из вышесказанного следует, что для предотвращения загрязнения алюминия-сырца железом и увеличения электропроводности блюмсов, а также для увеличения срока службы электролизера и рентабельности производства, на блюмсы следует наносить хрому глерод со держащие защитные покрытия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе даны решения актуальных задач:

- уменьшения удельного расхода электроэнергии путем снижения падения напряжения в контакте "блюмс - подовый блок";

- повышения качества производимого алюминия путем сокращения поступления в электролизер железа;

- повышения стойкости к растворению в расплавленном алюминии блюмсов путем нанесения на него хромуглеродсодержащего покрытия;

- увеличения срока службы электролизера;

- сокращения себестоимости производимого алюминия.

На основании проведенных исследований получены следующие основные результаты:

• установлена скорость растворения образцов стали, из которой изготовлены блюмсы, в расплаве электролитического алюминия получаемого в электролизерах Иркутского и Братского алюминиевого завода при температуре 900°С в 3 раза выше, чем при температуре 700°С и составляет 2189,5 мм/год и 750,6 мм/год соответственно;

• определена энергия активации скорости растворения стали в расплаве алюминия, которая составляет при температуре 700- 800 °С 14,4 кДж/моль, а при температуре 800- 900 °С 94,6 кДж/моль, что свидетельствует о том, что при низких температурах контроль скорости растворения железа диффузионный, а с повышением температуры переходит в кинетический;

• определено, что скорость растворения стали СтЗ с хромуглеродсодер-жащим покрытием в 2 раза меньше, чем стали СтЗ в расплаве электролитического алюминия при температуре 900 °С ; установлено, что при использовании стали СтЗ с хромуглеродным покрытием, падение напряжения в контакте "углерод - сталь с хромуглеродным покрытием", уменьшается в 2,5 раза по сравнению с контактом "углерод - сталь СтЗ"; • предложен метод раннего обнаружения процессов разрушения подины с помощью хром-индикатора.

Использование результатов работы в целом обеспечит сокращение поступления не сырьевого железа в электролизер на 60%; сокращение потребления электроэнергии электролизным производством более, чем на 245 млн. кВт/год.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов работы на Братском алюминиевом заводе составит более 36 млн. $ в год.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гамаюнов, Иван Геннадьевич, 2011 год

1. Скворцов Н.Г., Ахмедов С.Н., Громов Б.С, Пак Р.В., Борисоглебский Ю.В. "Исследование падения напряжения в подовых блоках с блюмсами различного сечения", Цветные металлы, №10, 2002г. с.55-56.

2. Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия / под ред. Ю.В. Баймакова, Я.Е. Конторовича. М. : Металлургия, 1971.-560 с.

3. Кузнецов В.А.,Ример А.К. "Динамика падения напряжения в подине электролизеров на ОАО «БрАЗ» и возможности его снижения" Технико-экономический вестник «Русского Алюминия», №12, 2005г., с. 2226.

4. Haupin W.E.//Light Metals.-V.l.-1975.-Р.339-349.

5. Баженов А.Е., Никитин В.Я., Славин В.В. Пути повышения эффективности капитального ремонта электролизеров // Цветные металлы. -1981.-№ 10.-С. 61-62.

6. Костюков A.A., Киль И.Г., Никифоров В.П. и др. Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия. М.: Металлургия, 1971.-560с.

7. Минцис М.Я. Распределение тока в алюминиевых электролизерах / М.Я. Минцис. Новокузнецк : СибГИУ, 2002. - 126 с.

8. Дубчак РВ. Совершенствование производства алюминия за рубежом / Р.В. Дубчак // Цветная металлургия. 1994. - № 10. - С. 28-33.

9. Вергазова Г.Д. Новые углеродистые массы и пасты для алюминиевых электролизеров / Г.Д. Вергазова, Г.А. Сиразутдинов. -М. : Нефть и газ, 1994. 86 с.

10. Grjotheim К. Aluminium Smelter Technology / К. Grjotheim, B.J. Welch. -Dusseldorf : Aluminium-Verlag GmbH, 1980. 146 p.

11. Прошкин A.B. Футеровочные материалы в алюминиевом производстве / A.B. Прошкин // VIII высшие российские алюминиевые курсы -Красноярск : 2005. 19 с.24. ТИ 25-48-07-200325. ТИ 17256-06-200326. ТУ 48-4805-133-2004

12. Рагозин J1.B., Ефимов A.A., Любушкин В.А., Сергеев В.А., Бахтин A.A. Влияние различных факторов на перепад напряжения в подине алюминиевых электролизёров // Технико-экономический вестник БрА-За.-2001.-№5.- С. 15-17.

13. Поляков, П.В. Пограничные слои в алюминиевом электролизере / П.В. Поляков // Высшие Российские алюминиевые курсы Красноярск, 2001.- 15 с.

14. Поляков П.В. Современное состояние производства алюминия / П.В. Поляков // Высшие российские алюминиевые курсы. Красноярск, 2004,- 15 с.

15. Лозовой Ю.Д. Пути повышения долговечности алюминиевых электролизеров: Дисс. канд. техн. наук: 05.16.03. -Красноярск, 1989.- 162с. Пимечание Краен ин-т цв. мет им. Калинина, спец Мет цв. и ред

16. Ахмедов C.H., Тихомиров B.B., Громов Б.С, Пак Р.В., Огурцов А.И. "Сравнительный анализ прочностных характеристик различных конструкций шпангоутных катодных кожухов". Цветные металлы, 2003, №8, с.19-24.

17. Тихомиров В.В., Ахмедов С.Н., Громов Б.С, Пак Р.В., Борисоглебский Ю.В. "Исследование напряженного состояния подовых блоков алюминиевых электролизеров". Цветные металлы, №6, 2002г., с. 47-50.

18. Тихомиров В.В., Ахмедов С.Н., Громов Б.С, Пак Р.В., Борисоглебский Ю.В. "Выбор параметров в прочностных расчетах катодных кожухов алюминиевых электролизеров" Цветные металлы, №1, 2003г., с. 55-58.

19. Сорлье М. Катоды в алюминиевом электролизе / М. Сорлье, Х.А. Ойя / пер. П.В. Полякова. Красноярск : КГУ, 1996. - 459 с.

20. Горланов Е.С., Никифоров С.А., Богомолов A.M., Каравайный A.A., Гаврилов J1.A. К вопросу о конструкции подовой секции и способах ее монтажа. // «Алюминий Сибири- 2007»: Сб. науч. ст.- Красноярск: Красноярский государственный университет, 2007 -с. 96.

21. Дыблин Б. С., Скворцов А. П., Унбуков Н. К. Оптимизация конструкции катодного узла алюминиевых электролизеров методом машинного модулирования. // «Алюминий Сибири- 1999»: Сб. науч. ст.- Красноярск: Красноярский государственный университет, 1999 -с. 68.

22. Беляев А.И. Электрометаллургия алюминия / А.И. Беляев, М.Б. Рапопорт, JI.A. Фирсанова. М. : Металлургиздат, 1953. - 720 с.

23. W.E. Haupin. Interpretation the Components of Cell Voltage. Light metals 1998. p. 531 -538.

24. Кадричев В.П. Измерение и оптимизация параметров алюминиевых электролизеров / В.П. Кадричев, М.Я. Минцис. Челябинск : Металл, 1995.- 135 с.

25. Лозовой Ю.Д. О роли распределения тока по катодным стержням электролизера// Цветные металлы,- 1979.- №11.- С.31-33.43. http://www.elemer.ru

26. Мещеряков С.М. Баланс напряжения и распределение тока в электролизере / С.М. Мещеряков // Технико-экономический вестник Красноярск : КрАЗ, 1996.-№ 5, —С. 17-19.

27. Влияние распределения тока на выход по току в электролизерах на 160 кА с обоженными анодами. Shuiping Z., Qiuoing Z. Effect of current distribution on current efficient in 160 kAprebake cells // Light Metals.-2002- pp. 503-509.

28. Грибков К.А., Парамонов С.А. Исследование токораспределения по катодным секциям электролизера. // Сб.научно-исслед. работ "ИркАЗ-СУАЛ". Шелехов, 2000. - С 50-56.

29. Баженов А.Е., Дынкин М.Е., Цыплаков A.M. О некоторых причинах преждевременного ремонта алюминиевых электролизеров // Цветные металлы, 1981. - № 112. - С. 67-69.

30. Grjotheim К. Understandig the Hall-ffiroult Process for Production of Aluminium / K. Grjotheim, H. Kvande. Düsseldorf: Aluminium-Verlag, 1986.- 164 p.

31. Николаев И.В. Металлургия легких металлов / И.В. Николаев, В.И. Москвитин, Б.А. Фомин. М. : Металлургия, 1997. - 430 с.

32. Богунов А.З., Кузовников A.A., Малышев В.В. и др. Сталеалюминие-вые вставки нового типа: формирование соединения и оценка прочности. в сб. докладов X Международной конференции «Алюминий Сибири 2004». - Красноярск.: -2007. - с. 156 - 160.

33. Сорокин В.Г., Волосникова A.B., Вяткин С.А. Марочник сталей и сплавов. М.: Машиностроение. - 1989. - 640 с.

34. Кузьмин В.И., Лысак В.И., Кривенцов А.Н. и др. Способ получения композиционного сталеалюминиевого переходника сваркой взрывом. -Патент РФ № RU 2194600. опубл. 20.12.2002.

35. Мангараков С.А., Волков К.Ю., Школьников М.Р. Опытно-промышленные испытания анодных штырей новой конструкции. -Электрометаллургия легких металлов. Сб. научн. тр. Иркутск. -2000.-c.16.

36. Баранов А.Н., Михайлов Б.Н., Селектор С.Л. Коррозия и защита металлов. Учеб. пособие. Иркутск: изд-во Иркутского ун-та. - 1977. - 4 с.

37. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М.: Металлургия -1976.

38. Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита от коррозии. М.: Химия. - 2002. - 336 с.

39. Шрайер Л.Л. Коррозия. Справ, изд. Пер. с англ. М.: Металлургия. -1981.-632 с.

40. Акимов Г. В. Теория и методы исследования коррозии металлов. -М.— Л.: изд-во АН СССР. 1945. - 414 с.

41. Розенфельд И. Л., Жигалова К. А. Ускоренные методы коррозионных испытаний металлов. М.: «Металлургия», - 1966. - 347 с.

42. Романов В. В. Методы исследования коррозии металлов. М.: Металлургия - 1965. - 280 с.

43. Томашов Н. Д., Жук Н. П., Титов В. А., Веденеева М. А. Лабораторные работы по коррозии и защите металлов. М.: Металлургия - 1971. 280 с.

44. ГОСТ 9.908-85 Единая система защиты от коррозии и старения. Металлы и сплавы.Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости

45. ГОСТ 17332-71 Единая система защиты от коррозии и старения. Металлы, сплавы, покрытия металлические и неметаллические неорганические. Методы испытаний на климатических испытательных станциях.

46. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М.: Металлургия -1976.

47. Акимов Г. В. Теория и методы исследования коррозии металлов. -М.—Л.: изд-во АН СССР. 1945. - 414 с.

48. Арзамасов Б.Н., Брострем В.А., Буше H.A. и др. Конструкционные материалы: Справочник. М.: Машиностроение. - 1990. - 688 с.

49. Хауффе К. Реакции в твердых телах и на их поверхности. -М.: Изд-во иностр. лит-ры. -1963. -Т.1. -276 с.

50. Хауффе К. Реакции в твердых телах и на их поверхности. -М.: Изд-во иностр. лит-ры. -1963. -Т.2. -276 с.

51. Томашов Н. Д., Жук Н. П., Титов В. А., Веденеева М. А. Лабораторные работы по коррозии и защите металлов. -М.: Металлургия 1971. 280 с.

52. Архаров В.И. Окисление металлов при высоких температурах,- Свердловск: Металлургиздат, 1945. 184 с.

53. Электронный ресурс http://lib.mexmat.ru/books/7942

54. Масленников С.Б. Жаропрочные стали и сплавы. Справочник. М.: Металлургия. - 1988. - 192 с.

55. Будур А.И., Белогуров В.Д. Справочник конструктора. Стальные конструкции. Киев: изд-во Сталь. - 2004. - 210 с.

56. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя в III томах. Т. I. 8-е изд, перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестовой- М.: Машиностроение. - 2001. - 920 с.77.