Обожженный анод

    1 Общая часть 

    1.1 Технические требования к обожженным  анодам 
 

      На 1 т алюминия расходуется до 0,55 т  анода. При окислении анода при  электролизе образуется зола, которая  попадает в электролит. Все элементы в золе, имеющие более положительный  электродный потенциал, чем у алюминия будут восстанавливаться на катоде и загрязнять алюминий. В первую очередь это железо и кремний, которые определяют качество и цену алюминия. Соединение тяжелых металлов, а именно оксиды V, Ti, Cr, Mn снижают электропроводность алюминия. Сера в аноде образует вредные газы при электролизе. Таким образом, к анодам предъявляются жесткие требования по зольным примесям и сере.

      Падение напряжения в аноде составляет от 7-15% от общего напряжения на электролизере, поэтому высокая электропроводность является основным требованием к анодам.

      Теплопроводность  рабочей зоны анода должна быть по возможности максимальной, так как  с повышением температуры электропроводность возрастает.

      Фактический расход анода всегда выше, чем требуется  для получения алюминия. Это связано с тем, что составляющие анода имеют разную реакционную способность. Кокс, образованный из связующего (пека), окисляется быстрее и уходит с газами, а часть зерен кокса наполнителя выпадает в электролит. Упавшие зерна частично сгорают, а остальные образуют пену, поэтому необходимо стремиться к созданию такой структуры анода, которая обеспечивала бы равномерное и минимальное его окисление.

      Анодная масса должна быть пластичной при минимальном содержании в ней связующего, из которого выделяются в атмосферу летучие соединения, негативно влияющие на здоровье и которое увеличивает расход анода.

      Таким образом, к обожженным анодам предъявляются  следующие требования:

• низкое содержание зольных примесей и серы;
• высокая электро и теплопроводность;
• низкая разрушаемость;
• минимальное выделение летучих веществ;
• инертность по отношению к электролиту;
• термостойкость;
• механическая прочность.

 
 
 
 

    1.2 Выбор сырьевых материалов для  производства обожженных анодов 
 

      Сырьем  для производства обожженных анодов служат электродные каменноугольные пеки и электродные коксы (нефтяные или пековые). Выбор этих видов сырья являются не случайным.

      Во  – первых, они обладают низкой зольностью (менее 0,5%), что особенно важно при электролитическом производстве алюминия. Известно, что вредные металлические примеси: железо, кремний, медь, цинк и другие – полностью переходят в электролитический алюминий, снижая его качество.

      Во  – вторых, анод, образованный из этих материалов, обладает высокой электропроводностью, без анода невозможен подвод тока к зоне электрохимической реакции.

      В – третьих, комбинация твердого кокса (наполнителя) и жидкого пека (связующего) позволяет формировать композиционную структуру, физико – механические свойства которого после спекания существенно  превосходят как свойства кокса, так и пека по отдельности.

      В – четвертых, эти материалы после термообработки обладают исключительно высокими термостойкими свойствами, достаточными для работы в химически агрессивной среде и при температуре 950-1000^оС.

      Следует отметить, что правильный подбор исходных материалов (пеков и коксов) является наиболее сложной задачей подготовки производства. Основные свойства коксов и пеков в значительной степени зависят от того, из каких продуктов нефтепереработки или коксохимии они получены. Многие структурно – химические особенности исходных продуктов принципиально сохраняются по всей цепи превращений, от первичных смол, тяжелых остатков нефтепереработки и т.д. до анодной массы и далее вплоть до формирования качественных характеристик анодов. 

      1.2.1 Каменноугольный пек 

      Исходным  материалом для производства каменноугольных  пеков является смола, получаемая как  побочный продукт при коксовании углей с целью получения металлургических коксов. Качество, а также выход смолы зависят от состава угольной шихты и условий её коксования. Имеют значение температура и скорость коксования угля в печи коксования, влажность и степень измельчения шихты, плотность ее загрузки, размер подсводового пространства печи, конструкция печи и общее состояние печного фонда.

      Повышение температуры в подсводовом пространстве до 850 ^оС и выше, недогруз печи и увеличение свободного объема под сводом приводят к пиролизации смол, т.е. к увеличению в них содержания веществ, нерастворимых в хинолине, и делают смолы непригодными для производства пеков.

      Как правило для производства электродного пека применяется смола марки  А: 

Таблица 1.1 – Требования к смолам марки А

 

      Свойства  пека определяются соотношением различных  его составляющих, т.е. групповым  составом.

      Основные  структурные группы пека:

• карбоиды ( - фракция) – нерастворенный остаток в пеке, представляющий собой частички угля и золы. Карбоиды предают полученным изделиям прочность, электропроводность и способствуют уменьшению усадки анодов в процессе обжига. При повышенном содержании карбоидов снижаются пластические свойства пека, а, следовательно, анодной массы (содержание этой фракции 3-12%);
• карбены ( - фракция) – она способна сплавиться и спекаться (содержание этой фракции 26-30%);
• асфальтены ( - фракция) – обладают хорошими адгезионными свойствами (способность прилипать к поверхности) и повышенной способностью к спеканию, т.е. закоксовыванию мелкозернистого кокса (содержание этой фракции 32-39%);
• мальтены ( - фракция) – служат для придания пеку хорошей смачивающей способности и создают благоприятные условия при смешивании, так как улучшают пластические свойства анодной массы.

Одной из важнейших характеристик пека является температура размягчения, т.к. она определяет температурные режимы отдельных технологических операций производства анодов. В зависимости от температуры размягчения пеки делятся на:

1) мягкие, температура размягчения 40-60^оС;

2) средние,  температура размягчения 60-90^оС;

3) твердые, температура размягчения больше 90^оС.   

      Температура размягчения зависит от количества фракций, отогнанных из каменноугольной  смолы. Чем больше фракций будет  отогнано, тем меньше будет получено пека, но выше его температура размягчения.

      Для производства обожженных анодов целесообразно использовать пеки, обладающие высокой спекающей способностью, что позволяет иметь больший выход кокса из пека (коксовый остаток) и малую усадку анодов при их обжиге.

      Кроме температуры размягчения важными  физико – химическими свойствами пека являются плотность, вязкость, поверхностное натяжение, групповой состав, а отсюда спекающие свойства. 

      Таким образом,   

      1.2.2 Электродный кокс 
 

      В качестве твердого наполнителя в  анодной массе используются нефтяные и пековые коксы. Причем потребление пековых коксов все более снижается. В мировом производстве алюминия используется около 12 млн.т. нефтяных коксов и только 0,5-0,6 млн.т. пекового, т.е. не более 6 %.

      Пековый кокс является продуктом коксования каменноугольного пека при температурах от 500 до 1100^оС. Исходным сырьем служит высокотемпературный пек с температурой размягчения 120-150^оС. Процесс коксования ведут в специальных камерных печах, при этом выход годного кокса из пека составляет до 65 %. Для изготовления анодной массы применяют: кокс пековый электродный ГОСТ 3213-91 (таблица 1.2), кокс пековый прокаленный ГОСТ 52158-74.

      Нефтяные  коксы являются продуктом коксования тяжелых остатков после перегонки  нефти.

      В зависимости от вида нефтяных остатков коксы подразделяются на крекинговые и пиролизные.

        Крекинговые получают при температуре  до 600^оС и давлении несколько кг на см². Исходным сырьем при этом является мазут.

      Пиролизные  – протекают при температуре 650-750^оС и небольшом давлении. Исходным сырьем является гудрон.

      Крекинговые коксы после прокалки становятся более плотные, чем пиролизные, но способны легче окисляться и содержат больше зольных примесей. Аноды из крекингового кокса имеют большие микротрещины, чем из пиролизного кокса.

        Для производства анодной массы  и обожженных анодов используют преимущественно кокс марки КЗ-8, т.е. кокс с установок замедленного коксования (УЗК). Крупность этого кокса 8-250 мм. Производится также сорт КЗ -0, представляющий собой тот же материал, но крупность менее  8 мм (таблица 1.3). 
 
 
 
 

Таблица 1.2 – Кокс пековый электродный

 
 

Таблица 1.3 –  Спецификация нефтяных коксов