RU2371523C1 - Композиционный материал для смачиваемого катода алюминиевого электролизера - Google Patents
Композиционный материал для смачиваемого катода алюминиевого электролизера Download PDFInfo
- Publication number
- RU2371523C1 RU2371523C1 RU2008125497/02A RU2008125497A RU2371523C1 RU 2371523 C1 RU2371523 C1 RU 2371523C1 RU 2008125497/02 A RU2008125497/02 A RU 2008125497/02A RU 2008125497 A RU2008125497 A RU 2008125497A RU 2371523 C1 RU2371523 C1 RU 2371523C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- composite material
- aluminum
- moistened
- cement
- Prior art date
Links
Landscapes
- Electrolytic Production Of Metals (AREA)
Abstract
Композиционный материал для смачиваемого катода алюминиевого электролизера относится к области цветной металлургии, в частности к технологии производства алюминия методом электролиза криолит-глиноземных расплавов. Композиционный материал состоит из смачиваемого жидким алюминием тугоплавкого соединения - диборида титана и связующего, где в качестве связующего используют высокоглиноземистый цемент, причем соотношение компонентов диборид титана:цемент выбирают 9:1. Обеспечивается электропроводность материала, приводящая к повышению технологичности, снижению энергетических и трудовых затрат, улучшению технико-экономических показателей процесса производства смачиваемого материала и изделий на его основе без снижения уровня функциональных и эксплуатационных свойств. 1 табл.
Description
Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к технологии производства алюминия методом электролиза криолит-глиноземных расплавов.
В действующей современной технологии электролиза в горизонтальных электролизерах катодом служит углеграфитовая подина, не смачиваемая расплавленным алюминием, что сопряжено с целым рядом известных недостатков (повышенный износ и деградация подины, огнеупорной и теплоизолирующей футеровки, повышенное потребление электроэнергии и пр.). Смачиваемый алюминием катод имеет значительные преимущества, устраняющие указанные недостатки, вследствие чего это желательный элемент в действующей горизонтальной технологии и необходимое условие реализации перспективных конструкций электролизеров, таких как ванны с дренированным катодом или с вертикальным расположением электродов [Sorlie М., Оуе Н.А. Cathodes in aluminium electrolysis. 2nd edition. Aluminium-Verlag, 1994. 408 p.].
Смачиваемый катод алюминиевого электролизера как горизонтальной, так и вертикальной конструкции может быть реализован различными путями, в частности путем нанесения на углеграфитовую или иную проводящую основу смачиваемого покрытия в виде композитного слоя определенной толщины, содержащего порошок, как правило, диборида титана, или футерования проводящей основы плитками из композита на основе того же диборида. Диборид титана - основной функциональный компонент, высокоэлектропроводный, хорошо смачиваемый алюминием и, в то же время, слабо взаимодействующий с алюминием и электролитом. Другим основным компонентом смачиваемого композиционного материала является связующее - вещество органической (полимерные смолы, пеки) или неорганической (коллоидные растворы оксидов, истинные растворы сложных солей и т.п.) природы.
При изготовлении смачиваемого материала катода в процессе термообработки органическое связующее, подвергаясь пиролизу, образует углерод, а неорганическая связка - соответствующий оксид. При этом компоненты материала скрепляются в монолитный твердый композит. Смачиваемость алюминием достигается за счет высокого объемного содержания в готовом композите диборида титана.
Известны технические решения по реализации смачиваемого покрытия подины алюминиевых электролизеров, варианты которого изложены в многочисленных патентах (см., например, Секхар Д.А., де Нора В. Суспензия, углеродсодержащий компонент ячейки, способ нанесения огнеупорного борида, способ защиты углеродсодержащего компонента, масса углеродсодержащего компонента, компонент электрохимической ячейки, способ повышения устойчивости к окислению, ячейка для производства алюминия и использование ячейки. / Патент РФ №2135643. 27.08.1999). В предложенном композиционном материале покрытия связующим служит так называемый «коллоидный глинозем» - стабилизированная коллоидная суспензия нанопорошка оксида алюминия с размерами частиц 10-50 нм. При обжиге в материале покрытия происходят твердофазные реакции между диборидом и связующим с образованием межфазных алюминатов (например, Al2TiO5), за счет чего обеспечивается связность и прочность материала покрытия. Такое связующее ценно тем, что:
- практически не взаимодействует с расплавленным алюминием и не растворяется в нем, в противоположность углеродной связке, что определяет его большую химическую износостойкость и обеспечивает возможность длительной работы материала катода;
- за счет образования корунда из связующего обеспечивается также высокая механическая износостойкость катода;
- не привносит дополнительных посторонних примесей в катодный алюминий.
Общим недостатком катодных покрытий является их небольшая толщина, как правило, от 1 до 20 мм, что ограничивает их срок службы вследствие растворения основного функционального компонента - диборида титана - в расплаве алюминия, а также механических повреждений, отслоений и т.п.
Наиболее близким аналогом изобретения - прототипом - по совокупности существенных признаков является техническое решение, описанное в патенте Sekhar J.A, Duruz J.J., de Nora V. Production of bodies of refractory borides. / US Pat. N 5,753,163. 19.05.1998. Реализован смачиваемый материал катода на неорганическом связующем - «коллоидном глиноземе», из которого предлагается изготовлять объемные изделия, например плитки толщиной не менее 3 мм, наклеиваемые на углеграфитовый катод и придающие ему свойство смачивания алюминием. Материал изготовляли методом литья или прессования под давлением порошкового шликера, состоящего из >90% диборида титана и коллоидного раствора глинозема (<10% в пересчете на сухой Аl2О3) с дальнейшей операцией термообработки-обжига «зеленых» заготовок при температуре до 1600°C в атмосфере инертного газа - аргона для предотвращения окисления диборида. Указывают, что при более высоком содержании глинозема материал становится непроводящим.
Существенными недостатками предложенного решения являются: низкая технологичность изготовления объемных изделий и высокая энергоемкость финальной операции технологии - обжига, который производится при высокой температуре, а также применение дорогостоящего «коллоидного глинозема» в качестве связующего.
Задачей изобретения является создание смачиваемого алюминием катодного материала, который может быть использован как для изготовления футеровочных объемных изделий (кирпичи, плитки и т.п.) для подины горизонтального электролизера, так и монолитного катода в виде пластин, брусков необходимой конструкции для вертикального электролизного аппарата.
Таким образом, технический результат, получаемый в результате использования предлагаемого изобретения, состоит в повышении технологичности, снижении энергетических и трудовых затрат, улучшении технико-экономических показателей процесса производства смачиваемого материала и изделий на его основе без снижения уровня функциональных и эксплуатационных свойств.
Технический результат достигается тем, что в композиционном материале для смачиваемого катода алюминиевого электролизера, состоящем из смачиваемого жидким алюминием тугоплавкого соединения - диборида титана и связующего, новым является то, что в качестве связующего используют высокоглиноземистый цемент, причем соотношение компонентов диборид титана:цемент составляет 9:1, для обеспечения электропроводимости материала.
Эти признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не выявлены, и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Суть предложения состоит в том, что в качестве связующего в катодном композиционном материале на основе диборида титана используют промышленный высокоглиноземистый цемент, а соотношение компонентов диборид титана:цемент выбирают таким, чтобы обеспечить электропроводимость материала и всего катода, т.е. 9:1. Величина электропроводности материала должна быть достаточной для пуска электролизера. При меньшем соотношении материал имеет слишком низкую электропроводимость, а при большем снижается его механическая прочность.
От прототипа заявляемый композиционный материал для смачиваемого катода отличается тем, что в качестве связующего используют высокоглиноземистый цемент, производимый в промышленных масштабах и, следовательно, доступный и дешевый.
Для проверки предлагаемого технического решения, технологии изготовления композиционного материала системы TiB2/Аl2О3, его тестирования и испытаний функциональных свойств, в лабораторных условиях был апробирован ряд вариантов вещественного состава материала. Использован порошок диборида титана фракции -44 мкм и промышленный высокоглиноземистый цемент «Алит-97» фирмы «ООО Алитер-Акси». Цемент был дополнительно отсеян от крупного наполнителя на сите 500 мкм. Технология изготовления образцов композита следовала рекомендациям фирмы-производителя по применению цемента: смешивание исходных порошков в течение 5-10 мин, затворение минимальным количеством воды и перемешивание, заполнение формы с одновременным вибрированием, отверждение смеси, сушка при постепенном подъеме температуры до 150°С, дальнейший подъем температуры и отжиг при 650°С в течение 1 ч. Отжиг производился в закрытом контейнере под углеродной засыпкой во избежание возможного окисления диборида титана при повышенных температурах.
Таблица Составы и свойства синтезированных образцов материалов |
||||
№ пп | Состав, мас.% | Электросопротивление, Ом | Относ. плотность, % | Прочность, МПа |
1 | 50 TiB2-50 Алит-97 | >106 | 64…68 | 60…70 |
2 | 65 TiB2-35 Алит-97 | >106 | 63…65 | 50…60 |
3 | 80 TiB2-20 Алит-97 | ~10…100 | 62…65 | 30…40 |
4 | 90 TiB2-10 Алит-97 | <1 | 60…64 | 15…20 |
Прочность катодного материала после заключительной термообработки, а также стойкость к термическим напряжениям были достаточно высоки, контролировали их качественно путем ударных воздействий и жесткого термоциклирования (быстрый нагрев до 800°C - охлаждение на воздухе при комнатной температуре), а также подвергали измерениям на сжатие. Видимых повреждений в результате термических ударов не наблюдалось. Прочность на сжатие понижается вместе со снижением содержания цемента, но остается на приемлемом для целевого технического применения уровне (см. таблицу). Электросопротивление образцов размером около 15×15×60 мм оценивали полуколичественно при помощи электронного омметра. Приемлемым считали значения на уровне не более 10 Ом. Так же, как и в прототипе, высокий уровень электропроводности композита наблюдался у составов с содержанием диборида титана порядка 90%.
Образцы, изготовленные из предлагаемого композиционного материала, протестированы в качестве вертикальных катодов в лабораторной электрохимической ячейке при следующих условиях: криолитовое отношение KO=1,8, электролит насыщен по глинозему, температура электролиза 920°C, рабочая плотность тока на катоде 0,92 А/см2 (общий ток ячейки - 31 A), длительность испытания - 5 ч. В качестве анодов использовались графитовые стержни, периодически заменявшиеся в ходе электролиза. На начальном этапе электролиза (до 20-30 мин) наблюдалось резкое снижение рабочего напряжения ячейки, связанное со снижением омических потерь в катоде по мере смачивания его поверхности и образования слоя алюминия. Визуальный контроль после испытания показал, что в процессе электролиза катоды смачивались и покрывались пленкой алюминия, при этом внешние размеры и форма катода после испытаний не изменились.
В заявляемом композиционном материале для смачиваемого катода алюминиевого электролизера в качестве связующего используют высокоглиноземистый цемент, производимый в промышленных масштабах и, следовательно, доступный и дешевый.
Совокупные преимущества технологии изготовления изделий из смачиваемого алюминием композиционного материала с использованием цемента обеспечивают технологическую и экономическую эффективность предлагаемого решения. Кроме того, технология изготовления смачиваемого материала на цементе универсальна и позволяет наносить материал в виде покрытия, изготовлять объемные изделия в виде плиток, кирпичей и т.п. для футеровки углеграфитовых материалов алюминиевого электролизера, отливать блоки «по месту», непосредственно на подине электролизера, а также получать катоды для перспективных вертикальных конструкций электролизеров произвольных размеров и формы методом литья или прессования.
Claims (1)
- Композиционный материал для смачиваемого катода алюминиевого электролизера, состоящий из смачиваемого жидким алюминием диборида титана и связующего, отличающийся тем, что он в качестве связующего содержит высокоглиноземистый цемент при соотношении компонентов диборид титана:цемент, составляющем 9:1.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008125497/02A RU2371523C1 (ru) | 2008-06-23 | 2008-06-23 | Композиционный материал для смачиваемого катода алюминиевого электролизера |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008125497/02A RU2371523C1 (ru) | 2008-06-23 | 2008-06-23 | Композиционный материал для смачиваемого катода алюминиевого электролизера |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2371523C1 true RU2371523C1 (ru) | 2009-10-27 |
Family
ID=41353144
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008125497/02A RU2371523C1 (ru) | 2008-06-23 | 2008-06-23 | Композиционный материал для смачиваемого катода алюминиевого электролизера |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2371523C1 (ru) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2454474C1 (ru) * | 2011-02-25 | 2012-06-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Шихта для композиционного катода и способ его изготовления |
RU2518032C1 (ru) * | 2013-01-10 | 2014-06-10 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" | Композиция для материала смачиваемого покрытия катода алюминиевого электролизера |
RU2533066C2 (ru) * | 2010-07-29 | 2014-11-20 | Сгл Карбон Се | Катодный блок для алюминиевого электролизера и способ его получения |
RU2584097C2 (ru) * | 2011-02-11 | 2016-05-20 | Сгл Карбон Се | Катодный блок с содержащим твердый материал верхним слоем |
RU2586381C2 (ru) * | 2011-02-11 | 2016-06-10 | Сгл Карбон Се | Графитизированный катодный блок с износостойкой поверхностью |
RU2716569C1 (ru) * | 2019-05-31 | 2020-03-12 | Евгений Сергеевич Горланов | Способ электролиза криолитоглиноземных расплавов с применением твердых катодов |
-
2008
- 2008-06-23 RU RU2008125497/02A patent/RU2371523C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2533066C2 (ru) * | 2010-07-29 | 2014-11-20 | Сгл Карбон Се | Катодный блок для алюминиевого электролизера и способ его получения |
RU2584097C2 (ru) * | 2011-02-11 | 2016-05-20 | Сгл Карбон Се | Катодный блок с содержащим твердый материал верхним слоем |
RU2586381C2 (ru) * | 2011-02-11 | 2016-06-10 | Сгл Карбон Се | Графитизированный катодный блок с износостойкой поверхностью |
RU2454474C1 (ru) * | 2011-02-25 | 2012-06-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Шихта для композиционного катода и способ его изготовления |
RU2518032C1 (ru) * | 2013-01-10 | 2014-06-10 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" | Композиция для материала смачиваемого покрытия катода алюминиевого электролизера |
RU2716569C1 (ru) * | 2019-05-31 | 2020-03-12 | Евгений Сергеевич Горланов | Способ электролиза криолитоглиноземных расплавов с применением твердых катодов |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2371523C1 (ru) | Композиционный материал для смачиваемого катода алюминиевого электролизера | |
Pawlek | Wettable cathodes: an update | |
JPH0124229B2 (ru) | ||
AU2008267826A1 (en) | Reduced voltage drop anode assembly for aluminium electrolysis cell | |
HUE027172T2 (en) | Use of silicon carbide-based sintered carbide-based sintered flame retardant material | |
CN101068758A (zh) | 基于碳化硅与氮化硅粘合剂的烧结耐火砖 | |
CN101876079B (zh) | 一种铝电解用硼化钛阴极材料及其制备方法 | |
WO2008046255A1 (fr) | Procédé de production de blocs de carbone de cathode mouillable | |
US5753163A (en) | Production of bodies of refractory borides | |
US3328280A (en) | Electrically conductive cermet compositions | |
Boxall et al. | TiB2 cathode material: Application in conventional VSS cells | |
US4526669A (en) | Cathodic component for aluminum reduction cell | |
RU2412284C1 (ru) | Материал смачиваемого катода алюминиевого электролизера | |
WO2011121998A1 (ja) | アルミニウム精錬用カソードカーボンブロック及びその製造方法 | |
JPS58501172A (ja) | 焼結耐火硬質金属 | |
SU1554769A3 (ru) | Электролизер дл электролитического восстановлени алюмини из глинозема | |
CN101158047A (zh) | 一种铝电解槽用的石墨化可湿润阴极炭块的生产方法 | |
EP0102186A2 (en) | Improved cell for electrolytic production of aluminum | |
RU2724236C1 (ru) | Способ защиты катодных блоков алюминиевых электролизёров с обожженными анодами, защитная композиция и покрытие | |
RU2412283C1 (ru) | Материал для смачиваемого катода алюминиевого электролизера | |
RU2518032C1 (ru) | Композиция для материала смачиваемого покрытия катода алюминиевого электролизера | |
CA2805562C (en) | Process for producing a cathode block for an aluminium electrolysis cell and a cathode block | |
Liang et al. | Electrolytic properties and element migration in Ni–TiB2/Al2O3 composite cathode | |
RU2666806C2 (ru) | Способ изготовления катодного блока для электролитической ячейки для получения алюминия | |
JPH05263285A (ja) | アルミニウム電解用電極 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130624 |