Углеродные футеровочные материалы
3.5.1. Подовые блоки. Шахту электролизера выполняют из углеродных блоков, так как они являются практически единственным материалом, способным противостоять воздействию расплавленного алюминия и электролита и хорошо проводить электрический ток.
Используемые в промышленности катодные блоки изготавливают из различных углеродных материалов и классифицируют следующим образом.
Графитированные блоки изготавливают из графитизируемых материалов, подвергают термообработке обычно до 3000 °С, в результате чего образуется графитообразный материал.
Графитизированные блоки изготавливают из графитизируемых материалов и прокаливают до 2300 °С.
Полуграфитовые блоки состоят из графитизированного наполнителя, но коксовое связующее обожжено до 1200 °С.
4. Антрацитовые блоки изготавливают из антрацита, иногда с небольшими добавками графита и обжигают при температуре 1200 °С. Этот вид блоков можно подразделить на три группы:
- антрацит равномерно обожжен газом или в печи и его графитация не происходит;
- антрацит обжигается электрическим током и в некоторой степени графитизируется;
- антрацит с добавками (до 30—50 %) графита.
Графитированные блоки очень дороги и поэтому применяются крайне редко, а полуграфитовые блоки, имеющие практически такие же показатели, как графитированные, не так дороги и используются достаточно широко.
С точки зрения срока службы подин стойкость к термическому удару — весьма важный показатель при обжиге ванн после капремонта. Теплопроводность подового блока не имеет большого значения, так как основные потери тепла от ванны идут через ее бортовые стенки.
В принципе нет разницы в конструкции катода для электролизеров с самообжигающимися и обожженными анодами.
Однако на ваннах с самообжигающимися анодами в подавляющем большинстве случаев загрузка глинозема в электролит происходит путем разрушения корки, при этом теряется большое количество тепла. На таких ваннах можно использовать в качестве бортовой футеровки блоки из антрацита (с низкой теплопроводностью), а на ваннах с предварительно обожженными анодами, которые, как правило, оборудованы системами автоматического питания глиноземом (АПГ), необходимы бортовые блоки с более высокой теплопроводностью во избежание перегрева расплава.
Блоки из углерода в процессе эксплуатации графитируются и примерно через год приобретают свойства, незначительно отличающиеся по тепло- и электропроводности от графитированной футеровки.
В России в соответствии с ТУ 1913-109-021-99 подовые блоки выпускают марок ПБ и ПБП ("подовый блок" и "подовый блок пропитанный" соответственно). Длина блоков 800— 3400 мм. Цифра после обозначения марки означает удельное электросопротивление в микроомах на метр.
3.5.2. Бортовые блоки. На современных отечественных электролизерах бортовую футеровку собирают из предварительно обожженных плит, изготовленных из тех же материалов и по той же технологии, что и подовые блоки. Однако свойства бортовых блоков, как показано выше, должны отличаться от свойств подовых блоков, так как они не предназначены для прохождения через них тока. Бортовые блоки должны обладать низкой электропроводностью и высокой теплопроводностью (с целью создания надежных бортовых настылей), т.е. нчаимоисключающими характеристиками. Бортовые блоки также должны быть стойки к воздействию расплава и не окисляться воздухом, не растворяться в криолите и алюминии и не смачиваться этими компонентами, иметь низкую пористость, стоимость, быть просты в изготовлении и технологичны при монтаже. Бортовая футеровка электролизеров с обожженными анодами и системой автоматического питания глиноземом может быть более тонкой, поскольку она менее подвержена механическому воздействию инструмента при пробивке корки электролита. Для бортовой футеровки, несмотря на ее невысокую стойкость к окислению воздухом и расплавом, до сих пор предпочтение отдается углеродным блокам из-за их дешевизны.
Из практики известно, что бортовая футеровка вследствие окисления воздухом и отходящими анодными газами, а также воздействия электролита и механических повреждений при обработке корки служит значительно меньше, чем подовые блоки. Поэтому ведется поиск огнеупорных материалов, пригодных для футеровки электролизеров и обеспечивающих длительный срок службы.
Бортовые блоки на основе карбида кремния SiC показали хорошие эксплуатационные свойства, однако их широкое применение сдерживалось более высокой стоимостью, чем углеродных. Кроме того, монтаж плит на основе карбида кремния проводили с помощью пекового связующего, что не позволяло полностью использовать преимущества этого материала. По некоторым данным, высокую коррозионную стойкость бортовой футеровки можно достичь только путем применения карбидо-кремниевых плит в сочетании с керамическим связующим. В настоящее время такая футеровка используется и на некоторых отечественных заводах.
В России выпускаются бортовые блоки марок ББ и ББП ("блоки бортовые" и "блоки бортовые пропитанные"). Толщина всех блоков 200, ширина 550, длина 400—800 мм, что позволяет монтировать шахту разной глубины. По этим же ТУ изготавливают и угловые блоки.
3.5.3. Подовая масса служит для набойки межблочных и периферийных швов, а также для накатки подушки на цоколь под подовые блоки. Ее изготавливают по разной рецептуре из антрацита, графита или прокаленного кокса, а в качестве связующего используют каменноугольную смолу, пек, полимеры. По температуре ее пригодности к набойке Х.А. Ойя различает горячую (140—180 °С), теплую (30—50 °С) и холодную (около 20 °С) массы. При использовании горячей массы условия набойки швов весьма тяжелые, что негативно сказывается на их качестве. При использовании теплой и холодной массы большинство негативных моментов, присущих горячей массе, исключаются, благодаря чему холоднонабивная подовая масса получила широкое распространение. При производстве теплой и холодной массы в связующее вещество добавляют летучие модификаторы, вследствие чего срок хранения массы ограничен.
Важнейшими свойствами подовой массы, влияющими на срок службы катода, являются уплотняемость в процессе набойки, степень усадки или расширения после обжига, качество наполнителя и связующего.