Защитный состав, композиционный материал на его основе для вторичного укрытия электролизера и способ изготовления материала

Защитный состав, композиционный материал на его основе для вторичного укрытия электролизера и способ изготовления материала

Реферат

Изобретение относится к области производства алюминия в электролизерах, в частности к вторичным укрытиям электролизеров Содерберга, позволяющим уменьшить выброс смолистых веществ, в том числе канцерогенных полиароматических углеводородов (ПАУ), в рабочее пространство заводских корпусов.

Вторичные укрытия представляют собой приспособления для сбора газа в электролизерах Содерберга, закрывающие площадь между боковыми стенками катода алюминиевого электролизера и корпусом анода.

Данные приспособления могут быть выполнены, например, в виде поднимающихся плит, жалюзи и штор, закрывающих всю площадь между боковыми стенками катода алюминиевого электролизера и корпусом анода и газоизолированно соединенных с окружностью корпуса анода и боковыми стенками печи.

Материалом, из которого изготавливаются элементы вторичного укрытия, является сталь (см. RU 2023760).

Однако сталь, в том числе и нержавеющая, не обладает достаточной химической стойкостью, включая коррозионную, к воздействию агрессивных газовых сред (HF, СО, SO₂, CH₄, О₂) при температуре до +700°С и выше.

Задачей изобретения является увеличение срока службы вторичного укрытия электролизера за счет повышения химической стойкости к воздействию агрессивных газовых сред в температурном интервале от -20 до +750°С.

Поставленная задача решается защитным составом для вторичного укрытия алюминиевого электролизера, содержащим следующие компоненты, мас.%:

Фторапатитовый концентрат	80-95
Al(РО3)3	остальное

Поставленная задача также решается композиционным материалом для вторичного укрытия алюминиевого электролизера, содержащим слой основы, выполненный из перфорированной стали, и по меньшей мере один слой защитного состава, нанесенного на слой основы и содержащего следующие компоненты, мас.%:

Фторапатитовый концентрат	80-95
Al(РО3)3	остальное

В частных воплощениях данного изобретения поставленная задача решается тем, что слой основы выполнен из нержавеющей стали. Слой основы может быть выполнен как с односторонней перфорацией, так и с двухсторонней.

Поставленная задача также решается способом изготовления данного композиционного материала для вторичного укрытия алюминиевого электролизера, в соответствии с которым получают суспензию, содержащую следующие компоненты, мас.%: Al(Н₂РО₄)₃ - 5-30, фторапатитовый концентрат - 50-65 и воду - остальное, наносят ее на слой основы, выполненный из стали, и проводят термообработку при 100-150°С с получением композиционного материала.

В частных воплощениях данного изобретения суспензию наносят на слой основы в виде слоя с толщиной, равной или превышающей высоту зубцов перфорации.

Возможно дополнительное нанесение на поверхность композиционного материала после нанесения суспензии слоя из материала, не препятствующего испарению воды, например слоя бумаги.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Защитный состав для вторичного укрытия электролизера представляет собой высушенную суспензию наполнителя - фторапатитового концентрата в связующем - кислом фосфате алюминия. Композиционный материал выполнен в виде многослойного материала с основой из перфорированной стали (желательно - нержавеющей) с нанесенным на нее слоем защитного состава. Данный слой может быть нанесен с одной или двух сторон слоя из нержавеющей стали.

Как правило, материал имеет форму листа.

Изготовление включает в себя следующие стадии:

1. Приготовление связующего

Связующее готовят из фосфорной кислоты (Н₃РО₄ с концентрацией 65-85 мас.%) и гидроксида алюминия (Al(ОН)₃). Вещества смешивают в пропорциях для получения стехиометрического соединения Al(Н₂РО₄)₃.

Реакция происходит при температуре порядка 100-150°С в емкости с крышкой во избежание испарения большого количества воды. Гидроксид алюминия вносят частями. Каждую следующую часть добавляют после растворения предыдущей. Длительность процесса зависит от количества вводимого Al(ОН)₃, ориентировочная длительность процесса - около 0,5-1 часа.

Получаемое связующее Al(Н₂PO₄)₃ представляет собой мутную жидкость, более вязкую, чем вода. Перед использованием связующее дополнительно разбавляют водой в соотношении 2 объема связующего на 1 часть воды.

2. Приготовление суспензии

Суспензию готовят из связующего и фторапатитового концентрата. Фторапатитовый концентрат представляет собой соединение с переменным составом, отвечающим общей формуле Ca₅(PO₄)₃(F_x,Cl_y,OH_1-x-y), где 0<x+y<1. Для приготовления суспензии используют фторапатитовый концентрат в виде порошка, поставляемый по ГОСТ 22275-90. Содержание основного компонента в концентрате составляет не менее 98 мас.%.

Смешивание компонентов проводят при постоянном перемешивании суспензии. В процессе смешивания происходит химическое взаимодействие связующего и наполнителя, что сопровождается нагревом суспензии и выделением небольшого количества газа.

Количество добавляемого наполнителя регламентируется получением суспензии с приемлемой вязкостью (около 2·10³ сП), что делает ее технологичной для нанесения слоя защитного состава и обеспечивает необходимые защитные свойства состава. Это достигается при добавлении фторапатитового концентрата из расчета 3,5-4 г на 1 мл разбавленного связующего. При выходе за заявляемые пределы содержания фторапатитового концентрата декларируемые свойства не достигаются.

Получаемая суспензия представляет собой темно-серую вязкую массу, застывающую на воздухе. После введения наполнителя начинается процесс застывания суспензии, который длится около 1-2 часов. Приготовленную суспензию целесообразно использовать в течение этого времени.

При большем разбавлении связующего (Al(Н₂PO₄)₃ менее 5 мас.%) отношение связующее/наполнитель уменьшается, что приводит к снижению прочности застывшей суспензии.

При использовании концентрированной связки (Al(Н₂РО₄)₃ более 30 мас.%) заметное количество воды испаряется внутри слоя суспензии в процессе ее сушки, поэтому процесс застывания и высыхания длится дольше, что приводит к выделению паров под коркой застывшей суспензии. Это может вызвать появление вздутий и пузырей.

3. Нанесение суспензии на нержавеющую сталь

Основу получали путем перфорирования стального листа. Под перфорированием понимается сквозное пробивание отверстий с помощью пуансона или пробойника, при котором на поверхности стального слоя образуются отверстия и зубцы перфорации. При этом в зависимости от возможностей оборудования или от решаемых частных задач перфорация может быть как односторонняя (пробивка отверстий пуансоном или пробойником с одной стороны), так и двухсторонняя (пробивка отверстий пуансонами или пробойниками с обеих сторон листа навстречу друг другу). В первом случае получается более тонкое покрытие, наносимое, как правило, с одной стороны стальной основы. Во втором случае получается более толстое покрытие. Если покрытие в этом случае наносится с обеих сторон листа, то оно получается более прочным за счет сквозной связи защитного состава через пробитые отверстия.

Суспензию наносили на основу из перфорированной нержавеющей стали (например, марки 12Х18Н10Т) любым доступным методом, обеспечивающим равномерное распределение суспензии по поверхности и полное покрытие нержавеющей стали.

Количество суспензии должно обеспечивать покрытие всей поверхности с толщиной соответственно эксплуатационным требованиям, при этом толщина покрытия должна быть не меньше высоты зубцов перфорации стального основания.

В некоторых воплощениях изобретения при нанесении суспензии можно использовать дополнительные материалы, наносимые на поверхность композиционного материала, при условии, что они не мешают испарению воды (например, бумага).

Использование дополнительных материалов может улучшить технологичность процесса и удобство использования полученного материала - при хранении такой материал с нанесенным бумажным или иным слоем, например на основе политетрафторэтилена, не осыпается. После нанесения суспензии при необходимости производится разделение ее на отдельные листы.

4. Сушка

Сушку проводят при температуре 100-150°С в течение 1 часа. Сушку можно использовать для изготовления изогнутых изделий. Для этого лист нержавеющей стали с нанесенной на него суспензией укладывают в необходимую форму и фиксируют на протяжении сушки. Во время сушки выделяется только вода.

После окончания процесса сушки барьерный композиционный материал представляет собой лист серого цвета.

Пример реализации изобретения

В соответствии с вышеописанным процессом получали защитный состав и композиционный материал на основе данного состава.

В таблице 1 приведены составы суспензии и соответствующие композиционные материалы с защитными составами, которые в дальнейшем проходили испытания.

Проводили оценку срока службы материала в соответствии со следующей методикой.

Для оценки срока службы композиционного материала проводили 5 циклов испытаний. Каждый цикл испытаний включал в себя стадии:

- выдержку в среде паров HF при температуре 23±5°С в течение 3-х суток;

- выдержку в муфельной печи при температуре 800°С в течение 1-х суток;

- выдержку в криогенной камере при температуре минус 30°С в течение 1-х суток.

Для испытаний в среде паров HF в герметичную емкость, инертную к воздействию паров HF, помещали образец и фторопластовый сосуд с HF. Раз в сутки проверяли наличие HF в сосуде. При необходимости HF доливали в фторопластовый сосуд. После выдержки образца в среде паров HF образец выдерживали в вытяжном шкафу при температуре (23±5)°С в течение 20 минут.

Для испытаний в муфельной печи образец помещали в предварительно нагретую до температуры (600±5)°С муфельную печь, после чего печь нагревали до температуры (800±5)°С в течение 0,5 часа и выдерживали при этой температуре заданное время. После испытания в муфельной печи образец выдерживали в вытяжном шкафу при температуре (23±5)°С в течение 20 минут.

Для выдержки в криогенной камере образец помещали в криостат при температуре минус (30±2)°С и выдерживали заданное время. После испытания в криогенной камере образец выдерживали в вытяжном шкафу при температуре (23±5)°С в течение 20 минут.

После проведения испытаний испытуемые образцы нагружали до давления 25 МПа и выдерживали в течение 1 мин.

Образец считался выдержавшим испытание, если после снятия нагрузки область сжатия составляла одно целое с остальной областью и отсутствовали области с непокрытой нержавеющей сталью.

Все образцы материала выдержали испытание.

Как следует из приведенных данных, температурный интервал эксплуатации состава и материала от -20 до плюс 750°С.

Материал инертен к воздействию паров HF, HCl и др. кислот.

1. Защитный состав для вторичного укрытия алюминиевого электролизера, характеризующийся тем, что содержит следующие компоненты, мас.%:

Фторапатитовый концентрат	80-95
Al(РО3)3	остальное

2. Композиционный материал для вторичного укрытия алюминиевого электролизера, характеризующийся тем, что содержит слой основы, выполненный из перфорированной стали и, по меньшей мере, один слой защитного состава, нанесенного на слой основы и содержащего следующие компоненты, мас.%:

Фторапатитовый концентрат	80-95
Al(РО3)3	остальное

3. Материал по п.2, характеризующийся тем, что содержит слой основы, выполненный из нержавеющей стали.

4. Материал по п.2, характеризующийся тем, что содержит слой основы, выполненный с односторонней перфорацией.

5. Материал по п.2, характеризующийся тем, что содержит слой основы, выполненный с двухсторонней перфорацией.

6. Способ изготовления композиционного материала для вторичного укрытия алюминиевого электролизера в соответствии с любым из пп.2-5 формулы, характеризующийся тем, что получают суспензию, содержащую следующие компоненты, мас.%: Al(Н₂РО₄)₃ 5-30, фторапатитовый концентрат 50-65 и воду - остальное, наносят ее на слой основы, выполненный из перфорированной стали и проводят термообработку при 100-150°С с получением композиционного материала.

7. Способ по п.6, характеризующийся тем, что суспензию наносят на слой основы в виде слоя с толщиной, равной или превышающей высоту зубцов перфорации.

8. Способ по п.6, характеризующийся тем, что на поверхность композиционного материала после нанесения суспензии дополнительно наносят слой из материала, не препятствующего испарению воды, например слой бумаги.