Способ защиты катодных блоков со смачиваемым покрытием на основе диборида титана при обжиге электролизера

Способ защиты катодных блоков со смачиваемым покрытием на основе диборида титана при обжиге электролизера

Реферат

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к электролитическому производству алюминия, где задача создания и сохранения смачиваемого алюминием покрытия подины (катода) считается весьма важной для действующей технологии электролиза и необходимой для перспективных конструкций электролизеров с дренированной подиной.

Технология обжига алюминиевого электролизера предусматривает его предварительный разогрев до температур, близких к эксплуатационным. Эта операция часто осуществляется несколькими способами: первый газопламенный обжиг с помощью горелок, второй электрический обжиг посредством пропускания тока через аноды, коксовую крупку и катод. При использовании газопламенного обжига действие газообразных окислителей (кислород, углекислый газ) на покрытие из диборида титана, приводит к его окислению, последствием чего является отсутствие эффекта смачивания алюминием катодного блока при эксплуатации. При использовании электрического обжига, помимо действия окислителей, присутствуют локальные участки перегрева катодных блоков, что приводит к еще более сильному выгоранию покрытия в этих местах.

Известен способ защиты смачиваемого диборидного покрытия от окисления при обжиге и пуске электролизера (De Nora V., Sekhar J.A., Duruz J.-J., Liu J.J. The start-up of aluminium electrowinning cells // W.O. Patent N 98/17843. April, 30, 1998). Предложено создание временных защитных слоев, состоящих из одного или нескольких слоев алюминиевой фольги или из металлизированного слоя с порошками Al, Ni, Fe, Ti, и др., или борсодержащего раствора, формирующего стекло, или из полимера или из раствора, содержащего фосфаты алюминия, а также всевозможные комбинации перечисленных материалов. Недостатком известного изобретения является то, что защитные свойства предлагаемых материалов в способе при газопламенном обжиге электролизера не отвечают задаче сохранения покрытия: компоненты покрытия окисляются, химический состав его изменяется, и качество существенно снижается вплоть до полной деградации технологических свойств покрытия.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ защиты смачиваемого покрытия подины при обжиге и пуске алюминиевого электролизера (патент РФ №2284373, опубликован 27.09.2006 г.) Способ включает использование временных газоплотных защитных слоев из листового материала, сохраняющего свойства газоплотности во всем интервале температур обжига, с температурой плавления выше максимальной температуры обжига, наклеенного на покрытие с помощью слоя клеевой композиции, состоящего из материала, химически взаимодействующего с газами-окислителями или электролитом.

Недостатком данного способа является трудоемкость и высокая стоимость изготовления газопроницаемого слоя при использовании в качестве материала стали, а также сохранение его от механических повреждений при проведении операций по подготовке электролизера к обжигу при использовании в качестве материала стекла.

Задачей изобретения является упрощение и снижение стоимости нанесения защитного слоя на катодные блоки алюминиевого электролизера с повышением изоляционных свойств защитного слоя в период обжига и пуска электролизера.

Технический результат при использовании предлагаемого изобретения состоит в повышении защитных свойств смачиваемого покрытия за счет повышенной стойкости защитного слоя в локальных участках перегрева подины при обжиге алюминиевого электролизера при использовании менее дорогостоящих материалов.

Поставленная задача решается тем, что в способе защиты смачиваемого покрытия на основе диборида титана на катодных блоках алюминиевого электролизера от окисления при обжиге и пуске алюминиевого электролизера путем нанесения защитного слоя, сохраняющего защитные свойства во всем интервале температур обжига электролизера, с температурой плавления выше максимальной температуры обжига, который растворяется при взаимодействии с криолит-глиноземным расплавом электролита Na₃AlF₆·Al₂O₃, в качестве защитного слоя используют покрытие на основе водного щелочного раствора силикатов натрия Na₂O(SiO₂)n или калия K₂O(SiO₂) и термически стойкого компонента или покрытие на основе водного щелочного раствора силикатов натрия Na₂O(SiO₂)n или калия K₂O(SiO₂).

Заявляемый способ дополняют зависимые пункты, направленные на достижение указанного технического результата.

Покрытие может изменяться в следующих пропорциях: от 30 до 100%((Na₂O(SiO₂)n или калия K2O(SiO₂)) и от 30% до 70% термически стойкого компонента.

Для повышения защитных свойств, при обжиге подины электролизера газопламенным способом, в раствор добавляется термически стойкий материал, например глинозем (Al2O3).

При выполнении электрического обжига в раствор силикатов натрия Na2O(SiO2)n или калия K2O(SiO2) добавляется термически стойкий материал - углеродная пыль, что обеспечивает снижение фактического сопротивления защитного слоя, что является не маловажным при данном способе обжига, а также обеспечивает повышенную стойкость защитного слоя в локальных участках перегрева подины при обжиге.

Полученный защитный слой в процессе пуска электролизера начинает растворяться в криолит-глиноземном расплаве, еще на этапе заливки жидкого электролита без подключения электролизера к токовой нагрузке, что в дальнейшем не создает препятствия прохождению тока через катодные блоки электролизера.

Для проверки и сравнительных испытаний эффективности защиты в идентичных условиях был апробирован ряд вариантов нанесения защитных покрытий на образцы. На углеграфитовые цилиндрические образцы размером 50×100 со смачиваемым покрытием на основе диборида титана наносили защитное покрытие толщиной 2-3 мм и просушивали при комнатной температуре. Данные образцы помещали в муфельную печь и моделировали процесс обжига путем нагрева в течение 48 часов до температуры 950 градусов, окислителем в данном процессе являлся воздух. Эффективность защиты покрытия проверяли путем рентгенофазового анализа смачиваемого покрытия на основе диборида титана, путем проверки образцов на смачиваемость при электролизе, а также визуально, на предмет отсутствия окрашивания поверхности в характерный желто-коричневый цвет. В таблице приведены составы защитных слоев и качественные результаты рентгенофазового анализа, а также визуального контроля покрытия после обжига. Газовая среда во всех примерах - окислительная (воздух).

Таблица
№ п.п.	Состав покрытия	Испытание	Результат
1	Na2O(SiO2) - 100%	Газопламенный обжиг 48 часов	Целостность покрытия сохранилась, окисление покрытия TiB2 не зафиксировано
2	Na2O(SiO2) - 50%, графитовая пыль - 50%	Газопламенный обжиг 48 часов, 24 часа в криолит-глиноземном расплаве	Целостность покрытия сохранилась, окисление покрытия TiB2 не зафиксировано
3	Na2O(SiO2) - 30%, шамотная крупка - 70%	Газопламенный обжиг 48 часов	Целостность покрытия нарушено, зафиксированно частичное окисление покрытия TiB2

Предлагаемый способ испытан на промышленных электролизерах на которых использовались катодные блоки со смачиваемым покрытием из диборида титана. Результаты работы электролизеров после пуска подтверждают отсутствие деградации смачиваемого покрытия подины и, следовательно, об эффективности предлагаемого способа защиты.

1. Способ защиты смачиваемого покрытия на основе диборида титана на катодных блоках алюминиевого электролизера от окисления при обжиге и пуске алюминиевого электролизера, включающий нанесение на смачиваемое покрытие защитного слоя, сохраняющего защитные свойства во всем интервале температур обжига электролизера, температура плавления которого выше максимальной температуры обжига, и растворяющегося при взаимодействии с криолит-глиноземным расплавом электролита Na₃AlF₆·Al₂O₃, отличающийся тем, что в качестве защитного слоя наносят слой на основе водного щелочного раствора силикатов натрия Na₂O(SiO₂)n или калия K₂O(SiO₂) и термически стойкого компонента или слой на основе водного щелочного раствора силикатов натрия Na₂O(SiO₂)n или калия K₂O(SiO₂).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что водный щелочной раствор применяют в следующих пропорциях от 30 до 100% Na₂O(SiO₂)n или калия K₂O(SiO₂) и от 30% до 70% термически стойкого компонента.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в водный щелочной раствор добавляют в качестве термически стойкого компонента углеродную пыль.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в водный щелочной раствор добавляют в качестве термически стойкого компонента глинозем Al₂O₃.