Способ упрочнения подины алюминиевого электролизера Советский патент 1985 года по МПК C25C3/06 

:о :л

х 1 Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к футеровке электролизеров для получения алюминия. Известен способ футеровки электр дов, согласно которому катоды, состоящие из Графитовых блоков, покрыв ют сверху и сбоку слоем боридов, нитридов, карбидов или силицидов металлов первых подгрупп 4,5-, или 6-ой группы периодической системы элементов. Покрытия из указанных ма териалов на блоки наносят горячим прессованием П . Недостатком данного способа является его сложность, т.е. требуется создание спе1Ц1ального оборудования для обеспечения горячего прес сования, которое с увеличением габаритов катодных блоков должно при мать также увеличивающиеся размеры. Кроме того, при выполнении монтажиых работ из таких блоков между блоками остаются швы, которые сами по себе резко снижают надежность эксплуатации подины. Известен также способ обработки подины электролизера, согласно кото рому углеродистую подину покрьюают слоем боридов титана, карбидов титана или карбидов кремния толщиной О,1 мм и более путем плазменного на ш шения 2j . Недостатками способа являются сложность оборудования, большие зат раты труда при нанесении покрытия плазменным способом. W Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаем му эффекту является способ упрочнения электродов,согласно которому для получения ..заащтного слоя на угольном катоде в электролит вводят тугоплавкий металл (титан или цирконий) или его соединения. Защитный слой из карбидов образует ся непосредственно в процессе работ электролизера З. Недостатком известного способа является то, что при введении в электролит электролизной ванны любы соединений, особенно соединений .тугоплавких металлов (цирконий, титан, кремний), повышающих защитные свойства подины от воздействия мета лического натрия, электролитический алюминий в значительной степени загрязняется. Большое содержание пр 12 мёсей тяжелых металлов в алюминии (более 0,1%) ухудшает электротехнические и литейные свойства алюминия, что делает практически невозможным использование алюминия как товарного продукта. Цель изобретения - снижение степени загрязнения электролитического алюминия. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу упрочнения подины алюминиевого электролизера, включающему введение в электролит титана или циркония с осаждением на подине тугоплавких соединений титана и циркония, последние вводят до содержания их в алюминии 0,5- . 4,0 мае. %, после чего вводят соединение бора в количестве, обеспечивающем атомное соотношение бора к титану или цирконию в пределах (2-3):1. Первоначальное введение титана и циркония предотвращает образование карбида алюминия на поверхности подины и позволяет реализовать реакцию взаимодействия углерода с титаном, и цирконием с образованием плотного слоя карбидов. Последующее введение бора приводит к взаимодействию бора с титаном и 1щрконием в объеме жидкого алюминия и высаждению боридов титана и циркония из этого объема на карбидизированную поверхность углеграфитовой подины. Кристаллы боридов титана и циркония, имеющие удельный вес значительно превьш1ающий удельный вес алюминия, осаждаются под действием гравитационных сил и температуры, заполняя все неровности на подине, спекаются с карбидным слоем, и, таким образом,формируется смешанный защитный карбидно-боридный слой покрытия на углеграфИтовой подине. После снижения содержания титана и циркония в сплаве до 0,01% за счет вьщеления боридов получают товарный алюминий. При содержании титана или циркония в алюминии ниже 0,5% образование карбидов титана и циркония на поверхности затруднено из-за пониженной активности титана и циркония, а. .при содержании выше 4% интенсивно., выпадают соединения AlaTi fAl.Zr, что вызывает загрязнение электролитического алюмиция.

3 ,

При атомном отношении бора к титану или цирконию менее, чем 2:1, титан и цирконий частично остаются в алюминии, а бориды титана и циркония практически не осаждаются. При соотношении более, чем 3:I, остается свободный бор в алюминии, что также отрицательно сказывается на свойствах электролитического алюминия.

Пример I. На лабораторном электролизере при силе тока 40 А выдерживают углеграфитовый образец под катодным металлом (алюминий, содержащий 0,5% Ti) 2ч при 1050. В образце сделана прорезь шириной I мм и глубиной 2 мм. Масса металла

«составляет 180 г. Катодная плотность тока Ь,86 А/см.После этого в сплав было введено 73 г алютшния, содержащего 0,83 % бора (атомное соотношение B:Ti составило в образовавшемся сплаве 3:1).

После пятичасовой вьвдержки образец извлекают из ванны. Поверхностный слой и продукт из прорези подвергаю рентгенофазному анализу, который показал наличие в них А1, TiB, AljTi, как на поверхности образца, так и в прорези. В катодном металле содержание титана снизилось до 0,008 %.

Пример 2. В этом же электролизере образец вьщерживают под катодмьм алюминием, содержащим 4,0 % Zr, 48 ч при 950°. Масса металла 180 г. Катодная плотность тока 0,87 А/см. После этого в сплав было введено 205 г алюминия, содержащего 0,83 % бора (атомиое отншение B:Zr в образовавшемся сплаве

2,0:1). После 1О-ти часовой вьщерж58II 4

ки содержание циркония в сплаве снизилось до 0,007 %. Рентгеноструктурный анализ поверхностного слоя образца и материала из прорези показал 5 наличие в них А1, 2гВл, .

Приме рЗ.В промьшшенную апюминиеву ванну вводят 30 кг губчатого титана. Через 12 ч после введения титан растворяется в алюминии и его концентрация в сплаве составляет 0,93 мас.%. Ванна работает при 965-9 70с 2 сут. Затем в ванну вводят бор в виде , загружаемого в смеси с криолитом в электролит по 5-10 кг в сутки. Всего вводят 61 кг , что обеспечивает атомное отношение бора к титану - 2,8:1. Через 8 сут после начала введения ВяО коицентрация титана в алюминии

0 снижается до 0,008 мас.%. Ванна с упрочненной таким способом подиной проработает 6,2 года.

Результаты опытов приведены в таблице.

5 Таким образом из примеров видноj что предлагаемый способ позволяет упростить нанесение покрытия и заполнить им швы. Промышленный электролизер с обработанной предлагаемым способом подиной проработал длительное время - на 1,2 года дольше, чем ванны с необработанной подиной.

Использование предлагаемого способа упрочнения поверхностного слоя углегра ттовой подины алюминиевых электролизеров ,пЬ сравнению: с известными обеспечивает снижение материальных, энергетических и трудовых затрат, возможность повышения качества ашоминия и срока службы алюминиевых электролизеров. I

Соотношение бора к титану (или цирконию) в смешанном расплаве, ат. мае.

Лабораторный Лабораторный Промышленный {Ц; омышпенный (известный . электролизе }

Продолжение таблицы

Срок

Содержание службы титана (или циркония)

электролизера, после выдерж- годы ки, % ч

0,008 0,007 0,008

6,2 5,0

СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ПО;ЦИНЫ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА, включающий введение в электролит титана или циркония с осалздением iна подине тугоплавких соединений титана и циркония, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью снижения степени загрязнения электролитического алюминия, титан шш цирконий вводят до содержания их в алюминии 0,5-4,0 мас.%, после чего вводят соединение бора в количестве, обеспечивакяцем атомное соотношение бора к титану ипи цирконию в пределах