Сухие барьерные смеси для алюминиевых электролизеров на основе огнеупорного глинистого сырья

Сухие барьерные смеси для алюминиевых
электролизеров на основе огнеупорного
глинистого сырья
Презентация лекции
по курсу «ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ
ТУГОПЛАВКИХ
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ
И
СИЛИКАТНЫХ
МАТЕРИАЛОВ» по магистерской программе 240131 (550831)
«Химическая технология тугоплавких неметаллических и
силикатных материалов»
Типичная схема футеровки
электролизера
• Анодная часть: 1- анодные углеродные блоки; 2- теплоизоляция
анода; 3- боковые углеродные или карбидокремниевые блоки; 4набивная углеродистая масса;
• Катодная часть: 5- катодные углеродистые блоки; 6- изоляция
токоподвода; 7- алюминиевый токоподвод (блюмс); 8- слой сухой
барьерной смеси; 9- барьерный слой (шамотные изделия); 10теплоизоляционный слой (пенодиатомитовые изделия), 11-стальной
кожух.
Реакции разрушения футеровки катода:
В барьерных материалах с высоким содержанием SiO2>53%:
Al(расплав)+6NaF(криолит)=3Na(катодный блок)+Na3AlF6 (расплав)
4Na+13SiO2(огнеупор)+2Al2O3(огнеупор)=4NaAlSi3O8(альбит, тв.)+Si(ж)
В барьерных материалах с высоким содержанием Al2O3 >45%:
4Na+5SiO2(огнеупор)+2Al2O3(огнеупор)=4NaAlSiO4(нефелин, тв)+Si(ж)
Во всех случаях дополнительно:
4NaF+9SiO2+2Al2O3=4NaAlSi3O8 (альбит, тв.)+NaAlF4(газ)
4NaF+3SiO2+2Al2O3=3NaAlSiO4 (нефелин, тв.)+NaAlF4(газ)
ДСК-кривые объединенной
пробы каолина - сырца
Гранулометрический состав каолина-сырца
(после
Шифр
пробы
1
2
выделения щебня на сите 1 мм)
Содержание, %, частиц размером, мм
1-0,25
0,250,06
0,060,08
0,010,005
0,0050,001

0,001
5,78
3,67
1,68
12,78
37,22
41,47
14,88
7,64
20,36
16,04
20,08
18,40
Химический состав каолина- сырца в
прокаленном состоянии (после выделения
щебня на сите 1 мм)
Шифр
пробы
1
2
Содержание оксидов, % мас
TiO2
Fe2O3
CaO
MgO
К2O
Na2O
56,39 36,65 0.94
57,17 35,58 0.87
1,74
1,68
0,54
0,39
0,96
1,02
2,24
2,89
0,54
0,39
SiO2
Al2O3
Гранулометрический состав продуктов
обогащения компановского каолина
Шифр пробы
продукта
обогащения
Содержание, %, фракции размером, мм
Песчаные
(1 -0,06)мм
Пылеватые
(0,06-0,005)
Глинистые
 0,005
БЦ-1
31,68
30,68
37,64
БЦ-2
20,59
47,41
32,00
БЦ-3
16,46
49,62
33,92
Р/ф
3,50
51,06
45,44
Химический состав продуктов обогащения
каолина
Шифр
пробы
продукта
обогащения
Содержание оксидов, мас. %
SiO2
Al2O3
TiO2
Fe2O3
MgO
CaO
K2O
Na2O
БЦ-1
67,77
26,28
0,78
2,23
1,32
0,50
1,74
0,19
БЦ-2
61,38
30,17
1,29
2,29
1,63
0,64
2,40
0,19
БЦ-3
61,96
29,59
1,28
2,24
1,58
0,72
2,41
0,20
Р/ф
56,19
35,98
1,16
2,59
1,60
0,76
1,53
0,15
1,2
5
1
0
2,4
35
2,2
30
2
1,8
1,6
1,4
25
20
15
10
1,2
5
1
0
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
1100
1200
1300
Температура, С
1300
Те мпе ратура, С
30
14
1,8
1,6
1,4
25
20
15
10
1,2
5
1
0
2,4
35
2,2
30
2
1,8
1,6
1,4
25
20
15
10
1,2
5
1
0
1400
1-кажущаяся плотность, кг/см3;
2-пористость, %;
3-водопоглощение, %.
БЦ-2
12
10
8
6
4
2
0
1100
1400
БЦ-3
1200
2
Водопоглощение, %
10
16
1200
1300
Температура, С
1400
Р/Ф
25
Водопоглощение, %
1,4
15
35
Пористость, %
1,6
20
2,2
Пористость, %
1,8
25
БЦ-1
Плотность, г/см3
2
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
1100
Плотность, г/см3
30
Водопоглощение, %
2,2
Водопоглощение, %
35
Пористость, %
2,4
Пористость, %
Плотность, г/см3
Плотность, г/см3
Спекаемость продуктов обогащения каолина
20
15
10
5
0
1100
1200
1300
Температура, С
1400
Характеристика сухих барьерных смесей ( по
литературным данным)
показатели
Производство КНР («Mayerton”)
Сlayburn,
Канада
Е-50
Е-55
МTDPR-1
МTDPR-2
DBM
40–45
50-55
1-3
0,8
30-35
55-60
2-3
1-2
35-42
55-60
1-2
1,0
23-28
57-64
1-2
1-2
26-32
60-65
5-7
1-2
Отношение Al2O3/SiO2
0,730,82
0,5-0,64
0,58-0,75
0,36-0,49
0,4-0,53
Плотность уложенного
слоя, г/см3
1,92
1,95
1,75
1,85
1,88
0,35
(300о)
0,50 (350о)
0-5
0-5
Состав, мас.%:
Al2O3
SiO2
Fe2O3
CaO + MgO
Коэффициент
теплопроводности,
Вт/(м·К)
Размер зерна, мм
0.59
(650о)
0-5
0,50 (650о) 0,59 (650оС)
0-5
0-5
Основные требования к СБС
•
•
•
Содержание SiO2 в барьерном материале должно быть не менее 53%
(оптимальное содержание SiO2– 60-72%);
Для обеспечения высокой стойкости к фторидам и расплавам алюминия
отношение Al2O3/SiO2 < 0,85
Открытая пористость должна быть менее 20%, при этом
предпочтительней размер пор менее 10 мкм.
Свойства СБС
СБС представляет собой алюмосиликатный порошок
тщательно подобранного зернового состава для обеспечения
насыпной плотности до 1,6 г/см3, после уплотнения
площадочным вибратором- плотности до 1,92 г/см3
Толщина слоя СБС обычно составляет 30 – 210 мм;
Наиболее предпочтительной является конструкция 2-х
слойной футеровки электролизера:
1 слой – материал с высоким содержанием SiO2, но низкой
инфильтрацией и теплопотерями,
2-й слой – высокоглиноземистый, обладающий хорошей
устойчивостью по отношению к газообразным продуктам
реакций.
Свойства СБС на основе компановского каолина
аналогов СБС Е-50 (производство КНР
«Mayerton»)
Шифр состава
Содержание
оксидов,
мас.%
Температура
обжига, оС
Свойства при температуре обжига
Водопоглощение, %
Пористость
кажущаяся,
%
Плотность
кажущаяся
г/см3
Al2O3
SiO2
Е-50
40-45
50-55
Состав 1
42,28
52,42
1400
12,0
24,1
2,0
Состав 1'
42,28 53,26
1450
6,2
13,5
2,17
Состав 1-С
41,60
50,1
1400
11,0
22,3
2,03
Состав 1'-С 42,84 54,8
1450
1,9
4,3
2,24
Состав 2
42,0
51,5
1400
8,2
17,3
2,10
Состав 2'
41,9
51,14
1400
4,1
9,0
2,20
Свойства СБС на основе компановского каолина
аналогов СБС Е-55 (производство КНР «Mayerton»)
Шифр состава
Содержание
оксидов, мас.%
Al2O3
Е-55
SiO2
Температура обжига,
оС
Свойства при температуре обжига
Водопоглощение, %
Пористость
кажущаяся,
%
Плотность
кажущаяся
г/см3
30-35 55-60
Состав 3
34,8
59,10
1400
6,3
13,6
2,15
Состав 3'
32,8
57,7
1400
3,6
7,8
2,18
Состав 3-С
34,3
58,6
1400
6,9
14,7
2,11
Состав 3'-С
32,1
58,5
1350
1,9
4,0
2,19
Состав 4
33,0
58,86
1350
1,4
3,0
2,14
Состав 4'
32,6
59,8
1350
0,5
1,0
2,14
Свойства СБС на основе компановского каолина
аналогов СБС MTDPR-1 (производство КНР
«Mayerton»)
Шифр состава
Содержание
оксидов,
мас.%
Al2O3
MTDPR-1
SiO2
Темпера
тура
обжига,
оС
Свойства при температуре обжига
Водопоглощение, %
Пористость
кажущаяся, %
Плотность
кажущаяся,
г/см3
35-42 53-60
Состав 5
40,0
54,4
1400
11,2
22,7
2,03
Состав 5'
39,8
54,7
1400
6,6
14,2
2,15
Состав 5-С
36,5
54,6
1400
6,9
14,6
2,12
Состав 5'-С
37,2
53,8
1350
2,9
6,4
2,20
Состав 6
40,0
52,6
1400
10,1
20,7
2,05
Состав 6
37,1
55,5
1400
8,3
17,6
2,11
Свойства СБС на основе компановского каолина
аналогов СБС MTDPR-2 (производство КНР «Mayerton»)
Шифр
состава
Содержание
оксидов, мас.%
Al2O3
MTDPR-2
Температура
обжига, оС
Свойства при температуре обжига
Водопоглощение, %
SiO2
Пористость Плотность
кажущаяся, кажущаяся,
%
г/см3
23-28 57-64
Состав 7
25
63,0
1300
4,0
8,9
2,21
Состав 7'
28,3
63,0
1300
1,0
2,0
2,28
1350
6,2
12,9
2,10
Состав 9 28,9 64,5
Свойства СБС на основе каолина
аналогов СБС DMB (Канада «Clayburn»)
Шифр соста-ва
Содержание
оксидов,
мас.%
Al2O3
Температура
обжига,
оС
Свойства при температуре обжига
Водопогло
щение,%
SiO2
Пористость
кажущаяся,
%
Плотность
кажущаяся,
г/см3
DMB
26-32
60-65
Состав 8
30,2
61,4
1350
4,9
9,9
2,03
Состав 8'
26,5
62,9
1300
0,5
1,1
2,24
Состав 8''
28,0
63,0
1300
0,4
0,8
2,12
Состав 10
29,2 64,2
1350
3,1
6,7
2,16