Тема: Печи обжига «зеленых»анодов, технология обжига

Цель: разработать транспортно-технологическую схему участка обжига. Разработать параметры процесса обжига.

Теоретические сведения

Введение

Обжиг «зеленых» анодных блоков является завершающей стадией производства угольных анодов для алюминиевых электролизеров, при этом пекококсовая масса превращается в монолитный электрод.

Обжиг «зеленых» анодных блоков и формирование самообжигающегося анода непосредственно на электролизере имеют близкий по своей сущности механизм. В обоих случаях происходят замедленное спекание связующего и формирование структуры анода. Однако при обжиге «зеленых» блоков удается сохранить первоначальную структуру анода, заложенную при смешении и виброформовании. У самообжигающихся анодов, не удается избежать заметной расслоения  жидкой фазы и нарушения заданной структуры анода, что приводит к снижению качества анода. Повышенное содержание связующего приводит к снижению плотности коксового остатка, повышению пористости и окисляемости при электролизе. Обжиг анодов можно проводить на любых печах, при условии выдержки графика обжига, создания восстановительной или нейтральной атмосферы для предотвращения окисления анода. На практике обжиг анодов проводится исключительно в кольцевых камерных печах открытого или закрытого типа. Именно на печах этого типа достигаются большая производительность, максимальная экономия топлива и наилучшие технологические результаты обжига, включая хорошее качество обожженных анодов.

 

1. Основы формирования структуры анода в процессе обжига

Основными процессами, протекающими в «зеленом» аноде при обжиге, является коксование пека и цементирование им наполнителя,  с образование монолитного угольного блока. «Зеленый» анод состоит на 13-15% из связующего каменноугольного пека и остальное из наполнителя (прокаленного нефтяного кокса).

Процесс обжига сводится к обьединению ароматических ядер с образованием сплошной кристаллической сетки обогощенной углеродом. Число колец в таких системах достигает десятки тысяч и по мере роста температуры плоские сетки ароматических ядер наслаиваются или сшиваются в трех мерные кристаллы типа графита, но с меньшей степенью упорядочения структуры.

Рис 1.Изменение плоской сетки каменноугольного связующего на различных стадиях спекания а - 450⁰С, б - 700⁰С, в - 1300⁰С

На начальной стадии нагревания «зеленых» анодов пековая фаза размягчается, а затем переходит в жидкое состояние. Пек остается жидким до момента спекания, т. е. до 400—450 °С. При такой температуре увеличивается смачивание кокса пеком, частицы кокса становятся подобно губке, впитывающей жидкую фазу. Таким образом, в начальной стадии обжига завершаются процессы смачивания и пропитки, которые не нашли полного развития в ходе смешивания и виброуплотнения «зеленых» блоков.

При повышении температуры нагрева связующее подвергается усиленной дистилляции с выделением  ароматических смол и  углеводородов. Проходящий углерод через парогазовую фазу  заполняет углеродом тонкие, ультратонкие поры и заполняет вакансии в кристаллической решетке углерода. Этот процесс называется «залечивание» труднодоступной поры в кристаллическом теле кокса.

Сростом температуры до 400-450⁰С происходит испарение (отгонка)легко –кипящих углеводородов(смол и газов) и постепенное обогащение пека более плотными ароматическими соединениями.

При дальнейшем росте температур (до700⁰С) происходит обьединение ароматических ядер с образованием сплошной кристаллической сетки обогащенной углеродом, образованием полукокса.

По мере роста температуры, более 700⁰С отдельные плоские сетки ароматических ядер наслаиваются или «сшиваются» в трехмерные кристаллы типа графита., происходит переход полукокса в кокс.

 

Температурный режим обжига

Одним из факторов, определяющих качество обожженной продукции, является температура обжига. Наряду с влиянием конечной температуры обжига большое значении имеет также и скорость подъема температуры в анодах: чем выше скорость подъема температуры, тем больше температурный перепад в объеме заготовки, тем неравномерней усадка, выше внутренние напряжения которые при низких температурах могут вызвать пластические деформации, а при высоких — растрескивание.

Процесс обжига/спекания «зеленых» анодных блоков условно можно разделить на следующие стадии:

1-я — до 120 °С; предварительный нагрев «зеленых» блоков, который сопровождается релаксацией (ослаблением) имеющихся механических напряжений в структуре, размягчением пека и дистилляцией влаги.

2-я — 120—350 ⁰С; термические преобразования в пеке и пекококсовой смеси, связанные с реакциями разложения органических соединений.

3-я — 350—600 ⁰С; коксование связующего и начало спекания пекококсовой композиции.

4-я — 600—1100 °С; физико-химические преобразования, направленные на упорядочение структуры обожженного анода.

Темп нагрева в пределах 0—800 ^о С в среднем должен быть 9,5 ^оС/ч. При этом в зоне 0—350 ^оС темп нагрева 6—6,5 ^о С/ч.

Темп подъема температуры в интервале 800—1100 ^оС как и темп охлаждения обожженных анодов не лимитируется так строго, как зона предварительного нагрева. Тем не менее превышение этого показателя более 20 ^оС/ч также недопустимо, так как слишком интенсивный нагрев или охлаждение могут вызвать опасные локальные температурные напряжения в анодах и их растрескивание. Оптимальное значение конечной температуры обжига 1050—1100°С, причем сдвиг в сторону1100°С является предпочтительным.

 

Печи обжига анодов

Для обжига анодов применяют многокамерные кольцевые печи открытого типа (бессводовые печи) и закрытого типа (сводовые печи). Использование печей этого типа обусловлено целым рядом факторов, важнейшие из которых следующие:

 1. Обжиг анодов должен проводиться по длительному и точно выдержанному графику.

 2. При повышенных температурах «зеленые» аноды могут деформироваться под воздействием собственного веса, поэтому изделия должны быть помещены в стабилизирующую засыпку из угольного порошка.

 3. Обжиг должен проводиться в восстановительной или нейтральной среде, так как при температуре больше 700—800 ^оС в атмосфере воздуха начинается заметное обгорание анодов.

В многокамерной печи перемещаются сразу три зоны: зона предварительного нагрева, обжига и охлаждения. В связи с этим материал каждой камеры в пределах одного цикла проходит все стадии обжига и охлаждения в соответствии с температурным графиком

В любом сечении кольцевой печи тепловой процесс периодически повторяется.. С холодного конца проводится периодическая загрузка «зеленых» блоков, с горячего конца, т.е. после нагрева, обжига и охлаждения, с той же периодичностью ведется разгрузка обожженных анодов.

Печи закрытого и открытого (рис.2) типа состоят параллельно расположенных между собой камер (рис.3) перпендикулярно оси печи, в каждой камере 6-8 кассет, расположенных параллельно вдоль оси печи, в которые загружаются аноды. Отличаются они по принципу передачи тепла, печи открытого типа- передач тепла через разделительную стенку, топливо сжигается в обогреваемом простенке и по каналам передается в другие камеры. В печах закрытого типа сжигание топлива происходит под сводом, установленноым над камерой.

Рис.2 Кольцевая печь открытого типа

Поперечная перегородка

Поперечная перегородка

Внешний газаход

Внутренний газаход

Огнеупорный простенок

Кассета

Рис.3 Элементы печи с указанием  кассет, газоходов и  перегородок