Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Стабилизация теплового и материального баланса высокоамперного электролизера в условиях повышения токовой нагрузки Смань Антон Владимирович

Стабилизация теплового и материального баланса высокоамперного электролизера в условиях повышения токовой нагрузки
<
Стабилизация теплового и материального баланса высокоамперного электролизера в условиях повышения токовой нагрузки Стабилизация теплового и материального баланса высокоамперного электролизера в условиях повышения токовой нагрузки Стабилизация теплового и материального баланса высокоамперного электролизера в условиях повышения токовой нагрузки Стабилизация теплового и материального баланса высокоамперного электролизера в условиях повышения токовой нагрузки Стабилизация теплового и материального баланса высокоамперного электролизера в условиях повышения токовой нагрузки Стабилизация теплового и материального баланса высокоамперного электролизера в условиях повышения токовой нагрузки Стабилизация теплового и материального баланса высокоамперного электролизера в условиях повышения токовой нагрузки Стабилизация теплового и материального баланса высокоамперного электролизера в условиях повышения токовой нагрузки Стабилизация теплового и материального баланса высокоамперного электролизера в условиях повышения токовой нагрузки Стабилизация теплового и материального баланса высокоамперного электролизера в условиях повышения токовой нагрузки Стабилизация теплового и материального баланса высокоамперного электролизера в условиях повышения токовой нагрузки Стабилизация теплового и материального баланса высокоамперного электролизера в условиях повышения токовой нагрузки Стабилизация теплового и материального баланса высокоамперного электролизера в условиях повышения токовой нагрузки Стабилизация теплового и материального баланса высокоамперного электролизера в условиях повышения токовой нагрузки Стабилизация теплового и материального баланса высокоамперного электролизера в условиях повышения токовой нагрузки
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Смань Антон Владимирович. Стабилизация теплового и материального баланса высокоамперного электролизера в условиях повышения токовой нагрузки: диссертация ... кандидата технических наук: 05.16.02 / Смань Антон Владимирович;[Место защиты: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный минерально-сырьевой университет "Горный""], 2015.- 158 с.

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1 Особенности формирования криолит глиноземного укрытия анодного массива высокоамперного электролизера 10

1.1 Высокоамперные технологии в производстве первичного алюминия 10

1.2 Механизм и технология формирования криолит-глиноземной корки на высокоамперном электролизере 16

1.3 Основные требования к качеству анодного укрытия электролизера 27

1.4 Основные свойства укрывного материала анодного массива 33

1.5 Свойства и структура криолит-глиноземных корок 42

Выводы по главе 1 53

ГЛАВА 2 Программа опытно-лабораторных исследований по укрывным материалам анодного массива 54

2.1 Особенности подготовки шихтовых материалов для создания модели анодного укрытия 54

2.2 Методика определения теплопроводности укрывного материала 57

2.3 Методика для определения скорости растворения глиноземной корки в электролите 59

2.3.1 Методика изучения скорости формирования криолит глиноземной корки с помощью оптического спектра расплава 60

2.4 Обработка результатов экспериментальных данных 64

ГЛАВА 3 Выбор рационального состава укрывных материалов для анодов электролизера

3.1 Укрытие анодного массива как подсистема алюминиевого электролизера и его эволюция 79

3.2 Влияние гранулометрического и фазового состава укрывного материала на его теплопроводность 94

3.3 Определение теплопроводности анодного укрытия 99

Выводы по главе 3 115

ГЛАВА 4 Скорость зарождения и формирования криолит-глиноземной корки на поверхности электролита высокоамперного электролизера 117

4.1 Программный модуль для определения скорости формирования и растворения корки на поверхности расплава 117

4.2 Совершенствование укрывных материалов анодного массива для алюминиевых электролизеров 128

4.3 Технико-экономическое обоснование внедрения инновационных решений диссертационной работы 139

Выводы по главе 4 141

Заключение 143

Список сокращений и условных обозначений 144

Механизм и технология формирования криолит-глиноземной корки на высокоамперном электролизере

На всех современных предприятиях по производству первичного алюминия в проектных решениях закладывается участок или цех по переработке оборотного сырья; излишки электролита, корка с верха огарка анодов после их замены, криолит-глиноземная корка, твердые подовые осадки и настыли, оборот после чистки и выбойки ковшей, материалы после сухой выбивки катодов во время капитального ремонта, глиноземная пыль и сметки после уборки корпусов электролиза.

Оборудование для подготовки оборотного электролита для укрывных материалов (УМ) представляет собой большой комплекс и разнообразие мельниц для дробления и измельчения. Зарубежными предприятиями уделяется внимание вопросам производства УМ, которое позволяет контролировать и управлять его свойствами [20]. Пример такой технологии, использующейся на заводе Alouette [21], представлен на рисунке 1.1, которая выглядит следующим образом: электролит, удаленный с огарков, и электролит после очистки лунок, загружаются одновременно в воздухоструйную автогенную мельницу. Измельченный продукт складируется в 800-тонный силос, который ранее имел центральное загрузочное отверстие и одно выходное отверстие в центре. По причинам удорожания силос для материала электролита не спроектирован для массового потока, что приводит к постоянному колебанию гранулометрического состава. За счет модификации силоса уменьшается сегрегация, и отклонение гранулометрического состава снижается [23].

С другой стороны в проектах ОК РУСАЛ (по технологическим условия проекта «Строительство БоАЗ») подготовка оборотного электролита производится по более простой схеме, когда извлеченная корка и оборотный электролит транспортируются на участок дробленого электролита и чистки вакуум-ковшей [24-29], и далее после измельчения направляются обратно в цех в бункера АПГ оборотного электролита для подсыпки на корку электролита «слоеным пирогом» после замены огарка на новый анод. Часто эта операция производится вручную. При этом не соблюдается ряд необходимых условий, при которых зачастую формируется неравномерное по высоте и химическому составу, а также по гранулометрическому составу анодное укрытие. Все это может привести к резкому разбалансированию электролизера и изменению тепловых условий его работы. Особенно это проявляется при обвалах корки по периферии (рисунок 1.2 а) или образованию куч излишнего глинозема под питателями АПГ (рисунок 1.2 б).

В работе [30] отмечается, что вторичный УМ и затвердевший материал после очистки полости («лузы») при замене анодов имеет очень высокую прочность и обладает абразивностью, поэтому предпочтение при измельчении отдается автогенным мельницам. Перед подачей в автогенную мельницу корку с анодов, эти материалы могут быть предварительно раздроблены на грохотах. В автогенных мельницах [31], снабженных такими а) б) грохотами, дробленный и измельченный электролит пропускается через отверстия встроенных грохотов, и выгружается подрешетный продукт. Обычно, в воздухоструйных автогенных мельницах тонкий, дробленный и измельченный продукт перемещается струей воздуха и затем пропускается через воздушный классификатор и коллектор пыли. Максимальный размер частиц, производимых данной мельницей, зависит от скорости воздушного потока и обычно ограничивается максимальным размером частиц около 3 мм. Так автогенная мельница на заводе Alouette была установлена компанией FCB [23], и положительно зарекомендовала себя за весь период эксплуатации.

Линии дробления электролита на других заводах на первой линии оборудованы щековыми дробилками или барабанными классификаторами на первой стадии, а также ударными дробилками в комбинации с циклом грохочения на второй стадии. На некоторых электролизных заводах (компании Rio Tinto Alcan) существуют две линии дробления – одна для корок анодов, и другая для материала очистки лунок и отходов производства (смёток и пыли). На Alouette и других заводах с электролизерами типа АР30 они перерабатываются совместно, но также применяется и их последовательная обработка. Выгодной альтернативой для автогенных мельниц или других линий дробления является дробление электролита при помощи вальцового пресса, линия процесса которого изображена на рисунке 1.1. Преимущество ее заключается в том, что размер помола продукта можно легко изменять путем регулировки давления между барабанами и скоростью вращения. Скорость вращения также определяет производительность агрегата. Примеры гранулометрических составов для двух опытов приведены в таблице 1.2. Производительность вальцового пресса по дроблению весьма высока, и барабан шириной 200 мм может производить около 50 т/час. Недостатком вальцового пресса является то, что необходима предварительная дробилка для сокращения размера больших кусков и нужен разделитель для разрушения спрессованного спека – продукта из вальцового пресса.

На заводе Alouette перемешивающие станции для смешения мелкозернистого электролита с вторичным глиноземом расположены рядом с электролизными сериями. Заполнение бункера машины для обслуживания ванны выполняется попеременно слоями для питания двумя компонентами («слоеным пирогом»). Подобная технология формирования УМ на заводах ОК РУСАЛ производится при помощи машин МПК-5 [32, 33] с дисковыми питателями для попеременной раздачи глинозема, дробленного оборотного криолита и фторсолей, соответственно корректировки содержания глинозема в электролите, уровня расплава и КО.

Операцию смешения в бункере необходимо подвергнуть усовершенствованию. В идеальном варианте смешение должно осуществляться с использованием отдельного силоса и отдельных дозирующих весов (ленточные весы или взвешивание по потере веса), а также оборудования для необходимого качества перемешивания перед подачей шихты в бункера машины обслуживания ванны.

После различных усовершенствований линии производства первичного УМ при постоянных компонентах перерабатываемого сырья, отмечается улучшение стабильности работы электролизеров, в частности, при поддержании уровня электролита в заданных пределах [34, 36].

Таким образом, для формирования более качественных укрывных материалов необходим целый комплекс технологических мероприятий, и установка дополнительного оборудования на участках дробленого электролита на заводах ОК РУСАЛ, для обеспечения более эффективной работы электролизеров ОА. Чтобы объяснить и обосновать технические решения с дополнениями в технологические регламенты необходимо изучение физико-химических процессов формирования корки на поверхности КГР.

Методика определения теплопроводности укрывного материала

В работе проводилось исследование влияния размера фракции укрывного материала на его коэффициент теплопроводности. На основе анализа литературных источников принято решение о использовании метод покоординатного спуска для планирования эксперимента, который обычно называют методом Гаусса – Зайделя, применительно к планированию эксперимента метод покоординатного [93], при котором подразумевается, что движение из исходной (и любой промежуточной) точки производится шагами, направленными вдоль одной из осей координат.

Если размерность задачи невелика, то метод градиентного спуска всегда предпочтительнее метода покоординатного спуска. Но по мере роста размерности относительная эффективность метода покоординатного спуска возрастает. Эффективность численного метода, использующего большое количество итераций, определяется двумя характеристиками метода – количеством итераций и затратами времени на одну итерацию. Конечно, количество итераций с ростом размерности у градиентного спуска росло медленнее, чем у покоординатного, но в целом относительная эффективность покоординатного спуска увеличивалась [94].

Имеющийся опыт применения метода покоординатного спуска показывает, что по условию сходимости он при малом числе переменных может дать лучшие результаты, чем градиентный метод. Однако при решении задач с большим числом переменных и сложной системой ограничений метод покоординатного спуска уступает градиентному методу.

В направлении каждой оси определяется локальный оптимум, координаты которого являются исходными для следующего цикла поиска. Число необходимых циклов зависит, в частности, от удачного выбора первого направления спуска. Этот метод наиболее эффективен при поиске экстремума по дискретным переменным. При большом числе переменных метод покоординатного спуска может привести к очень большому времени счета. В этом отношении более эффективными являются методы градиентного спуска [93].

В связи с этим варьировали поочередно каждый фактор отдельно, оставляя постоянным значения остальных. Таким образом, определялось влияние КО на теплопроводность укрытия. Определение коэффициента теплопроводности при различном соотношении фракций укрывного материала проводили по тому же принципу вариации.

После анализа доступной информации, для линейного математического планирования [95-100] были отобраны следующие переменные факторы, установлен их нулевой уровень и определены интервалы варьирования [99], которые приведены в таблице 2.4 [101].

Постановка опытов по определению влияния фазового состава образцов укрывного материала на коэффициент теплопроводности () выполнялась в соответствии с матрицей планирования эксперимента, которая представлена в таблице 2.5. Проводился эксперимент типа N = pk , где число факторов k = 2, число уровней p = 2, число опытов N = 4, число повторных опытов r = 3. Таблица 2.5 – Матрица планирования эксперимента по определению влияния фазового состава образцов укрывного материала на коэффициент теплопроводности

Результаты реализации эксперимента в соответствии с принятым математическим планом приведены в таблице 2.6.

Обработка экспериментальных измерений проводилась с использованием методов математической статистики. В качестве наилучшего принималось среднее арифметическое функции отклика из ги параллельных опытов: г yt = - Уи і = 1,2,...,N; I = 1,2,... ,г , (2.7) 1=1 где / - номер опыта; / - номер параллельного опыта. Проверка однородности дисперсии параллельных опытов проводилась с целью подтверждения нормального закона распределения ошибок отдельных опытов для выполнения в дальнейшим регрессионного анализа -расчета коэффициентов регрессии, проверке их значимости и проверке адекватности математической модели экспериментальных данных.

Проверку однородности при одинаковом числе параллельных опытов проводят с помощью критерия Кохрена (G-критерий). Для этого определялась дисперсия параллельных опытов: si=[ (Уи-Уі)2- (2.8)

Критерий Кохрена показывает долю максимальной дисперсии в общей сумме дисперсий эксперимента. В случае идеальной однородности Gp стремится к значению 1/N. Расчетное значение критерия Кохрена сравнивается с табличным значением Gm, которое выбирается из таблиц для принятого уровня значимости а = 0,05 и чисел степени свободы и/1 и/2: f1=r-l;f2=N. (2.10, 2.11)

По данным таблицы 2.6 определим расчетное значение коэффициента Кохрена, из этой же таблице видно, что Smax = 0,000402, тогда Gp= 0,5009. В соответствие с таблицей коэффициентов для а = 0,05; fj = 2; f2 = 4, находим Gm = 0,77, так как выполняется условие Gp Gm, то с выбранным уровнем статистической значимости а (с достоверностью 1 -а) все дисперсии признаются однородными.

Дисперсия всего эксперимента S2 (у) получается в результате усреднения дисперсий всех опытов. Эта же дисперсия характеризует и воспроизводимость эксперимента, S2(y) = S2eocnp, учитывая данные таблицы 2.6, получаем выражение:

Значения коэффициентов регрессии Ъи и buj позволяют оценить степень влияния факторов и их взаимодействий на исследуемый параметр. Чем больше числовое значение коэффициента, тем большее влияние оказывает фактор. Если коэффициент имеет знак «+», то с увеличением значения фактора параметр увеличивается, а если «-» - уменьшается. Величина коэффициента соответствует вкладу данного фактора в величину искомого параметра при переходе значения фактора с нулевого уровня на верхний или нижний.

Проверка нелинейности модели связана с тем, что эффект одного фактора зависит от уровня, на котором находится другой фактор. В этом случае говорят, что существует эффект взаимодействия двух факторов. ПФЭ позволяет количественно оценить эффект взаимодействия. Для этого, пользуясь правилом перемножения столбцов, получается столбец произведения двух факторов, при этом модель для такого плана имеет вид: у = Ь0Х0 + Ь±Х± + Ъ2Х2 + Ь12 ! 2. (2.15)

Влияние гранулометрического и фазового состава укрывного материала на его теплопроводность

В последние десятилетия мировые алюминиевые компании неуклонно повышают единичную мощность оборудования, увеличивая силу тока и снижая расход электроэнергии на 1т алюминия. В условиях экономической дестабилизации алюминиевые корпорации стремятся максимально снизить себестоимость продукции за счет использования и реконструкции существующих производственных фондов, а также вновь строящихся предприятий на базе дешевой электроэнергии.

Основной частью фондовой базы инструмента электролизного производства является комплект анододержателей, конструкция которых должна быть рассчитана на совершенно определенный диапазон силы тока, обеспечивать необходимое падение напряжения по аноду и быть достаточно механически прочной, чтобы воспрепятствовать падению, а также разрушению анодного блока.

Практически на всех предприятиях ОК РУСАЛ с электролизерами ОА (с обожженными анодами) проводятся работы по решению задачи связанной с оптимальным укрытием анодов. Основной задачей является предотвратить доступ воздуха к поверхности анодного массива, особенно по боковым граням. Существует расчетное количество засыпки, которое позволяет избежать повышенного образования тепла внутри анодного массива и в электролите, поскольку это может привести к нарушению теплового баланса электролизера и увеличении температуры электролита, что незамедлительно скажется на производительности электролизера. Тепловой баланс электролизера определяет стабильность и эффективность работы электролизера, а это непосредственно связано с диссипацией определенного количества тепла за счет количества укрывного материала отводимого от анода для поддержания температуры металла и электролита.

За последние годы был проведен ряд исследований по определению свойств и характеристик корки электролита, которая формируется из электролита и глинозема [55,78]. Не смотря на это, вопросы, касающиеся изучения укрывных материалов (смеси дробленого электролита, фторированного глинозема, чистого глинозема и фтористых солей), которые используются по технологии для электролизеров с обожженными анодами, исследованы в недостаточной степени. Имеются работы по влиянию гранулометрического состава только в плане влияния насыпной плотности [84].

Известно [78], что мелкие фракции с низкой насыпной плотностью являются изоляцией (0,3 - 0,4 Вт/мС) независимо от того, состоят они из электролита или глинозема - причем гранулы смеси электролита и глинозема в пределах 1-10 мм могут образовывать плотную засыпку более высоким уровнем теплопроводности (до 1,5 Вт/мС). Такая зависимость теплопроводности от размера частиц укрывного материала является основной точкой для расчета конструкций алюминиевого электролизера, но этих фактов недостаточно для объяснения особенностей влияния укрытия для электролизеров в промышленной серии высокоамперных электролизеров. Исследования, которые были проведены ранее на алюминиевом производстве [14], показывают, что состав фторированного глинозема в корке является главным фактором, который определяет прочность, а значит и целостность корки, которая образуется при наличии высоких тепловых потоков, исходящих от расплавленного электролита. Алюминиевые заводы с электролизерами малой и средней мощности (70-180 кА), использовали в качестве укрывного материала глинозем, обладающий низкой теплопроводностью, но высокой газопроницаемостью [4, 9, 47].

Эксплуатация более современных электролизеров требует уже более эффективной защиты анода от окисления, сокращения выбросов диоксида углерода, стабилизации теплового баланса ванны при высоких плотностях тока, оптимизации потерь тепла через верх укрытия.

Укрытие анодного массива (УМ), как отмечалось выше, состоит из смеси дробленого электролита и глинозема, представленных примерно в равных соотношениях, и является подсистемой электролизера. УМ является важной частью диссипативной системы – электролизера с обожженными анодами, и кроме того, что оно снижает скорость окисления анода атмосферным воздухом и стабилизирует тепловой баланс ванны, дополнительно поддерживает целевой уровень электролита, обеспечивает оптимальную форму настыли и гарнисажа, адсорбирует летучие фториды (HF, NaAlF4 и AlF3), защищает ниппели анододержателя от воздействия расплава при возникновении анодного эффекта, продлевает срок службы электролизера [40, 102, 103]. Таким образом, укрытие анодного массива оказывает существенное влияние на технико-экономические и экологические показатели высокоамперного электролизера.

В свою очередь качество укрытия анодного массива зависит от характеристик исходных материалов, технологии их переработки, способов транспортировки и хранения, алгоритма загрузки в электролизер укрывного материала (УМ) и эксплуатационных свойств последнего – химического и гранулометрического составов, газопроницаемости, теплопроводности, текучести, угла естественного откоса (УЕО), устойчивости к разрушению, толщины слоя. Процесс эволюции укрытия анодного массива можно разделить на три этапа, охватывающих периоды 1950–1970, 1970–1990 и с 1990 г. по настоящее время [85].

В 1950–1970 годах в алюминиевой промышленности эксплуатировались преимущественно электролизеры с малой силой тока (40– 120 кА) с расходом электроэнергии 16500-17000 кВтч/т Al. Для этого типа электролизеров характерно низкое выделение тепла, которое зависит, прежде всего, от величины греющего напряжения. В связи с этим основной функцией укрытия анодного массива и анода в тот период было снижение потерь тепла электролизером в окружающую среду и вследствие этого выполнение задачи сокращения расхода электроэнергии [103]. Наиболее полно этому требованию соответствовал глинозем, теплопроводность которого составляет около 0,14 Вт/(мС). Однако, в силу того, что при температуре укрытия 750–900 С глинозем мало спекается с парами электролита, и не образует корки, а его газопроницаемость достигает 8,9 нПм, укрытие не обеспечивало надежной защиты анода от окисления. Удельный расход анода (нетто) достигал 500–550 кг/т Al, удельные выбросы фторида водорода – 5 кг/т Al. 1970–1990 годы характеризуются созданием и эксплуатацией более мощных электролизеров на силу тока 120–280 кА с автоматическим точечным питанием глиноземом и расходом электроэнергии менее 14500 15000 кВтч/т Al. Соответственно увеличилось количество выделяющегося джоулева тепла, для более эффективного отвода, которого и поддержания теплового баланса электролизера, боковые стенки катодного кожуха стали оборудоваться шпангоутами, интенсифицирующими конвективные потоки воздуха, омывающие ванну. В странах-производителях алюминия ужесточились экологические законодательства, ограничивающие удельные выбросы фторида водорода не более 2 кг/т Al. Изменились и требования к укрывному материалу, поэтому потребовалась более надежная защита анода от окисления и более эффективный отвод тепла. Этим требованиям металлургический глинозем не отвечал, поэтому в состав УМ стали вводить добавки дробленого электролита, доля которого на различных заводах колебалась в широких пределах – от 0 до 100 мас. % [36]. Наиболее распространенными в то время были составы, содержащие 33–50 мас. % глинозема и 50–66 мас. % дробленого электролита [44]. Этот этап характеризуется ростом эмиссии фторида водорода вследствие истончения корок спеченного УМ под воздействием высоких тепловых потоков, а также наличия в них отверстий в точках ввода сырья в расплав системой автоматического питания ванны.

Период начала 1990-х годов характеризуется разработкой и внедрением электролизеров силой тока 300–500 кА и более, переводом технологии электролиза на использование кислых электролитов с криолитовым отношением КО = 2,0–2,5, позволяющих снизить температуру ликвидус до 948–952 С. Удельное потребление электроэнергии в постоянном токе современными электролизерами составляет 12500–13800 кВтч/т Al, удельные выбросы фтористого водорода снизились до 0,4–0,6 кг/т Al. При этом ужесточение энергетических и экологических требований заставляет снижать удельный расход электроэнергии и выбросы загрязняющих веществ в атмосферу. В этих условиях роль укрытия анодного массива и требования к УМ возрастают.

Совершенствование укрывных материалов анодного массива для алюминиевых электролизеров

Выполнили исследование влияние прочности укрытия при изменении состава используемой смеси для его приготовления: количества глинозема, оборотного криолита и фторидов (алюминия, натрия, калия, магния, хиолита).

Чистый глинозем после смешивания с фторидами помещался в шахтную печь ЭПЛ-3 и находился в течение часа при температуре 950 С. Измерение температуры производилось хромель-алюмелевой термопарой. Испытания проводились в корундовых стаканах цилиндрической формы. Гранулометрический состав глинозема определялся при помощи лазерного анализатора частиц Микросайзер 201 С. Исследование кинетики обезвоживания производилось согласно ГОСТ 27799-93 [124] с использованием платинового тигля.

Необходимо отметить, что во время экспериментов, при высоком первоначальном содержании -фазы в составе глинозема песочного типа и в заданном интервале температур электролита (950-955 оС) увеличивалась плотность корки, а при увеличении содержания -фазы и мелочи (с размерами частиц меньше -45 мкм) приводит к увеличению вероятности разрушения корки, ее осаждения в электролит и образования осадка.

Установлено, что глинозем, содержащий приблизительно 20 мас. % -фазы показал наилучшее сочетание свойств корок по прочности, плотности, высокой площади поверхности и стабильности в электролизере.

При попадании холодного глинозема в электролит, его метастабильные кристаллические фазы переходят в -фазу. Это формирует связанные друг с другом цепочки «пластинок», которые делают корку более прочной. Кроме того, высокое первоначальное содержание -фазы приводит к более высокой плотности и большой теплопроводности корки. При этом резко увеличиваются ее прочностные характеристики, а высокое содержание мелкой фракции уменьшает скорость проникновения электролита в слой глинозема и плохо смачивает поверхность его отдельных частиц. Необходимо отметить, что влияние -фазы на скорость проникновения электролита в глинозем определяли только с учетом уровня перегрева глинозема. При использовании перегретого глинозема процесс образования корки сводится к тепло- и массопереносу при капиллярном воздействии на каждую частичку глинозема с высокоразвитой поверхностью (песочного типа). Такое влияние содержания -фазы не может быть ожидаемо для наблюдаемых параметров в более реальных условиях процесса образования корки.

Кроме того, в работе исследовалась способность к коркообразованию глиноземов, отобранных с сухой газоочистки. Было определено, что корка, сформированная из вторичного глинозема, имела меньшую среднюю плотность, чем корка, образованная из первичного глинозема. Было установлено, что устойчивые сцепленные друг с другом цепочки -пластинок не образуются и было предположено, что фторидные составы связывали частички глинозема, препятствуя происходящему прокаливанию. При этом такие корки тоньше, легче, ниже нависают над поверхностью электролита, содержат большее количество глинозема и большее количество -Al2O3 по сравнению с корками из первичного глинозема.

Не менее важным показателем зарождения прочного укрытия является газопроницаемость корки, так как образование большого количества трещин в течение процесса её формирования нарушает герметизацию укрытия и способствует увеличению выбросов и негативно сказывается на его состоянии. Укрывной материал должен максимально изолировать отходящие с поверхности электролита горячие газы, задерживать в слое и создавать условия их транспортирования под корой в систему газоходов ГОУ.

Полное или частичное отсутствие корки приводит к разгерметизации электролизера и как следствие к высоким потерям сырья и ухудшению экологической обстановки. Значительные выделение HF является следствием наличия микроканалов в укрытии. Они представляют собой небольшие туннели, образование которых приводит к значительному увеличению площади открытого электролита. Визуально определить площадь каналов значительно труднее, чем открытых отверстий, и гораздо сложнее оценить их влияние на снижение эффективности очистки газов. Предварительное уплотнение корки снижает количество туннелей, что положительно сказывается на герметичности электролизера. Образование таких каналов показано на рисунке 4.10.

Определено, что скорость стадии обезвоживания играет важную роль в получении прочной и монолитной корки – чем быстрее происходит обезвоживание, тем более качественной получается корка. Глинозем, являясь гигроскопичным материалом, является основным носителем влаги в укрывном материале. Для формирования монолитной корки необходимо удалить физически связанную влагу (ее содержание в образцах составляет 4,9 мас. %), наличие которой способно вызвать нарушение целостности образцов.

Кинетика обезвоживания глинозема представлена на рисунке 4.12, из которого видно, что наиболее полное обезвоживание глинозема (4,6 % влаги) происходит при температуре 950 С в течение 300 с, последующая выдержка образцов в течение 1 часа позволяет удалить оставшуюся часть химически связанной влаги. Температура 850 С является наиболее близкой к промышленным условиям нахождения укрывного материала в электролизере. Удаление физически связанной влаги при такой температуре происходит за 480-500 с, часовая выдержка позволяет удалить 4,45 мас. % суммарной влаги. При температуре 300 С в течение часа удаляется до 3,7 мас. % влаги.