Повышение эффективности производства алюминия путем хромирования технологического инструмента

Актуальность работы. Получение алюминия путем электролиза из криолит-глиноземных расплавов сопровождается интенсивной высокотемпературной коррозией всего технологического оборудования. В процессе электролитического получения алюминия путем электролиза из криолит-глиноземных расплавов происходит коррозионное разрушение технологического инструмента и основного оборудования, что приводит к преждевременному выходу их из строя, а соответственно, к загрязнению алюминия-сырца железом. Интенсивной высокотемпературной коррозии подвергаются термопары, газосборные секции, газовые горелки, трубопроводы газоочистки, катодные и анодные токоподводы, шумовки, скребки, выполненные из чёрных металлов. Традиционным способом защиты от коррозии является изготовление оборудования из легированных хромом и никелем сталей или нанесение защитных покрытий на основе I карбида кремния, титана и т. д. Однако изготовление инструмента из нержавеющей стали значительно повышает его стоимость, а применение защитных покрытий из керамики не всегда возможно в связи с их хрупкостью и слабой сцепляемостью с основой.

Для защиты технологического инструмента, например шумовки, целесообразен отход от традиционных методов защиты от коррозии. В качестве перспективного направления можно рассмотреть нанесение хромовых покрытий с получением на поверхности твёрдых расплавов или интерметаллидов.

До сих пор на алюминиевых заводах, технологический инструмент изготавливают из углеродистой стали, в результате чего расходуется большое количество шумовок, скребков, ломов, что приводит к дополнительному загрязнению алюминия сырца железом.

Цель работы: исследовать коррозионную стойкость металлов в криолит-глиноземном расплаве в процессе производства алюминия и разработать новые эффективные способы защиты технологического инструмента от коррозии в производстве алюминия для минимизации затрат на их изготовление и повышение сортности производимого алюминия.

Для реализации этих целей были поставлены и решены следующие задачи:

• исследована коррозия металлов и хромсодержащих сплавов в криолит-глиноземных расплавах;

• проведен анализ влияния коррозии инструмента на технико-экономические показатели промышленного производства алюминия;

• разработана технология нанесения хромовых покрытий на технологический инструмент и определена их коррозионная стойкость в электролизном производстве;

• проведены промышленные испытания работы оборудования с нанесенными защитными покрытиями;

• разработано технико-экономическое обоснование внедрения технологии хромирования инструмента.

Объектом исследования был выбран технологический инструмент электролизных корпусов Братского алюминиевого завода.

Методы исследования. В работе для решения поставленных задач использовались гравиметрические методы определения коррозионной стойкости материалов в технологических средах производства алюминия с привлечением установленных ГОСТом методик при современном метрологическом обеспечении лаборатории ИрГТУ и центральной заводской лаборатории Братского алюминиевого завода. Эксперименты проводились как в лабораторных, так и в промышленных условиях.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сходимостью и воспроизводимостью результатов параллельных опытов. Надежностью применяемого поверенного оборудования и результатами промышленных испытаний.

Научная новизна работы заключается в том, что на основе изучения коррозионного поведения металлов и сплавов в криолит-глиноземных расплавах электролизных корпусов Братского алюминиевого завода впервые:

— определена скорость коррозии технологического инструмента для обработки электролизера и установлено, что она в промышленных условиях в 40 раз выше для стали СтЗ и в 150 раз выше для стали Х13, чем в лабораторных условиях;

— установлено, что на поверхности технологического инструмента (шумовки) при перемещении в магнитном поле возникает потенциал до 41 мВ, в результате чего скорость коррозии значительно возрастает по сравнению с лабораторными испытаниями;

— из проведенных экспериментальных зависимостей скорости коррозии от температуры определена энергия активации коррозии для стали СтЗ, Х13, Х25, Х18Н9Т, которая составляет 11,40, 11,48, 13,18 и 16,24 кДж/моль соответственно. Низкому значению энергии активации соответствует повышенное значение скорости коррозии и свидетельствует о том, что технологический инструмент, изготовленный из стали СтЗ в криолит-глиноземных расплавах коррозирует по химическому и электрохимическому механизму и является совершенно не стойким;

— установлено, что сталь Х13, Х25, Х18Н9Т и хромовые покрытия нанесенные термодиффузионным и гальваническим способом в криолит-глиноземных расплавах обладают повышенной коррозионной устойчивостью;

— в результате проведенных исследований установлены неизвестные ранее закономерности повышения коррозионной стойкости стали СтЗ, путем нанесения композиционных хромовых покрытий электролитическим способом из сверхсульфатных саморегулирующихся электролитов.

Практическая значимость исследования состоит в том, что предложен новый способ нанесения композиционных хромовых покрытий на технологический инструмент, который позволяет снизить скорость коррозии его в расплавленном электролите в 3 — 4 раза, уменьшить загрязнение алюминия железом и увеличить срок службы технологического инструмента, а также повысить выход по току и сортность алюминия за счет понижения содержания железа в криолит-глиноземном расплаве.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на Международных конференциях «Алюминий Сибири -2004» г. Красноярск. Научно-практических конференциях «СибВАМИ» 2003, 2004, 2005, научно-технических конференциях БрГТУ г. Братск и ИрГТУ г. Иркутск.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 статей.

Объём и структура работы. Диссертационная работа содержит 127 страниц машинописного текста, 23 рисунка и 29 таблиц. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 117 наименований и приложения.

ВЫВОДЫ.

1. Разработана методика нанесения хромового покрытия для защиты технологического инструмента от коррозии в криолит-глиноземных расплавах производства алюминия.

2. Предложено для повышения коррозионной стойкости хромовых покрытий и снижения уровня загрязнения. добавлять в электролит окись алюминия (глинозем) в результате чего получаются композиционные хромовые покрытия, обладающие повышенной коррозионной стойкостью.

3. Изучена микроструктура образцов стали без покрытия и с покрытием из сверхсульфатного саморегулирующегося электролита хромирования — это доказало качественное превосходство хромированной стали.

4. Проведены промышленные испытания шумовки с хромовым покрытием из сверхсульфатного саморегулирующегося электролита хромирования, которые показали, что срок службы шумовки увеличивается в 3 раза, за счет образования на рабочей части инструмента тугоплавкого сплава железо-хром, т. е. диффузии хрома в рабочую поверхность инструмента, а также снижается загрязнение алюминия-сырца железом.

5. Разработана технология хромирования технологического инструмента для Братского алюминиевого завода.

6. Ожидаемый экономический эффект от внедрения шумовок с хромовым покрытием из сверхсульфатного саморегулирующегося электролита хромирования за счет снижения затрат на изготовление шумовок составит 622 740,29 руб/год. Снижение содержания железа в электролите на 0,166% повысит выход по току на 0,027%. Суммарный ожидаемый экономический эффект составит 15,4 млн. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В процессе электролитического получения алюминия в электролизер поступает большое количество железа, которое содержится в сырье, конструкционных материалах и от технологического оборудования и инструмента. Поступающее в электролизер железо, переходит в катодный алюминий (алюминий-сырец), в результате этого ухудшается сортность алюминия, а железо находящееся в электролите снижает выход по току, что неблагоприятно сказывается на технологическом процессе и на технико-экономических показателях предприятия.

2. Рассмотрен возможный механизм протекания коррозии в криолит-глиноземных расплавах.

3. Проведенный обзор способов защиты от коррозии позволяет предположить, что защиту технологического инструмента следует проводить путем подбора коррозионностойкого легированного материала или нанесения покрытия, что привело к выбору легированных хромом сталей или нанесению хромовых покрытий на технологическое оборудование.

4. Впервые исследована скорость коррозии стали Ст. З и хромсодержащих сплавов в криолит-глиноземных расплавах. Коррозия инструмента в производстве алюминия является одной из основных частей поступления железа в первичный алюминий и составляет (нормальный технологический ход) порядка 13% или 228,4 г/т. для БрАЗа, от общего содержания железа. Однако наряду с растворением инструмента из строя выходят анодные штыри и секции газосборного колокола, которые также загрязняют алюминий-сырец. А при разрушении катодного устройства содержание железа возрастает до 2000 г/т, в результате чего сорт алюминия ухудшается, снижается выход по току и продавать не сортовой металл на LME становится не рентабельным. Однако существуют методы рафинирования алюминия от железа, например отстаивание, но они слишком трудоемки и очень дорогостоящи. В связи с этим нами исследован ряд легированных сталей, которые бы могли предотвратить интенсивную высокотемпературную коррозию инструмента.

5. Установлено, что стали легированные хромом более стойкие по отношению к малоуглеродистым сталям.

6. Испытания показали (табл. 2.5.), что скорость коррозии легированной стали сокращается в 9 раз, что в свою очередь снижает загрязнение алюминия-сырца железом. В результате исследований нами установлены неизвестные ранее факторы влияния температуры электролиза на скорость коррозии стали Ст. З и легированных сталей. Рассчитана энергия активации для малоуглеродистой и легированных сталей.

7. Проведено измерение возникающего на технологическом инструменте в магнитном поле электрического тока, сила которого составляет 38мкА, а напряжение 41мВ.

8. Из вышесказанного следует, что для предотвращения загрязнения алюминия-сырца железом и увеличения выхода по току, а также для увеличения срока службы инструмента и рентабельности производства, инструмент следует изготавливать из высокохромистых легированных сталей или наносить хромовые покрытия.

9. Разработана методика нанесения хромового покрытия для защиты технологического инструмента от коррозии в криолит-глиноземных расплавах производства алюминия.

10. Предложено для повышения коррозионной стойкости хромовых покрытий и снижения уровня загрязнения добавлять в электролит окись алюминия (глинозем) в результате чего получаются композиционные хромовые покрытия обладающие повышенной коррозионной стойкостью.

11. Изучена микроструктура образцов стали без покрытия и с покрытием из сверхсульфатного саморегулирующегося электролита хромирования — это доказало качественное превосходство хромированной стали.

12. Проведены промышленные испытания шумовки с хромовым покрытием из сверхсульфатного саморегулирующегося электролита хромирования, которые показали, что срок службы шумовки увеличивается в 3 раза, за счет образования на рабочей части инструмента тугоплавкого сплава железо-хром, т. е. диффузии хрома в рабочую поверхность инструмента, а также снижается загрязнение алюминия-сырца железом.

13. Разработана технология хромирования технологического инструмента для Братского алюминиевого завода.

14. Ожидаемый экономический эффект от внедрения шумовок с хромовым покрытием из сверхсульфатного саморегулирующегося электролита хромирования за счет снижения затрат на изготовление шумовок составит 622 740,29 руб/год. Снижение содержания железа в электролите на 0,166% повысит выход по току на 0,027%. Суммарный ожидаемый экономический эффект составит 15,4 млн руб. в год.