Защитные покрытия анода

Изобретение относится к защитным покрытиям для защиты угольных анодов от окисления воздухом при выгорании анода в электролизере для получения алюминия и способу его нанесения. Система покрытий содержит предварительное покрытие и верхнее покрытие, которые вместе обеспечивают защиту анода, будучи нанесенными поверх него. Предварительное покрытие содержит тонко измельченный углеродистый материал, диспергированный в растворе подходящего связующего. Верхнее покрытие содержит тонко измельченный дисперсный материал, содержащий по меньшей мере один из глинозема и криолита, диспергированный в растворе подходящего связующего. Описан также способ нанесения такой системы защитных покрытий. Обеспечивается снижение окисления воздухом при выгорании обожженного анода, уменьшение попадания нежелательных примесей в расплавленный электролит и увеличение срока службы анода. 2 н. и 18 з.п. ф-лы.

 

Данное изобретение относится к улучшенной системе покрытий для защиты угольных анодов от окисления воздухом с выгоранием в электролизерах для выплавки алюминия.

Уровень техники

Потеря анодного углерода из-за атмосферного окисления над ванной электролита повышает затраты на материалы при выплавке, а в случае предварительно обожженных анодов она существенно сокращает срок службы анода. Для защиты анодов от окисления воздухом с выгоранием предлагалось много типов покрытий, но с малым коммерческим успехом. Также было установлено, что некоторые покрытия, которые хотя и были в действительности способны уменьшить выгорание анода, оказались неприемлемыми, так как они приводили к введению нежелательных примесей в расплавленный электролит или в ванну расплавленного алюминия.

Общепринятой практикой является покрывать верх предварительно обожженных анодов смесью глинозема и дробленого электролита. Это в определенной степени снижает окисление воздухом с выгоранием анодов сверху. Однако, так как эту смесь нагребают на анод в сыпучем состоянии, она проницаема для воздуха. Таким образом, по мере того, как температура анода повышается, наверху анода все же происходит окисление воздухом с выгоранием. Это окисление становится существенным при температурах анода в области 400°C и серьезно повышается с увеличением температуры анода.

Смесь, которую нагребли на верх предварительно обожженного анода, не защищает боковые стороны, хотя этот прием не имеет отношения к анодам Содерберга. В отсутствие полностью удовлетворительного покрытия для защиты боковых поверхностей, на некоторых заводах по выплавке алюминия для минимизации окисления воздухом с выгоранием на анод набрызгивают расплавленный алюминий. Однако это является опасной и неприятной практикой и требует рециклинга небольшой доли конечного продукта.

Введение и сущность изобретения

Настоящее изобретение имеет своей целью создать систему покрытий анода, которая эффективна при снижении окисления воздухом с выгоранием анодов электролизеров для выплавки алюминия.

Система покрытий по настоящему изобретению имеет предварительное покрытие (которое можно также назвать грунтовкой) и верхнее покрытие, которые вместе обеспечивают защиту анодов от окисления воздухом с выгоранием.

Согласно изобретению, система покрытий предназначена для применения по снижению окисления воздухом с выгоранием угольного анода в электролизере для выплавки алюминия, причем эта система покрытий включает в себя предварительное покрытие и верхнее покрытие, которые вместе обеспечивают защиту анода, будучи нанесенными поверх него, причем предварительное покрытие содержит тонко измельченный углеродистый дисперсный материал, диспергированный в растворе подходящего связующего, а верхнее покрытие содержит тонко измельченный дисперсный материал диспергированный в растворе подходящего связующего, и при этом дисперсный материал верхнего покрытия содержит по меньшей мере один из глинозема и криолита.

Изобретение предлагает также способ снижения окисления воздухом с выгоранием угольного анода в электролизере для выплавки алюминия, при котором анод снабжают покрытием, образованным нанесением по очереди предварительного покрытия и верхнего покрытия системы покрытий по изобретению.

Углеродистый дисперсный материал предварительного покрытия предпочтительно представляет собой устойчивый к высокотемпературному окислению углерод или графит.

Связующее для предварительного покрытия наиболее предпочтительно представляет собой водный раствор силиката, такого как силикат натрия или калия.

Дисперсный материал верхнего покрытия может, по меньшей мере преимущественно, содержать глинозем. В одном предпочтительном варианте этот дисперсный материал содержит только глинозем. Однако в качестве альтернативы или в дополнение к глинозему может также использоваться дисперсный криолит. Когда криолит используется в комбинации с глиноземом, криолит предпочтительно не присутствует в количестве более 40 мас.% от всего дисперсного материала верхнего покрытия. Наиболее предпочтительно, криолит присутствует на уровне не более 30 мас.%, так что в дисперсном материале верхнего покрытия имеется явное преобладание глинозема.

Связующее для верхнего покрытия наиболее предпочтительно представляет собой водный раствор силиката, такого как силикат натрия или калия.

Каждое из предварительного покрытия и верхнего покрытия предпочтительно имеет массовое отношение дисперсного материала к твердой фазе связующего от примерно 40% до примерно 60%. Более предпочтительно, это отношение составляет от примерно 45% до примерно 53%, и удовлетворительные характеристики были достигнуты при отношении в примерно 50%.

Дисперсный материал предварительного покрытия может иметь, и предпочтительно имеет, меньший средний размер частиц, чем дисперсный материал верхнего покрытия. Предварительное покрытие служит для подготовки поверхности анода к нанесению верхнего покрытия, так что вся система покрытий является по существу непористой, а верхнее покрытие прочно сцеплено с анодом.

Средний размер частиц предварительного покрытия может составлять примерно 15 микрон, причем некоторые частицы имеют субмикронные размеры. Распределение частиц по размерам предпочтительно является унимодальным, причем распределение частиц по размерам с относительно низким средним размером частиц способствует относительно плотной упаковке этих частиц в нанесенном предварительном покрытии.

Дисперсный материал верхнего покрытия наиболее предпочтительно не является унимодальным. Установлено, что в верхнем покрытии выгодно иметь бимодальный или тримодальный дисперсный материал. Это может помочь в достижении плотноупакованного расположения частиц при большем среднем размере частиц и, следовательно, однородного покрытия, по существу не имеющего пор. Также установлено, что бимодальный или тримодальный дисперсный материал минимизирует пузырение и растрескивание верхнего покрытия в ходе его сушки после нанесения.

Подходящий бимодальный дисперсный материал для верхнего покрытия представляет собой материал, имеющий крупную фракцию со средним размером частиц примерно 80 микрон и мелкую фракцию со средним размером частиц примерно 1 микрон. Отношение мелкой фракции к крупной составляет от примерно 35/65 до 45/55, и предпочтительно желательным является примерно 40/60. Этот материал предпочтительно не содержит частиц крупнее 1 мм.

Предварительное покрытие и верхнее покрытие могут наноситься по очереди любыми подходящими средствами. Так, например, нанесение может быть проведено погружением в случае предварительно обожженного анода, или в случае как предварительно обожженных анодов, так и для анодов Содерберга нанесение может быть проведено распылением, мокрым торкретированием, нанесением кистью, окрашиванием и оштукатуриванием.

Предварительное покрытие наиболее предпочтительно наносят в виде относительно тонкого покрытия, так что суммарная толщина системы нанесенных покрытий обусловлена преимущественно толщиной верхнего покрытия. Этому способствует относительно малый размер частиц дисперсного материала предварительного покрытия. Отношение твердой фазы к жидкой должно быть таким, чтобы содействовать нанесению тонкого слоя предварительного покрытия, хотя необходимо также обратить внимание на выбор метода нанесения с тем, чтобы получить требуемое относительно тонкое покрытие.

После нанесения предварительного покрытия его сушат при подходящей температуре и в течение подходящего интервала времени для удаления содержащейся в нанесенном покрытии влаги. Время и температура сушки меняются с содержанием воды в связующей системе. Для связующего на основе силиката после предварительного покрытия обычно достаточна сушка при температуре от 80 до 150°C в течение вплоть до примерно 3 часов.

После сушки предварительного покрытия наносят верхнее покрытие, наиболее предпочтительно - до толщины не более примерно 1 мм. Затем верхнее покрытие сушат при подходящей температуре в течение подходящего периода времени. Для связующего на основе силиката верхнего покрытия сушка может проводиться при температуре от 80 до 200°C в течение периода времени от 2 до 8 часов. В некоторых случаях операция сушки в два этапа, первый при более низкой температуре, а второй при более высокой температуре, будет, вероятно, помогать предотвратить развитие волосных трещин и пузырей.

Предварительное покрытие и верхнее покрытие наносят на все боковые стороны анода. В случае предварительно обожженного анода их наносят также поверх анода. Совместным действием системы покрытий является хорошая защита анода от окисления и существенное уменьшение окисления воздухом с выгоранием. В результате сокращается уровень внеплановых замен, вызванных окислением воздухом с выгоранием.

Настоящее изобретение способствует применению анодов, использующих кокс с повышенным содержанием ванадия и никеля. Аноды, выполненные из кокса, содержащего ванадий и никель, склонны к большему окислению воздухом с выгоранием. Также, возможность покрывать все открытые поверхности анода предотвращает дополнительные перемещения крана, необходимые для доставки глинозема и дробленого электролита наверх непокрытого анода. Также, возможность покрыть все поверхности устраняет необходимость грубой и тонкой очистки анодных огарков, вынутых из электролизера. Кроме того, такая система покрытий предотвращает загрязнение анодного огарка фторидом и содой, следовательно, снижает повреждение печей для обжига углерода. Разумеется, помогая сохранить эффективную площадь поверхности анода путем снижения окисления воздухом с выгоранием, изобретение дает возможность аноду поддерживать подачу электрического тока через анод и способствует лучшему регулированию теплового баланса. Система по изобретению дает также возможность прекратить практику набрызгивания расплавленного алюминия.

Наконец, следует понимать, что могут быть сделаны различные другие модификации и/или изменения без отклонения от сущности настоящего изобретения, как она очерчена здесь.

1. Система покрытий для снижения окисления воздухом при выгорании угольного анода в электролизере для выплавки алюминия, причем эта система покрытий включает в себя предварительное покрытие и верхнее покрытие, которые вместе обеспечивают защиту анода, будучи нанесенными поверх него, причем предварительное покрытие содержит тонко измельченный углеродистый дисперсный материал, диспергированный в растворе подходящего связующего, а верхнее покрытие содержит тонко измельченный дисперсный материал, диспергированный в растворе подходящего связующего, и при этом дисперсный материал верхнего покрытия содержит по меньшей мере один из глинозема и криолита.

2. Система покрытий по п.1, в которой дисперсный материал предварительного покрытия представляет собой устойчивый к высокотемпературному окислению углерод или графит.

3. Система покрытий по п.1, в которой дисперсный материал предварительного покрытия диспергирован в водном растворе силиката, такого как силикат, выбранный из силиката натрия и силиката калия.

4. Система покрытий по любому из пп.1-3, в которой дисперсный материал верхнего покрытия содержит по существу глинозем или криолит.

5. Система покрытий по любому из пп.1-3, в которой дисперсный материал верхнего покрытия содержит преимущественно глинозем, причем остальное составляет криолит.

6. Система покрытий по любому из пп.1-3, в которой дисперсный материал верхнего покрытия диспергирован в водном растворе силиката, такого как силикат, выбранный из силиката натрия и силиката калия.

7. Система покрытий по любому из пп.1-3, в которой каждое из предварительного покрытия и верхнего покрытия имеет массовое отношение дисперсного материала к твердой фазе связующего от примерно 40% до примерно 60%, такое как от примерно 45% до примерно 53%.

8. Система покрытий по любому из пп.1-3, в которой дисперсный материал предварительного покрытия имеет средний размер частиц меньше, чем дисперсный материал верхнего покрытия.

9. Система покрытий по любому из пп.1-3, в которой дисперсный материал предварительного покрытия имеет средний размер частиц примерно 15 мкм, с частицами, доходящими до субмикронных размеров.

10. Система покрытий по п.9, в которой дисперсный материал предварительного покрытия имеет унимодальное распределение частиц по размерам.

11. Система покрытий по п.7, в которой дисперсный материал верхнего покрытия имеет бимодальное или тримодальное распределение частиц по размерам.

12. Система покрытий по любому из пп.1-3, в которой дисперсный материал является бимодальным и имеет крупную фракцию со средним размером частиц примерно 80 мкм и мелкую фракцию со средним размером частиц примерно 1 мкм.

13. Система покрытий по п.12, в которой отношение мелкой фракции к крупной фракции составляет от примерно 35:65 до 45:55, такое, как примерно 40:60 и такое, что эти фракции не содержат каких-либо частиц крупнее примерно 1 мм.

14. Способ снижения окисления воздухом при выгорании угольного анода в электролизере для выплавки алюминия, при котором анод снабжают покрытием, образованным нанесением по очереди предварительного покрытия и верхнего покрытия системы покрытий по любому из пп.1-13.

15. Способ по п.14, в котором анод является предварительно обожженным анодом, и каждое из предварительного покрытия и верхнего покрытия наносят одним и тем же соответствующим средством погружения, распыления, мокрого торкретирования, нанесения кистью, окрашивания или оштукатуривания.

16. Способ по п.14, в котором анод является предварительно обожженным анодом, и каждое из предварительного покрытия и верхнего покрытия наносят одним и тем же соответствующим средством распыления, мокрого торкретирования, нанесения кистью, окрашивания или оштукатуривания.

17. Способ по любому из пп.14-16, в котором предварительное покрытие наносят в виде относительно тонкого покрытия, так что суммарная толщина системы нанесенных покрытий обусловлена преимущественно толщиной верхнего покрытия.

18. Способ по любому из пп.14-16, в котором перед тем, как наносят верхнее покрытие, предварительное покрытие сушат для удаления содержащейся в нем влаги, например, при температуре от 80° до 150°С в течение вплоть до примерно 3 ч.

19. Способ по любому из пп.14-16, в котором верхнее покрытие сушат, например, при температуре от 80° до 200°С в течение периода времени от 2 до 8 ч.

20. Способ по п.18, в котором верхнее покрытие сушат в ходе двухэтапной операции сушки, в первом этапе при более низкой температуре чем во втором этапе.