Измерение натриевого расширения углеграфитовых материалов

Подовый углеграфитовый блок и масса в процессе эксплуатации в электролизере для производства алюминия кроме термического расширения испытвает расширение вследствие проникновения в его структуру натрия, выделяющегося на катоде в процессе электролиза алюминия. В зависимости от типа углеграфитового блока (аморфный, графитовый, графитизированный) величина натриевого расширения может быть в несколько раз больше или меньше величины термического расширения при нагреве от температуры окружающей среды до эксплуатационной. Натриевое расширение блоков зависит не только от типа блока, но и от состава электролита, плотности тока, температуры  и т.д. Без знания величины натриевого расширения невозможно правильное проектирование катодных устройств алюминиевых электролизеров для обеспечения высокого срока службы, т.к. при большой величине натриевое расширение может создавать механические напряжения в футеровке и кожухе значительно большие, чем термическое расширение, приводя к разрушениям, а при малой величине обжатие подины может быть недостаточным для сохранения её целостности и предотвращения протеков расплава через подину к другим материалам футеровки, не стойким к расплаву. 

Сущность метода заключается в измерении изменения высоты образца в процессе электролиза при постоянном электрическом токе, построении зависимости относительного изменения высоты от времени электролиза и определении величины относительного удлинения углеграфитового материала вследствие внедрения в его структуру натрия.

Исследование величины натриевого расширения углеграфитовых блоков проводится на измерительной установке, входящей в состав комплекса ИК-4 (рисунок 1), разработанного специалистами центра.

Диапазон измерения относительного удлинения (0–5) %. Нагрузка на образец 1 – 5 МПа. Температура электролиза до 980°С.

Суммарная погрешность, включающая методическую погрешность и погрешность средств измерения, при уровне доверительной вероятности Р= 0,95 в соответствии с МИ 1317-86 ГСИ и РД50-453-84 не превышает ± 10 %.

Размеры образца:   диаметр 30 мм;  высота 60 мм.

Параметры эксперимента:

Плотность постоянного электрического тока ………………………………………..0,1-1,2 А/см2.

Криолитовое отношение (КО) ….………………………………………………….…...1,8-4,0.

Состав электролита (может быть изменен):

Al₂O₃ ……………..……………………………………………………………………........9% 

CaF₂ …………………………………………………………………………………………5%

Na₃AlF₆ ……………………………..…………..............................................................86%

Время электролиза………………………………………………………………………..2 – 4 часа.

Нагрузка на образец……………………………………………………………………....1 – 5 МПа.

Установка измерения относительного удлинения материалов

рисунок 1.

В комплект установки входит:

• установка для измерения натриевого расширения;

• шкаф управления;

• компьютер;

• печатное устройство (принтер);

• программное обеспечение.

Система автоматического управления

Температура в процессе нагрева образца измеряется  хромель-алюмелевым термоэлектрическим преобразователем с помощью регулятора и передается в компьютер. Система управления имеет как прямую, так и обратную связь между приборами и компьютером, в связи с этим настройку регуляторов можно осуществлять непосредственно с компьютера.

Измерение изменения высоты образца осуществляется в процессе его нагрева в печи датчиком линейного перемещения. При этом электрический сигнал, пропорциональный изменению длины образца поступает с датчика на регулятор, через интерфейс контролируемые и регулируемые параметры можно вывести на компьютер. Программная среда  автоматически обрабатывает полученные данные, строит график зависимости (рисунок 2.) натриевого расширения (%) от времени электролиза (мин) на экране монитора в процессе измерений, и рассчитывает значение натриевого расширения после окончания электролиза. Результаты измерения записываются в файл, которые могут быть обработаны и представлены в необходимой форме с помощью программы Microsoft® Excel.

рисунок 2.