СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ТЕРМОАНТРАЦИТА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОДНОЙ ПРОДУКЦИИ

Данная статья представляет собой обзор термоантрацита, а именно способы повышения его качества. Антрацит используется для производства электродной продукции, необходимой как для черной, так и для цветной металлургии, его качество оказывает большое влияние на весь технологический процесс. В статье рассмотрены способы повышения качества и представлены результаты исследований на основе которых можно сказать, что на качество антрацита в больше мере влияет процесс прокалки.

Введение

Производство углеграфитовой электродной продукции – важная составляющая тяжелой промышленности, обеспечивающей экономическую независимость государства. Она широко применяется в производстве алюминия, магния, стали, ферросплавов, серого и ковкого чугуна, цветных металлов, карбида кальция и т.д. [7,13]. При неправильной и некачественной технологии подготовки сырья для изготовления электродной продукции могут возникать сбои и поломки в металлургических агрегатах, что ведет к увеличению затрат, поэтому очень важно повышать качество сырья для углеграфитовой электродной продукции [12].

Известно, что увеличение мощности электропечей и электролизеров, а также увеличение размеров электродов ведут к усложнению эксплуатации последних, это обуславливает необходимость разработки и совершенствовании составов и технологий производства электродных масс, осуществлении систематического контроля электродов и принятия необходимых мер, которые смогу обеспечить их надежность. При этом качественная составляющая конкурентоспособности товарной продукции во многом определяется качеством сырьевых материалов и многими параметрами их подготовки для использования в технологии производства соответствующих изделий [11].

Из-за дефицита традиционного сырьевого материала – кокса, в промышленности используется более дешевые и распространенные антрациты. Термически обработанный антрацит - термоантрацит широко используется в составе шихтовых смесей твердых углеродных компонентов для изготовления электродных масс и других видов углеродной продукции [7]. К нему предъявляются следующие требования: минимальное количество золы, серы, влаги и высокое содержание углерода, а также низкое удельное электрическое сопротивление (УЭС), высокую механическую прочность и термостойкость, которые определяют область их использования.

Прокалку антрацита осуществляют в барабанных вращающихся печах [6], в электрокальцинаторах [5] или в ретортных печах, также существует смешанная технология [4, 14]. Основной задачей процесса прокаливания антрацита является уменьшение количества летучих веществ, которое улучшит физико-химические свойства антрацита, которые в дальнейшем станут полезными в производстве электродной продукции. Поскольку антрацит является трудно прокаливаемым сырьем, для получения на его основе электродной продукции, необходимо совершенствовать технологии его прокалки [4, 10, 14].

Таким образом, чтобы повысить качество прокаленных антрацитов – термоантрацитов необходима детальная оценка качества сырья, а также исследование и совершенствование технологии прокаливания.

Структурные преобразования антрацита во время процесса прокаливания

Во время прокаливания антрацита по мере повышения температуры происходит упорядочивание его структуры (вплоть до кристаллической решетки графита) и, как следствие, изменяются физико-химические свойства [1, 8]. Происходят следующие структурные превращения:

• удаляются летучие соединения (в том числе и S-содержащие соединения);
• увеличивается плотность и механическая прочность;
• упорядочивается углеродная структура;
• увеличивается электропроводность.

Увеличение плотности и механической плотности:

• При температурах 700–750 °С летучие продукты выделяются в результате прямой дистилляции с частичным пиролизом. Пористость увеличивается примерно до 1200 °С.
• Образующийся пиролитический углерод отлагается плотным слоем в порах и на поверхности прокаливаемого материала, увеличивая плотность материала.
• Одновременно с пиролизом происходит конденсация и полимеризация углеводородов с обогащением их углеродом, что и обусловливает усадку.
• Этот процесс завершается образованием плоских углеродистых сеток (плоских углеродистых гексагональных решеток). Но на этом этапе еще не происходит образование трехмерной упорядоченной структуры. Схему последовательности структурных преобразований антрацита с образованием графита можно увидеть на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема структурных изменений антрацита во время прокаливания согласно [14]

Изменение электросопротивления:

Рисунок 2. Изменение электросопротивления антрацита в зависимости от температуры прокаливания согласно [8]

Можно выделить четыре температурные интервала:

• 1) 500–700 °С – очень высокое электрическое сопротивление;
• 2) 700–1200 °С – резкое падение сопротивления;
• 3) 1200–2100 °С – изменение отсутствует;
• 4) выше 2100 °С – новое падение сопротивления (начало процесса графитации).

Характер изменения физико-химических свойств углеродистых материалов в процессе их прокалки в основном определяется характером и ходом дегазации и первичной усадки материалов. Резкое повышение электропроводности, истинного удельного веса и механической прочности материалов по ходу их дегазации является естественным результатом весьма интенсивного пиролиза слагающих материал углеводородов с отложением пирогенетического графита и обусловленного этим пиролизом процесса структурного уплотнения материала.

Таким образом, сущность основных процессов, происходящих в углеродных материалах при их прокалке, сводится к их дегазации, протекающей в основной своей части путем пиролиза углеводородов и обуславливающей удаление наименее карбонизированных летучих ингредиентов материала с отложением пирогенетического графита и структурное уплотнение материала [3].

Способы улучшения качества термоантрацитов

Для повышения качества термоантрацитов могут быть применены различные методы и подходы, в первую очередь, улучшения качества сырья и процесса прокаливания.

Улучшение качества сырья может быть достигнуто путем внедрения инновационных способов шихтования. В результате путем смешения различных по составу угольных масс можно получить состав с требуемой влажностью, зольностью и другими параметрами [9].

В процесс прокалки материал претерпевает сложные физико-химические превращения, сущность которых состоит в развитии и формировании кристаллической решетки графита, что приводит к повышению его плотности и удельной электропроводности. На практике данные показатели используются для оценки качества прокаленного материала. Во многом эффективность процесса прокаливания зависит от температуры процесса, так как с увеличением температуры уменьшается количество золы, серы, увеличивается истинная плотность и уменьшается УЭС [10,11]. Электрокальцинированный антрацит является более качественным нежели чем газокальцинированный, так как в электрокальцинаторах достигаются более высокие температуры. Однако для повышения качества и эффективности термоантрацита, прокаленного в электротермических установках важно, чтобы электрическая энергия превращалась в тепловую непосредственно в самом антраците.

После осуществления процесса прокаливания полученный термоантрацит измельчают для последующего применения. Измельчение термоантрацита перед его использованием открывает возможность уменьшения содержания различных минеральных примесей путем обогащения, в результате чего качество термоантрацита увеличивается. В работе [2] были проведены испытания по обогащению измельченного термоантрацита различной крупности методом электромагнитной сепарации. В результате содержание золы уменьшалось с уменьшением крупности. Сепарация проходила лучше при термоантраците, прокаленном при повышенных температурах. Данные исследования подтверждают эффективность применения метода магнитной сепарации для повышения качества антрацитов.

Таблица 1.

Результаты обогащения сырого и прокаленного при 750 ^оС антрацита методом магнитной сепарации согласно работе [2]

Заключение

Повышение качества термоантрацита может быть достигнуто комплексом мер включающих в себя улучшение подготовки сырья для прокалки, совершенствование процесса прокалки путем увеличения температуры, а также проведения процесса обогащения методом магнитной сепарации.

При повышении качества термоантрацита, применяемого как в черной, так и в цветной металлургии может быть повышена мощность и производительность электропечей и электролизеров, прибыль предприятий, а также могут снизиться затраты на приобретения дорогого и дефицитного графита.

Список литературы:

1. Бажин В.Ю. Воздействие на структуру и свойства углей при экстремальной термообработке / В.Ю.Бажин, Ф.Ю.Шариков, Р.Ю.Фещенко, Е.О.Судницын // Международный научно-исследовательский журнал. – 2015 - № 7. С. 13.
2. Витюгин В. М. Повышение качества Листвянского антрацита как сырья для производства электродных изделий / В. М. Витюгин, В. А. Прохорович // Известия Томского политехнического института [Известия ТПИ]. – 1967. – Т. 148. – С. 80-82.
3. Герасименко Т.Е. Математическое моделирование процесса пиролиза при прокалке углеродных материалов / Т.Е. Герасименко, Е.И. Мешков, А.В. Чибашвили // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. – 2015- № 3. – С 70-74.
4. Зурабов А.Т. Исследование процесса прокаливания антрацита в новом технологическом комплексе / А.Т. Зурабов, И.Е. Мешков, Т.Е. Герасименко// Российский журнал цветных металлов. – 2007.- № 3. – С 48.
5. Мешков Е.И. Математическое моделирование прокалки антрацита в электрокальцинаторе / Е.И. Мешков, Т.Е. Герасименко, А.В. Чибашвили // Технические и технологические вопросы. – 2012- № 13. – С 25-28.
6. Пат. 2115634 Российская Федерация, МПК C10L9/08, C10B49/04. Способ получения антрацита во вращающейся трубной печи / Хан А.В., Дьяконова Л.А., Чернобровин В.П., Ларина И.И., Мартынов В.И., Зайко В.П., Карноухов В.Н.; заявитель и патентообладатель Акционерное общество открытого типа Челябинский электрометаллургический комбинат. - 95117483/04, 09.10.1995; опубл. 27.09.1998.
7. Селезнев А.Н. Углеродистое сырье для электродной промышленности. М.: Профиздат, 2000, 256 с.
8. Скрипченко Г.Б. Структура и свойства термоантрацитов, полученных в промышленных условиях / Г.Б. Скрипченко, А.Н. Селезнев, В.И. Пирогов // Химия твердого топлива. – 2010-№ 6. – С 11-16.
9. Титова О.В. Повышение эффективности деятельности ЗАО «Сибирский антрацит» путем внедрения инновационных процессов // Экономика и экономические науки. – 2015. Т.3. - № 2. С. 172-176.
10. Чибашвили А.В. Совершенствование процессов прокалки углеродных материалов на основе математического моделирования: афтореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. тех. наук (05.16.02) / Чибашвили Алевтина Викторовна; Северо-Кавказский горно-металлургический институт. – Владикавказ, 2015. – 23 с.
11. Цыбуля Е. И. Повышение качественных характеристик термоантрацита для производства угольной продукции металлургического назначения / Е. И. Цыбуля // Вестник Нац. техн. ун-та "ХПИ": сб. науч. тр. Темат. вып. : Механико-технологические системы и комплексы. – Харьков: НТУ "ХПИ". – 2014. – № 60 (1102). – С. 19-24.
12. Sizyakov V.M. Features of high-amperage electrolyzer hearth breakdown / V.M. Sizyakov V.M., V.Y. Bazhin V.Y., R.K.Patrin, R.Y.Feshchenko, A.V.Saitov // Refractories and Industrial Ceramics. - 2013. Т. 54. - № 3.- С. 151-154.
13. Sizyakov V.M. Status and prospects for growth of the aluminum industry / V.M.Sizyakov, V.Y.Bazhin, A.A. Vlasov // Metallurgist. 2010. - Т. 54. - № 7-8.- С. 409-414.
14. Spisak J. Innovation of the anthracite calcinations process / J. Spisak, J. Mikula, J. Glocek // EXPLORATION AND MINING: paper presented on International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2015, Book 1 Vol. 3, 407-414 pp.
15. Variny M. Mass and heat balance elaboration in anthracite calcination process / M. Variny, O. Mierka // Slovak society of chemical engineering: paper presented on 43^rd international conference of the Slovak society of chemical engineering, 348-356 pp.