PL202744B1

PL202744B1 - Blok katody do oczyszczania glinu i sposób jego wytwarzania

Info

Publication number: PL202744B1
Application number: PL375050A
Authority: PL
Inventors: Yuji Yamamura; Yoshihiro Fujii; Tsutomu Wakasa; Shinjiro Toda
Original assignee: Nippon Electrode Company
Priority date: 2002-10-07
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2009-07-31
Also published as: BR0315096A; JP4385583B2; EP1564313A4; PL375050A1; US20060131169A1; US7300560B2; WO2004031451A1; EP1564313A1; JP2004124229A

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest blok katody do oczyszczania glinu i sposób jego wytwarzania.

Jest sprawą dobrze znaną, że części katody elektrolizera do redukcji glinu, kontaktujące się ze stopionym glinem i kąpielą elektrolityczną składają się z materiału węglowego. Bloki katody niszczą się z uwagi na pęknięcia spowodowane przez naprężenia termiczne i/lub spęcznienie wynikające z penetracji sodu podczas procesu. Ponadto, bloki katody mają tendencję do ś cierania się i zuż ywania z uwagi na przemieszczanie się wokół bloków katody szlamu, który zawiera zawieszony tlenek glinu. Ten ruch spowodowany jest przez przepływ stopionego tlenku glinu w wyniku działania pola magnetycznego. Z tych względów, bloki katody mają ograniczoną żywotność i redukcyjne elektrolizery ulegają uszkodzeniu.

W celu przedł u ż enia ż ywotnoś ci bloków katody, poddaje się je grafityzacji, którą prowadzi się w temperaturze powyż ej 2000°C, jak to ujawniono, i stosuje się nadal (patrz Patent Document 1: japoński opis patentowy 52-119615). Grafityzowane bloki katody wykazały doskonałą wytrzymałość na naprężenia termiczne i penetrację sodu, co w konsekwencji zapobiega uszkodzeniom wanny.

Jednakże, grafit jest zasadniczo bardzo miękkim materiałem, a zatem problem wytrzymałości na ścieranie nie został do końca rozwiązany. Tym samym żywotność wanny z grafityzowanymi blokami katody jest raczej krótka z uwagi na pogarszanie bloków katody spowodowane przez ścieranie. W celu osiągnięcia dłuższej żywotności wanny konieczne jest, zatem poprawienie wytrzymałości bloków katody na ścieranie.

Wynalazek opracowano biorąc pod uwagę przedstawione powyżej fakty, a jego przedmiotem jest dostarczenie bloków katody o większej wytrzymałości na ścieranie w celu osiągnięcia dłuższej żywotności wanny i ich okresu produkcyjnego.

Po rozważeniu kilku możliwych rozwiązań powyższego problemu, wynalazek opracowano dzięki zastosowaniu prażonych koksów otrzymanych w procesie koksowania i prażenia po zmieszaniu ropy naftowej, która zawiera pewną ilość nierozpuszczonej chinoliny, z sadzą.

Przedmiotem wynalazku jest blok katody do oczyszczania glinu zawierający 15-100% wagowych prażonego koksu, w którym prażony koks wytwarza się przez koksowanie i prażenie po zmieszaniu ciężkiej frakcji ropy naftowej zawierającej 5-15% wagowych nierozpuszczonej chinoliny z 2-5% wagowymi sadzy.

Korzystnie ciężką frakcję ropy naftowej stanowi pak węglowy.

Korzystnie średnia średnica cząstek sadzy wynosi powyżej 10 nm.

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania bloku katody do oczyszczania glinu przez dodanie spoiwa smołowego do mieszaniny 15-100% wagowych prażonego koksu i 0-85% wagowych materiału węglowego, i następnie wygniatanie, formowanie, wypiekanie i grafityzację, charakteryzujący się tym, że prażony koks wytwarza się przez koksowanie i prażenie po zmieszaniu ciężkiej frakcji ropy naftowej zawierającej 5-15% wagowych nierozpuszczonej chinoliny, z 2-5% wagowymi sadzy.

Wynalazek dotyczy bloku katody, który zawiera 15-100% wagowych prażonych koksów. Prażone koksy otrzymuje się na drodze koksowania i prażenia po zmieszaniu ropy naftowej, która zawiera 5-15% wagowych nierozpuszczonej chinoliny, z 2-5% wagowymi sadzy.

Wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania bloku katody, który produkuje się z prażonych koksów otrzymanych przez koksowanie i prażenie po zmieszaniu ciężkiej frakcji ropy naftowej zawierającej 5-15% wagowych nierozpuszczonej chinoliny, z 2-5% wagowymi sadzy. W procesie wytwarzania bloków katody do oczyszczania glinu, spoiwo smołowe dodaje się do mieszaniny 15-100% wagowych prażonych koksów i 0-85% wagowych materiałów węglowych, a następnie ugniata się, formuje, wypieka i grafityzuje.

Poniżej szczegółowo wyjaśniono rozwiązania według wynalazku.

Sposób wytwarzania bloków katody według wynalazku będzie opisany poniżej.

Wynalazek obejmuje sposób dodania spoiwa smołowego do mieszaniny 15-100% wagowych prażonych koksów i 0-85% wagowych materiału węglowego, i następnie wygniatanie, formowanie, wypiekanie i grafityzację.

Cechy charakterystyczne wynalazku stanowi zastosowanie prażonych koksów otrzymanych przez koksowanie i prażenie po zmieszaniu ciężkiej frakcji ropy naftowej zawierającej 5-15% wagowych nierozpuszczonej chinoliny, z 2-5% wagowymi sadzy.

Zarówno ciężka frakcja ropy naftowej jak i ciężka frakcja węglowa ropy może być odpowiednia jako ciężka frakcja ropy naftowej. Ciężką frakcją węglową jest smoła węglowa i pak węglowy, a ciężką

PL 202 744 B1 frakcją ropy naftowej jest pozostałość po fluidalnym krakingu katalitycznym (FCC), olejowy produkt uboczny przy produkcji etylenu (EFE), pozostałość olejowa po destylacji atmosferycznej i pozostałość olejowa po destylacji próżniowej. Spośród tych produktów najlepszy jest pak węglowy, a zwłaszcza pak węglowy o temperaturze mięknienia poniżej 100°C, będący produktem ubocznym w procesie wytwarzania koksów hutniczych.

Według wynalazku należy stosować ciężką frakcję ropy naftowej zawierającą 5-15% wagowych nierozpuszczonej chinoliny (QI).

W przypadku ciężkiej frakcji ropy naftowej zawierają cej powyż ej 25% wagowych QI, lepkość ciężkiej frakcji ropy naftowej rośnie, co stwarza pewne problemy w transporcie. Zawartość QI można uregulować dowolną znaną metodą, taką jak sedymentacja grawitacyjna, odwirowanie, filtracja, stosowanie jakiegokolwiek rozpuszczalnika ułatwiającego operowanie. Pak węglowy o odpowiednio uregulowanej zawartości QI może być dostępny na rynku i nadaje się do celów wynalazku.

Może nadawać się sadza stosowana w przetwarzaniu i barwieniu gumy. Typowy średni wymiar średnicy cząstki sadzy wynosi powyżej 10 nm, normalnie poniżej 300 nm, a korzystnie poniżej 100 nm. Gdy cząstki są zbyt małe, wówczas nie można ich dobrze wymieszać z ciężką frakcją ropy naftowej, której lepkość zwiększa się po mieszaniu. Cząstki sadzy o nadmiernie dużej średnicy nie występują w rzeczywistości na rynku produkcji sadzy. Korzystnie, adsorpcja jodu wynosi poniżej 100 mg/g. Gdy adsorpcja jodu jest zbyt duża, wówczas cząstek nie można dobrze wymieszać z ciężką frakcją ropy naftowej, której lepkość zwiększa się po mieszaniu. Najmniejsza adsorpcja jodu wynosi normalnie 20 mg/g. Korzystna jest tu sadza granulowana z uwagi na łatwość transportu i zapobieganie problemom związanym z operowaniem pyłem.

Według wynalazku, w pierwszym etapie ciężką frakcję ropy naftowej miesza się z sadzą. W celu ułatwienia mieszania sadzy korzystne jest stosowanie ciężkiej frakcji ropy naftowej zawierającej jako główny składnik olej antracenowy. Ciężka frakcja ropy naftowej z olejem antracenowym powstaje w procesie koksowania, który później wyjaśniono dokładniej.

Korzystnie, operację mieszania przeprowadza się następująco:

Olej antracenowy wprowadza się do zbiornika z mieszaniem.

Dodaje się sadzę (CB) przeznaczoną do zmieszania.

Mieszaninę oleju antracenowego i CB wprowadza się do retorty do koksowania w celu zmieszania (mieszanie w linii) ciężkiej frakcji ropy naftowej jako surowca.

Według wynalazku, w mieszaninie ciężkiej frakcji ropy naftowej wymagana jest zawartość sadzy 2-5% wagowych.

Według wynalazku, następnym procesem jest koksowanie mieszaniny ciężkiej frakcji ropy naftowej i CB otrzymanej powyższym sposobem. Koksowanie prowadzi się z zastosowaniem aparatury zwanej retortą do powolnego koksowania. W tym przypadku, typowo stosuje się temperaturę 450-520°C, korzystnie 460-500°C, typowe ciśnienie wynosi poniżej 1,0 MPa, korzystnie poniżej 0,5 MPa, typowy czas koksowania wynosi 24-48 godzin, korzystnie 24-36 godzin. Podczas tego procesu powinno się wytwarzać ciężką frakcję, której głównym składnikiem jest olej antracenowy. Jednakże, tę ciężką frakcję można stosować jako nośnik podczas mieszania sadzy, jak to uprzednio wyjaśniono.

Według wynalazku, następnym procesem jest kalcynacja surowych koksów rozładowanych z retorty do powolnego koksowania. Prażenie można przeprowadzić stosując piec obrotowy, piec karuzelowy i inny piec do prażenia. W tym procesie typowo stosuje się temperaturę 1300-1500°C, korzystnie 1400-1500°C, typowo czas wynosi 1-3 godzin.

Wytwarzanie bloków katody do oczyszczania glinu

Prażone koksy otrzymane powyższą metodą stosuje się po rozkruszeniu i wymiarowej klasyfikacji cząstek. Jednocześnie, bez jakichkolwiek ograniczeń można jako materiały węglowe stosować sztuczny grafit, normalnie prażone koksy i antracyt, oraz spoiwo smołowe (o temperaturze mięknienia 80-120°C i zawartości 50-60% wagowych związanego węgla), które na ogół używa się do produkcji materiału węglowego.

Według wynalazku, spoiwo smołowe dodaje się do mieszaniny 15-100% wagowych prażonych koksów i 0-85% wagowych materiałów węglowych, a następnie ugniata się, formuje, wypieka i grafityzuje. Typowo, spoiwo smołowe stosuje się w powyższej mieszaninie w ilości w zakresie 20-30% wagowych. Wygniatanie prowadzi się w temperaturze w zakresie 120-150°C. Formowanie można prowadzić przez wytłaczanie lub kształtowanie w formie, proces wypiekania przeprowadza się w piecu na koksik przez 10-50 godzin w temperaturze 800-1300°C. Grafityzację przeprowadza się przez 5-20 godzin w temperaturze 2400-3000°C w piecu do grafityzacji.

PL 202 744 B1

Poniżej przedstawiono bloki katody do wytapiania glinu. Bloki katody według wynalazku powinno się wytwarzać przez koksowanie i prażenie po zmieszaniu ciężkiej frakcji ropy naftowej zawierającej 5-15% wagowych nierozpuszczonej chinoliny, z 2-5% wagowymi sadzy w postaci prażonych koksów, które objaśniono powyżej. Charakteryzuje je doskonała wytrzymałość na ścieranie i mają wpływ na osiągnięcie dłuższej żywotności wanny.

P r z y k ł a d y

Szczegóły wynalazku będą wyjaśnione w następujących przykładach.

Produkcja prażonego koksu

P r z y k ł a d y wytwarzania 1-5

Jako ciężką frakcję ropy naftowej użyto odpowiednio pak węglowy zawierający QI w ilościach wyszczególnionych w tablicy 1, a jako sadzę użyto produkt o przeciętnej średnicy cząstek 43 nm, adsorpcji jodu 53 mg/g (N550M produkcji Mitsubishi Chemical).

Najpierw, ciężką frakcję ropy naftowej, której głównym składnikiem jest olej antracenowy, wprowadza się do zbiornika mieszaniem. Następnie dodaje się sadzę przeznaczoną do mieszania. Otrzymaną mieszaninę oleju antracenowego i CB prowadza się do retorty do powolnego koksowania razem z wsadwą ciężką frakcją ropy naftowej, metodą mieszania w linii, stosunek pomiędzy wsadową ciężką frakcją ropy naftowej i sadzą określają dane w tablicy 1.

Ciągłe wprowadzanie mieszaniny oleju antracenowego i sadzy oraz wsadowej ciężkiej frakcji ropy naftowej do retorty do powolnego koksowania i koksowanie przez 24 godziny w temperaturze 480°C, prowadzi do otrzymania surowego koksu.

Surowy koks z retorty do powolnego koksowania dostarcza się do pieca obrotowego, w którym przeprowadza się prażenie przez 1,5 godziny w temperaturze 1500°C z wytworzeniem wstępnie prażonego koksu. Powstający blok ocenia się zgodnie z następującą metodą oceny koksu. Wynik oszacowania przedstawiono w tablicy 1.

Wytwarzanie bloku

30% wagowych (stosunek wyjściowy) spoiwa smołowego dodaje się do prażonego koksu i ugniata, a następnie formuje się z zastosowaniem prasy formierskiej 50MT próbny blok o średnicy 60 mm i długości 120 mm. Następnie, tę próbkę poddaje się obróbce maszynowej do średnicy 20 mm i długości 120 mm. Po wypiekaniu przez 15 godzin w temperaturze 1000°C, próbny blok grafityzuje się przez 1 godzinę w temperaturze 2800°C. Ostatecznie, próbkę poddaje się obróbce maszynowej do średnicy 20 nm i długości 100 mm.

Metoda oceny (1) Metoda HGI dla prażonych koksów:

Zgodnie z metodą testową JIS M8801-5 na ścieralność (2) Metoda CTE dla bloku (badanie wzdłużne):

Pomiar przeprowadzono ogrzewając od temperatury 30 do 130°C w tempie 10°C/minutę.

Wytwarzanie bloków katody do oczyszczania glinu (przykłady rozwiązania 1-2 i przykłady porównawcze 1-4)

Stosowano pak koksowy (przedstawiony poniżej jako koks z przykładów wytwarzania 1-5).

Bloki katody do oczyszczania glinu (przykłady wytwarzania 1-5) wytwarza się następująco.

24% wagowych spoiwa smołowego dodaje się do każdego z koksów pakowych wyszczególnionych w tablicy 2.

Po wygniataniu w temperaturze 130°C przy użyciu gniotownika, formuje się bloki katody o wymiarach 155 x 185 x 600 mm.

Bloki katody wypieka się przez 40 godzin w temperaturze 1200°C i grafityzuje przez 15 godzin w temperaturze 2900°C.

Ocenę z zastosowaniem następującej metody przedstawiono w tablicy 2.

(1) Gęstość nasypową bloków katody (g/cm3):

Mierzy się zgodnie z metodą testową JIS R 7212-6 na gęstość nasypową.

(2) Opór właściwy bloków katody:

Mierzy się zgodnie z metodą podwójnego mostka Kelvin'a JIS R 7202-6.2.2 (1) (3) Ścieranie bloków katody (%):

Próbny blok katody poddaje się obróbce maszynowej do cylindrycznego kształtu o średnicy 25 mm i długości 80 mm. Zawiesinę cząstek tlenku glinu wprowadza się do cylindrycznego pojemnika, w środku którego umieszcza się mieszadło. Badaną próbkę przyłącza się do silnika elektrycznego i umieszcza w zawiesinie cylindrycznego pojemnika. Badaną próbkę obraca się szybkością 240 obrotów na minutę

PL 202 744 B1 w kierunku odwrotnym do kierunku obrotu cylindrycznego pojemnika, który obraca się z szybkością 15 obrotów na minutę. Czas trwania testu z obracaniem wynosi 4 godziny, po czym wielkość ścierania szacuje się przez pomiar zmiany objętości próbki metodą wypierania wody.

T a b l i c a 1

	Przykłady wytwarzania
1	2	3	4	5
Surowy pak węglowy	QI (% wag.)	15	5	15	15	8
Sadza	Ilość dodawana (% wag.)	5	5	0	2	0
Właściwości koksu	HGI	20.7	30.0	22.0	21.5	25.0
Właściwości bloku	CTE (x 10 do -7/°C)	39.2	26.0	35.0	37.0	22.5

T a b l i c a 2

	Przykładowe rozwiązania-	Przykłady porównawcze
1	2	1	2	3	4
Typ koksu	Koks z przykładu wytwarzania 1	Koks z przykładu wytwarzania 1: 40% wag. Koks z przykładu wytwarzania 5: 60% wag.	Koks z przykładu wytwarzania 2	Koks z przykładu wytwarzania 3	Koks z przykładu wytwarzania 4	Koks z przykładu wytwarzania 5
Gęstość nasypowa (g/cm³)	1.58	1.62	1.62	1.67	1.64	1.64
Opór właściwy (pOm)	13.5	11.5	10.1	12.8	13.0	10.5
Wielkość ścierania (%)	28.3	32.4	44.0	36.6	36.0	41.3

Zastosowanie przemysłowe

Wynalazek dostarcza bloki katody o doskonałej wytrzymałości na ścieranie przy dłuższej żywotności wanny oraz sposób ich wytwarzania, o istotnej wartości w zastosowaniu przemysłowym.

Claims

1. Blok katody do oczyszczania glinu zawierający 15-100% wagowych prażonego koksu, znamienny tym, że prażony koks wywarza się przez koksowanie i prażenie po zmieszaniu ciężkiej reakcji ropy naftowej zawierającej 5-15% wagowych nierozpuszczonej chinoliny z 2-5% wagowymi sadzy.

2. Blok katody do oczyszczania glinu według zastrz. 1, znamienny tym, że ciężką frakcję ropy naftowej stanowi pak węglowy.

3. Blok katody do oczyszczania glinu według zastrz. 1, znamienny tym, że średnia średnica cząstek sadzy wynosi powyżej 10 nm.

4. Sposób wytwarzania bloku katody do oczyszczania glinu zez dodanie spoiwa smołowego do mieszaniny 15-100% wagowych prażonego koksu i 0-85% wagowych materiału węglowego, i następnie wygniatanie, formowanie, wypiekanie i grafityzację, znamienny tym, że prażony koks wytwarza się przez koksowanie i prażenie po zmieszaniu ciężkiej frakcji ropy naftowej zawierającej 5-15% wagowych nierozpuszczonej chinoliny, z 2-5% wagowymi sadzy.