Исследование антрацита месторождения Назар-Айлок как сырья для производства электродного термоантрацита

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2015, том 58, №10_

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

УДК 662.66:621.3.035.2

Б.С.Джамолзода, А.Муродиён*, К.Кабутов, Б.С.Азизов*, А.Г.Сафаров, Х.А.Мирпочаев*, академик АН Республики Таджикистан Х.С.Сафиев

ИССЛЕДОВАНИЕ АНТРАЦИТА МЕСТОРОЖДЕНИЯ НАЗАР-АЙЛОК КАК СЫРЬЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОДНОГО ТЕРМОАНТРАЦИТА

Физико-технический институт им. С.У.Умарова АН Республики Таджикистан,

Государственное учреждение «Научно-исследовательский институт металлургии»

Государственного унитарного предприятия «Таджикская алюминиевая компания»

Разработаны отдельные требования к антрацитам месторождения Назар-Айлок как к сырью для производства катодных блоков, применяемых при футеровке алюминиевых электролизёров. Определены изменения межплоскостного расстояния, текстуры и анизотропия отражательной способности антрацита при высокотемпературной обработке (до 1700°С). Показана прямая зависимость увеличения отражательной способности от текстуры. Определено удельное электросопротивление антрацита при 1700°С. Проведено сравнение полученных данных с аналогичными показателями антрацитов Российского Донбасса, Донецкого и Вьетнамского (Ха-Ту) месторождений. Результаты проведённых исследований свидетельствуют о пригодности антрацита месторождения Назар-Айлок для производства катодных блоков алюминиевых электролизёров.

Ключевые слова: антрацит - термоантрацит - электрод - анизотропия - текстура - отражательная способность - удельное электросопротивление - морфология.

Геологическое происхождение, минералогический состав пластов, а также промышленные и прогнозные запасы антрацитов месторождения Назар-Айлок приведены в монографии [1]. Содержание и распределение минеральных примесей в этих антрацитах отражены в [2].

По условиям эксплуатации все углеродистые электродные изделия на основе антрацита делятся на три группы: углеродистые футеровочные огнеупоры, электроды угольные и электродная масса, термографит [3].

Углеродистые блоки для доменных печей, работающие в условиях воздействия жидких и газообразных агрессивных сред при температурах 1400-1700°С, подвергаются абразивному износу. Подовые блоки алюминиевых электролизёров служат в качестве токоподводов и эксплуатируются в агрессивной среде криолит-глинозёмного расплава с воздействием натрия при температуре 950-970°С, иногда до 990°С (с учётом анодных эффектов). В высокоагрессивной и абразивной среде работают также футеровочные блоки химических реакторов. Следовательно, антрацит, используемый для изготовления футеровочных изделий, должен обладать устойчивостью к воздействию щелочных металлов, низкой степенью структурной упорядоченности и высокой механической прочностью [3].

Адрес для корреспонденции: Джамолзода Бехрузи Саъдонхуджа. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул.Айни, 299/1, Физико-технический институт АНРТ. E-mail: beha4417@mail.ru

В данной работе соответствие антрацита поставленным целям устанавливалось эмпирически, путём испытаний в производственных условиях. Для всех электродных изделий антрацит подбирался в соответствии с техническими требованиями ГОСТ 9404-75 по содержанию золы, серы, механической прочности и термостойкости.

В связи с этим, при выборе антрацитов и прогнозировании их поведения в условиях эксплуатации, первостепенное значение приобретает их поведение при воздействии высоких температур. Из класса витренизированных антрацитов можно выделить донецкие антрациты шахты №66-67(пласт

16), шахты «Красный Партизан» (пласт к2), вьетнамский антрацит месторождения «Ха-Ту» (контактный метаморфизм), антрациты Российского Донбасса (шахта им. 60-летия Ленинского Комсомола) [5] и антрациты месторождения Назар-Айлок (самые низкозольные пласты №4,6), состав и свойства которых приведены в работах [3-5].

Влияние зольности, механической прочности, объёмного выхода летучих веществ и других качественных показателей антрацитов на качество электродной продукции до сих пор полностью не выявлено. Не отвечает современными требованиями и классификация антрацитов по этим показателям. Новые показатели: анизотропия, отражательная способность, микротвёрдость, текстура и удельная электропроводность - более полно отражают различие в свойствах антрацитов и могут служить надежными классификационными параметрами для выбора путей их технологического использования [6].

Завершением фундаментальных работ явилось создание новой промышленно-генетической классификации, которая Постановлением Госстандарта СССР утверждена как ГОСТ 25543-88, действующий по настоящее время в качестве межгосударственного стандарта на территории СНГ «Угли бурые, каменные и антрациты».

Целью настоящих исследований явилась разработка некоторых требований к антрацитам месторождения Назар-Айлок как к сырью для производства катодных блоков, применяемых при футеровке алюминиевых электролизёров.

Сырой антрацит первоначально прокаливался во вращающейся промышленной трубчатой печи ГУП ТАЛКО при температуре 1150-12500С с целью удаления летучих компонентов и создания первоначальной структуры антрацита. Затем предварительно прокалённый антрацит обрабатывался в электропечи сопротивления косвенного нагрева марки ЭМИТРОН-СВК при температуре 1400-1700°С. Нагрев и охлаждение производились плавно с выдержкой при заданной температуре в течение 2-х часов.

Рентгенографическое исследование проводилось согласно работе [7]. Методом рентгеност-руктурного анализа определялись межплоскостное расстояние (ё002), показатель анизотропии (ЛЯ) и текстура (Т) антрацита. Межплоскостное расстояние находили в соответствии с работами [8,9]. Показатель анизотропии (или анизотропия отражательной способности) определялся согласно работе [6] по уравнению

Методика исследований

где г и г - показатели отражательной способности отдельных кристалликов (зёрен), Т - показатель текстуры, который рассчитывался по уравнению

Т = (1 - 3/28т2в) ,

где $1п2в - усреднённая характеристика текстуры, рассчитываемая по кривой текстуры

ГП!2

Г I(в)sin3вdв

¡•ж/2

|о I(в)8М(1е

Удельное электросопротивление образцов (в виде порошка) определялось согласно ГОСТ 4668-75. Морфология поверхности антрацитов определялась на микроскопе ВМ-152SE с боковым освещением при увеличении х 450 раз.

а. Микроструктура исходного антрацита.

Ь. Микроструктура антрацита, термообработанного при 1200°С.

c. Микроструктура антрацита, ^ Микроструктура антрацита,

термообработанного при 1400°С. термообработанного при 1700°С.

Рис.1. Микроструктуры исходного и термообработанного при различных температурах антрацита, х450.

На рис.1 приведена морфология поверхности антрацита исходного (сырого) и термообработанного при температуре 1000, 1200, 1400, 1700°С. Как видно из рис.1а, сырой антрацит имеет слоисто-пластинчатую структуру (прозрачный цвет). По мере термообработки слоистость разрушается и образуются кристаллики небольшого размера (рис.1 Ь). При высоких температурах термообработки образовавшиеся кристаллики имеют меньшую зернистость (рис.1 наряду с этим наблюдается усадкообразование с появлением трещин, в которых видны тёмные раковины определённой длинны.

Рассчитанные межплоскостные расстояния и размер кристалликов в зависимости от температур прокалки приведены в таблице. Для сравнения приведены аналогичные показатели зарубежных антрацитов.

Из таблицы видно, что у антрацитов месторождения Назар-Айлок с увеличением температуры термообработки уменьшается межплоскостное расстояние, такая же тенденция наблюдается и у других исследованных антрацитов.

Таблица

Межплоскостные расстояния у антрацитов при различных температурах термообработки

Антрациты (витренитовые) Температура, °С

Комнат. 1000 1200 1400 1700

Назар-Айлок 0.357 0.352 0.349 0.345 0.340

Российский Донбасс 0.355 0.346 0.344 0.342 0.340

Горловский бассейн 0.356 0.354 0.352 0.347 0.345

Вьетнам (Ха-Ту) 0.352 - - - 0.336

На рис.2 приведены зависимости удельного электросопротивления (р) от температуры термообработки антрацитов. Как видно из рис.2, с увеличением температуры термообработки до 1400^ удельное электросопротивление у исследуемых антрацитов уменьшается, а далее остаётся постоянным. Это явление связано с выходом летучих и смолистых веществ из состава антрацитов, а также уменьшением величины d002. Удельное электросопротивление антрацита месторождения На-зар-Айлок при t = 1700^ составляет 700 Ом-мм2/м, в то время как у антрацитов Донецкого и Вьетнамского месторождений оно равно, соответственно, 850 и 900 Ом-мм2/м.

Ом•мм2

2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600

..........

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Рис.2. Зависимость удельного электросопротивления антрацитов от температуры: 1 - Назар-Айлок; 2 - Донецкий (шахты № 66-67); 3 - Ха-Ту. На рис.3 показаны зависимости показателя текстуры антрацита месторождения Назар-Айлок

от температуры термообработки. Для сравнения приведены показатели текстуры антрацитов Донец-

кого и Вьетнамского бассейнов. Как видно из рис.3, с увеличением температуры показатели текстуры исследуемых антрацитов увеличивается. При этом показатель текстуры антрацита месторождения Ха-Ту несколько ниже, чем у антрацитов месторождений Назар-Айлок и Донецка. Такое отличие, очевидно, связано с наличием контактного метаморфизма у антрацита месторождения Ха-Ту. Следует отметить, что с увеличением текстуры возрастает анизотропия отражательной способности (ЛR). Как видно из рис.4 ЛR напрямую зависит от текстуры (Т), что даёт возможность при правильной термообработке и скорости нагрева обеспечить равномерное распределение зёрен по всему объёму угля. Сходность текстуры и величин ЛR антрацитов месторождений Назар-Айлок и Донецка свидетельствует об общности их геоботанического происхождения и степени метаморфизма.

6.0

4.0

2.0

0

500

1000

1500

1.С

о

0.2

0.4

0.6

0.8 Т

Рис.3. Зависимость показателя текстуры (Т) антрацитов от температуры (!) их обработки: 1 - Назар-Айлок; 2 - Донецкий; 3 - Ха-Ту.

Рис.4. Зависимость анизотропии отражательной способности (ЛЯ) антрацитов от показателя текстуры (Т): 1 - Назар-Айлок; 2 - Донецкий; 3 - теоретически рассчитанная для графита [6].

Таким образом, наблюдаемые различия в поведении антрацитов разной степени метаморфизма в процессе их термообработки диктуют необходимость более строгой дифференциации их как сырья для производства различных электродных изделий. Результаты приведённых исследований свидетельствуют о пригодности антрацита месторождения Назар-Айлок для производства катодных блоков алюминиевых электролизёров.

Поступило 27.08.2015 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ёров З.Ё., Кабиров Ш.О., Муродиён А., Сироджов Н.М. Минерально-сырьевая база химико-металлургической промышленности Таджикистана. - Душанбе, 2012, типография «Мега Басым», Стамбул, Турция, 413 с.

2. Джамолзода Б.С., Муродиён А., Сафаров А.Г., Сафиев Х. Минеральные примеси в антраците месторождения Назар-Айлок. - ДАН РТ, 2015, т.58, №4, с. 326-330.

3. Горбанева Л.В., Бекасова В.Н., Кондрашенкова Н.Ф. Исследование по разработке требований к антрацитам как сырью для электродных изделий. Производство углеродных материалов. - НИИ Графит, сб. научных трудов. - М.: 1980, с. 54-61.

4. Муродиён А., Азизов Б.С., Вохидов М.М., Муродиён П. Измерение свойств антрацита Назар-Айлокского месторождения при термической обработке. - Мат-лы 5-й межд. науч-практ. конф. «Перспективы применения инновационных технологий и усовершенствования технического образования в вузах стран СНГ», ч. 1, ТТУ им. акад. М.С.Осими, 13-15 октября 2011г, Душанбе, с. 272-275.

5. Кураков Ю.И. Сырьевая база антрацитов Российского Донбасса для производства углеродных материалов: Дисс...д.т.н. - М., 2005, 260 с.

6. Еремин И.В., Иванов В.П., Симкин А.Б., Скрипченко Г.Б., Хренкова Т.М. Оценка свойств антрацитов и их изменений в процессе получения электродного термоантрацита. - Совершенствование технологии и улучшения качества электродной продукции, вып. 7 ГОС НИИЭП. - М., 1975, с. 141-146.

7. Джамолзода Б.С., Муродиён А., Сафаров А.Г., Сафиев Х. Рентгенографическое и термографическое исследования антрацита месторождения Назар-Айлок до и после термообработки. - ДАН РТ, 2014, т.57, №7, с. 594-598.

8. Михеев В.И. Рентгенометрический определитель минералов. - М.: Изд-во литературы по геологии и охране недр, 1957.

9. Гиллер Я.Л. Таблица межплоскостных расстояний, т.2, - М.: Недра, 1996, с. 95-153.

Б.С.Ч,амолзода, А.Муродиён*, К.Кабутов, Б.С.Азизов*, А.Г.Сафаров, Х.А.Мирпочоев*,

Х.С.Сафиев*

ТАХЦИЦИ АНТРАТСИТИ КОНИ НАЗАР-АЙЛОЦ ХАМЧУН АШЁИ ХОМ БАРОИ ИСТЕХСОЛИ ТЕРМОАНТРАТСИТИ ЭЛЕКТРОДЙ

Институти физикаю техникаи ба номи С.У.Умарови Академияи илмх;ои Цум^урии Тоцикистон, *Муассисаи давлатии "Пажу^ишго^и илмию та^кцкртии металлургия"-и КВД "Ширкати

Алюминий Тоцик"

Талаботхои муайян нисбати антратсити кони Назар-Айлок,, хдмчун ашёи хом, барои истехсоли блокхои катодии бутабандии электролизёрхои истехсоли алюминий, тахдя шудаанд. Тагйирёбии масофаи байни кабатхо, текстура ва анизотропияи кобиляти инъикоскунии антратсит пас аз коркард дар харорати баланд (то 1700°С) муайян карда шудаанд. Нишон дода шудааст, ки афзоиши кобиляти инъикоскунии антратсит аз таркиби он пурра вобастаги дорад. Муковимати хоси электрикии антратсит дар 1700°С муайян карда шудааст. Мукоисахо маълум намуданд, ки ин нишондодхои антратсити тахкикшуда ба антратситхои Донбасси Россия, Донетск ва Ветнам (Ха-Ту) нисбатан наздик мебошанд. Натичаи тахкикотхои гузаронидашуда нишон медиханд, ки антратсити кони Назар-Айлок барои истехсоли блокхои катодии электролизёрхои истехсоли алюминий мувофик мебошад.

Калима^ои калиди: антратсит - термоантратсит - электрод -анизотропи - текстура -цобиляти инъикоскуни - муцовимати хоси электрики - морфология.

B.S.Jamolzoda, A.Murodiyon*, K.Kabutov, B.S.Azizov*, A.G.Safarov, H.A.Mirpochoev*, H.S.Safiyev* STUDY OF ANTHRACITE FROM NAZARAILOK FIELD AS RAW MATERIALS FOR MANUFACTURING OF ELECTRODE THERMOANTYRACITE

S.U. Umarov Physical-Technical Institute, Academy of Science of the Republic of Tajikistan, State Institution "Research Institute of Metallurgy" of SUE "TALCO"

Developed some requirements for anthracite from Nazarailok field as a raw material for the production of cathode blocks used in the lining of aluminum electrolytic. The change in the interplanar distance, texture and anisotropy of the reflectance of anthracite coal at high temperature treatment (up to 1700°С) are defined. The direct link between the increases of reflectivity of the texture is shown. The resistivity of anthracite at 1700°С is defined. The comparison of the received data with data of anthracite of areas of Russian Donbas, Donetsk and Vietnam (Ha-Tu) is lead. The experimental data and a summary of the results indicate the suitability of anthracite from Nazarailok field for production of cathode blocks for aluminum electrolysis

Key words: anthracite - thermoantyracite - electrode - anisotropy - texture - reflectivity is - resistivity -morphology.