Технология получения нового связующего материала - гибридного пека - для анодной массы в алюминиевой промышленности

УДК 678.04

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ НОВОГО СВЯЗУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА - ГИБРИДНОГО ПЕКА - ДЛЯ АНОДНОЙ МАССЫ В АЛЮМИНИЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

© А.П. Горохов1

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведена инновационная разработка технологии получения гибридного пека (ГПК). В России в промышленных масштабах гибридные пеки не производятся, но существует ряд разработок по данной тематике, где предлагается смешение каменноугольного (КП) и нефтяных пеков (НП): ультразвуковое, механическое, путем воздействия гидроударно-кавитационного поля и др. Технология приготовления гибридного пека включает следующие операции: КП и НП параллельно разогревают воздействием СВЧ-энергии, на следующей стадии жидкие сырьевые компоненты проходят через диспергатор, затем производится циркуляционное перемешивание, во время которого интенсивно происходят тепло- и массообменные процессы, при этом скорость переноса в этих процессах будет тем выше, чем выше интенсивность перемешивания, так как при этом увеличивается поверхность контакта фаз. В результате получается однородная гомогенная масса - гибридный пек. Ил. 4. Библиогр. 9 назв.

Ключевые слова: гибридный пек (ГПК); нефтяной пек (ПНД); каменноугольный пек (КП); мезофаза; СВЧ-энергия; диспергатор; измельчение; смешение.

TECHNOLOGY TO PRODUCE NEW BINDER - HYBRID PITCH - FOR ANODE PASTE IN ALUMINUM

INDUSTRY

A.P. Gorokhov

Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article introduces an innovative development of a hybrid pitch (HP) production technology. There is no industrial production of hybrid pitches in Russia, but there are a number of developments on the subject, which propose to produce hybrid pitch by mixing coal tar pitch (CTP) and petroleum pitches (PP) by using different techniques, such as ultrasonic and mechanical mixing by the action of hydropercussion-cavitation field and others. The preparation technology of hybrid pitch includes the following stages: CTP and PP are heated simultaneously under the action of microwave beams, on the next stage liquid raw components pass through a dispergator with the following circulation mixing. The last involves intensive heat exchange and mass transfer. Intensity of these processes depends on intensity of mixing as the surface of phase contact increases. The final product is a homogeneous mass - hybrid pitch (HP). 4 figures. 9 sources.

Key words: hybrid pitch (HP); petroleum pitch (PP); coal tar pitch (CTP); mesophase; microwave energy; dispergator; grinding; mixing.

Алюминиевая и электродная промышленность России потребляет значительные количества углеродных материалов в виде пеко-коксовых композиций, в которых наполнителем является нефтяной кокс (НК), а связующим - каменноугольный пек (КП). Дефицит связующих материалов в производстве электродной массы составляет 250-300 тыс. тонн в год, в виду сокращения производства каменноугольного пека и повышения его стоимости [1]. Сложившаяся ситуация дала толчок к разработке эффективного заменителя -гибридного пека (ГПК) из нефтяного и каменноугольного сырья. Расширение сырьевой базы и поиск альтернативных связующих с пониженным содержанием канцерогенных веществ является актуальной проблемой. Для ее решения необходимо провести мониторинг существующих технологий смешения альтернативных связующих (АС) и наполнителей для изготовления анодной массы. В алюминиевой промышленности при производстве электродов требуется система-

тизированный подход по разработке требований к связующим и спекающим материалам, базирующихся на физико-химических свойствах [2]. Создания АС по новой технологии получения гибридного пека с применением физических методов смешения, является, на наш взгляд, более эффективным. Проведение исследований по определению фракционного и группового химического состава. Подбор фракций, обеспечивающих коксуемость и спекание коксового наполнителя и пека.

Одно из основных направлений темы диссертации по созданию гибридного пека - это проведение исследований на предмет применения в алюминиевой промышленности в качестве альтернативного связующего (АС) или пропиточного материала в технологиях получения различной углеродной продукции: анодной массы, графитированных электродов и углеродных композитов. В России в промышленных масштабах гибридные пеки не производятся, но существует ряд

1Горохов Александр Павлович, аспирант, тел.: 89246341235, e-mail: m.t.s.a.gorokhov@bk.ru Gorokhov Alexander, Postgraduate, tel.: 89246341235, e-mail: m.t.s.a.gorokhov@bk.ru

разработок по данной тематике, в которых предлагается смешение КП и нефтяных пеков (НП): ультразвуковое, механическое, гидроударное - кавитационное поле и др. Зарубежные производители в качестве пропиточных и связующих пеков в углеродной промышленности используют АС - гибридные или нефтяные пеки. По своим физико-химическим свойствам они приближаются к КП. За рубежом АС данного типа получают компаундированием и термообработкой с добавлением поверхностно-активных веществ (ПАВ) -каменноугольных и нефтяных пеков [3]. Существующие зарубежные производители альтернативного связующего: «Marathon Ashland Petroleum» - США, «Kyreha» - Япония, «Rutgers Chemicals GmbH» - Германия предлагают продажу товарного продукта АС (рис. 1) в следующем ценовом диапазоне.

Нами создана экспериментальная установка (рис. 3) для получения гибридного пека - альтернативного связующего. Основная задача данной установки -производство ГПК методом компаундирования по разработанной технологии. Установка состоит из четырех блоков: блок загрузки и хранения сырья, блок смешения, блок смешения каменноугольного и нефтяного пеков и отгрузки готового продукта.

Технология приготовления гибридного пека включает в себя следующие операции: КП и НП параллельно разогревают воздействием СВЧ-энергий, на следующей стадии жидкие сырьевые компоненты проходят через диспергатор, затем производится циркуляционное перемешивание. Во время циркуляционного перемешивания интенсивно проходят тепло- и мас-

сообменные процессы. В тепло- и массообменных процессах скорость переноса будет тем выше, чем выше интенсивность перемешивания, т.к. при этом увеличивается поверхность контакта фаз. В результате получаем однородную гомогенную массу.

Для решения технических задач смешения (рис. 2) исходных сырьевых компонентов используем технологию гидродинамической кавитационной обработки, которая обеспечивает смешение пеков различной природы в гомогенную массу [5, 6]. Применение дис-пергатора в узле смешения способствует не только образованию гомогенной массы, но и мезофазы. В ходе приготовления ГПК циркуляционным перемешиванием и нагреванием микроволновой энергией происходит образование активных центров между наполнителем - НК и связующим материалом ГПК. Образование мезофазы и гомогенной массы обеспечивает качество электродов на основе пеко-коксовых композиций.

Изменение структуры и молекулярного состава пеко-коксовых композитов подтверждаются многочисленными экспериментальными исследованиями физико-химических свойств после взаимодействия энергией (СВЧ, акустической и гидродинамической кавитации) [5]. При прохождении через диспергатор смеси в локальных зонах зарождаются и развиваются кавита-ционные пузырьки, возникает высокое давление, а в зонах их схлопывания развиваются ударные волны с градиентами локальных давлений и температур, превышающих десятки тысяч атмосфер и градусов, соответственно.

Рис. 1. Стоимость связующих материалов [4]

Рис. 2. Схема диспергирования

Диспергация - это процесс закрытия (схлопыва-ние) кавитационных пузырьков (имеющее, как правило, кумулятивный характер) сопровождающийся мощными энергетическими процессами [5].

Кроме того при кавитационной обработке происходят структурные изменения пеков на молекулярном уровне - разрыв длинных углеводородных цепочек с образованием большого количества свободных радикалов. Указанные преобразования обеспечивают как улучшение реологических свойств современных АС, так и восстановление свойств после длительного хранения.

Диспергаторы прошли промышленные испытания и успешно эксплуатируются с производительностью от 3 до 300 т/ч [5], причем для установления оптимального режима работы диспергатора его производительность можно регулировать. Конструктивно дисперга-тор не имеет вращающихся частей, что обеспечивает его абсолютную герметичность, высокую надежность в работе, долговечность и противопожарную безопасность. Опыт промышленной эксплуатации диспергато-ров на различных объектах подтвердил эффективность смешения [6, 8], повышение надежности работы и экономическую рентабельность.

Каменноугольные и нефтяные пеки - это гетерогенные материалы, отличаются своей природой происхождения и тем, что для их совмещения требуется дополнительное оборудование. При циркуляционном

перемешивании каменноугольного и нефтяного [9] пеков необходимо применять метод обработки СВЧ-энергией, которую предлагается использовать для нагревания и размягчения сырьевых компонентов. Нагрев в СВЧ-поле происходит за счет диэлектрических потерь в материале. Взаимодействуя с веществом, эти поля влияют на движение полярных групп, что приводит к преобразованию СВЧ-энергии в тепло. Электромагнитное поле СВЧ способно проникать на значительную глубину, которая зависит от свойств материалов. Применение микроволновой энергии для получения гибридного пека способствует образованию мезофазы [7] .

Такой способ перемешивания позволит добиться необходимых показателей для потребителя и отличного качества связующего или пропитывающего материала - гибридного пека. Перемешивающим устройством в данном случае будет выступать циркуляционный шестеренчатый насос и диспергатор, а разогрев будет происходить под действием микроволновой энергии.

Основные преимущества шестеренных насосов: непульсирующий поток на выходе; поток прямо пропорционален скорости вращения ротора; высокая всасывающая способность; высокий КПД; простая надежная конструкция; отсутствие клапанов; неприхотливость в эксплуатации.

Рис. 3. Экспериментальная установка по получению ГПК

Рис. 4. Автоматизированный способ микроволновой обработки жидкой смеси и устройство

для его осуществления [8]

В ходе проектирования экспериментальной установки и получения связующего материала ГПК (для анодов нового поколения) планируются активные взаимодействия с промышленными потребителями, что позволит создать продукт, максимально отвечающий требованиям к анодной массе алюминиевого произ-

водства. Географическая близость производителей и потребителей альтернативного связующего позволит разработчикам продукта осуществлять полный научный контроль жизненного цикла связующего от производства до конечного потребления.

Статья поступила 15.07.2014 г.

Библиографический список

1. Gorokhov A.P., Ugapyev A.A., Doshlov O.I. Evaluation of petroleum pitch as binder for anode production»: материалы междунар. конф. г. Прага. сб. 28. 135 с.

2. Янко Э.А. Производство анодной массы. М.: ИД «Руда и металлы», 1975. 671 с.

3. Пат. № 4529499, USA. Метод для производства мезофаз-ного пека.

4. Вершинина Е.П., Гильдебрандт Э.М., Селина Е.А. Тенденции развития производства связующего для анодов алюминиевых электролизеров // Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии. 2012. № 5 (7).

5. Кузнецов С.В. Технология гидродинамической кавитаци-онной обработки высоковязких веществ - опыт внедрения,

экономические и экологические аспекты: материалы VII Все-рос. конф. по энергосбережению. Екатеринбург, 2006. 740 с.

6. Коновалов Н.П. Технология деструкции бурых углей методом нагрева энергией сверхвысокой частоты. Иркутск: Из-во ИрГТУ, 2000. 93 с.

7. Чандрасекар С. Жидкие кристаллы. М.: Мир. 1980. 323 с.

8. Пат. № 2433575, Российская Федерация. Автоматизированный способ микроволновой обработки жидкой водоне-фтяной смеси и устройство для его осуществления. 2003.

9. Горохов А.П., Дошлов О.И. Менделеев: материалы Шестой Всерос. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов с междунар. участием. СПб., 2012. 540 с.

УДК 669,713

ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОТЫ МОДУЛЯ CONSEPACACIA 4000 ИНТЕНСИВНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ЗИФ

© В.В. Пелих1, В.М. Салов2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Дано описание возникшей проблемы с извлечением в модуле интенсивного цианирования ConSepAcacia. Приведена принципиальная схема питания модуля, результаты работы проблемных циклов и лабораторных испытаний на проблемной руде. Описаны оптимизационные работы, проведенные в направлении интенсификации процесса, результаты оптимизации представлены графиками. Выявлены причины низкой эффективности работы модуля ConSepAcacia 4000 интенсивного выщелачивания. Представлен анализ полученных данных с выводами и рекомендациями. Ил. 5. Табл. 2. Библиогр. 7 назв.

Ключевые слова: золото; цианирование; цианид; интенсивность цианирования; оптимизация процессов; информационная обеспеченность.

OPERATION OPTIMIZATION OF CONSEPACACIA 4000 MODULE FOR INTENSIVE LEACHING AT GOLD RECOVERY MILL

V.V. Pelikh, V.M. Salov

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article deals with a challenging problem of extraction in the intensive cyanidation module of ConSepAcacia. It provides a principle power supply diagram of the module, results of the problem cycles operation and laboratory tests of the troubled ore. Description of the optimization works aimed at the intensification of the process and the presented graphs of the optimization results allow the authors to reveal the causes of low efficiency of the ConSepAcacia 4000 module of intensive leaching. Obtained data are analyzed, conclusions and recommendations are given. 5 figures. 2 tables. 7 sources.

Key words: gold; cyanidation; cyanide; cyanidation intensity; process optimization; information provision.

В настоящее время исследовательские и проектные институты находятся в постоянном поиске новых, более эффективных схем переработки минерального

сырья, и, в частности, золота. Для повышения извлечения и повышения интенсивности, а, соответственно, и производительности, разрабатываются уникальные

1Пелих Владислав Вадимович, аспирант, тел.: 89832412947, e-mail: Pelich2289@mail.ru Pelikh Vladislav, Postgraduate, tel.: 89832412947, e-mail: Pelich2289@mail.ru

2Салов Валерий Михайлович, кандидат технических наук, профессор кафедры автоматизации производственных процессов, тел.: (3952) 405117, e-mail: salov@istu.edu

Salov Valery, Candidate of technical sciences, Professor of the Department of Automation of Technological Processes, tel.: (3952) 405117, e-mail: salov@istu.edu