Спосіб випробування футерувальних матеріалів для магнієвих електролізерів

Винахід стосується області дослідження стійкості матеріалів до впливу різких температурних коливань за допомогою теплових засобів, а саме до дослідження стійкості футеровочних матеріалів для бездіафрагмових магнієвих електролізерів. Особливістю руйнування футерівки магнієвого електролізеру є те, що воно відбувається внаслідок комплексного впливу на матеріал футерівки високої температури, а також коливання температури, розплавленого магнію, циркулюючого хлоридного розплаву, хлору, електричного та електрохімічного потенціалу. Спосіб визначення стійкості футеровочних матеріалів повинен задовольняти вимоги створення умов дослідження, при яких на дослідний зразок діють якомога більше зазначених факторів. Відомий спосіб визначення стійкості вогнетривів, що описаний у а.с. №441493 G01N25/00, від 21.03.73 „Установка для визначення термостійкості вогнетривкої цегли", який дозволяє одержати рівномірне температурне поле в дослідному зразку та надійне його руйнування. Тепловий вплив є лише одним з факторів, що приводить до руйнування елементів футерівки магнієвого електролізеру, тому цей спосіб не може бути достатнім для випробування зразків футеровочних матеріалів. Також відомий спосіб оцінки стійкості жароміцних бетонів у розплавах магнієвого виробництва, І.Б.Чудаков та інш. „Стійкість жароміцних бетонів в розплавах магнієвого виробництва", Труди ВАМІ, 1976, №96, с.65-69, згідно якому стальна касета з дослідними зразками піддається циклічній витримці в хлоридному розплаві при температурі 700°С на протязі 20 хвилин і охолоджуванню такої ж довготривалості у повітрі. Склад розплаву відповідає складу електроліту магнієвого електролізеру, кількість циклів складає 24. Стійкість зразків оцінюється за ступінню їх руйнування, за наявністю зламів, тріщин і за механічною міцністю після випробування. Але в даному випадку відсутня дія на зразки руйнуючої циркуляції розплаву солей, розплавленого магнію, газоподібного хлору, а також електричного та електрохімічного потенціалу. Найбільш близьким, вибраним у якості прототипу, є спосіб випробування футеровочних матеріалів, які застосовуються у виробництві магнію, описаний у статті Б.Х. Хана та інш. „Застосування фторфлогопітового лиття у виробництві магнію" „Кольорові метали", 1984, с.61-63. При даному способі випробування зразки розміщують у спеціально виконані на катодах промислового електролізеру кармани та періодично витягають з електролізеру. За студінню їх руйнування, наявністю сколів, тріщин, а також за результатами міцністних випробувань оцінюють придатність їх для використання в футерівці електролізеру. В процесі знаходження зразків на катоді вони зазнають руйнуючу дію температури, циркулюючого хлоридного розплаву, магнію, хлору, а також дію електрохімічного катодного потенціалу. Даний спосіб випробування застосовується у випадках його проведення на діафрагмовому електролізері з катодами, які встановлені нестаціонарне та можуть витягатися з електролізної ванни. В теперішній час електролізери такої конструкції не застосовуються у виробничій практиці. Випробування за способомпрототипом на діючих бездіафрагмових електролізерах трудомісткі, що зумовлено складністю витягання зразків з карманів на катоді з-за недоступності робочої поверхні катоду. Крім того, в цьому випадку витягання зразків неминуче зв'язане з розгерметизацією робочої комірки, що відмінно відбивається на технологічному режимі роботи електролізеру. Ці обставини не дозволяють здійснювати контроль стану зразків достатньо часто, що значно знижує точність оцінки та ефективність випробування футеровочних матеріалів. Винахід вирішує задачу підвищення ефективності, експресності оцінки стійкості різних футеровочних матеріалів (вогнетривів, бетонів) в умовах застосування їх у магнієвому електролізері за рахунок створення рівномірного температурного поля у дослідних зразках і теплового удару, а також дії специфічних факторів, зумовлених умовами застосування, що забезпечують надійне руйнування зразка при випробуваннях. Поставлена задача здійснюється тим, що у відомому способі випробування футеровочних матеріалів для магнієвого електролізера, який включає нагрівання зразків, розміщених на катоді промислового магнієвого електролізеру в умовах дії комплексу руйнуючих факторів, у рішенні, що заявляється, зразки уміщують в металевий контейнер і розміщують на передньому катодному екрані або в збірній комірці при дотримуванні електричного контакту з елементами катоду. Зразки піддають дії теплозмін від 680-700°С до температури навколишнього середовища при витяганні та занурюванні їх. Дослідні зразки, що розміщені в контейнері на передньому екрані катоду або в збірній комірці працюючого магнієвого електролізеру, піддаються дії таких факторів: катодного потенціалу, розплавленого магнію, циркулюючого розплаву хлоридів, температури та теплового удару. Комплекс вказаних факторів аналогічний факторам, що викликають найбільші руйнування футерівки промислових магнієвих електролізерів. При вказаних розташуваннях зразків випробування дають надійну характеристику стійкості футеровочних матеріалів для промислових магнієвих електролізерів. Спосіб, що заявляється, здійснюється таким чином. Зразки уміщують в спеціальні контейнери, конструкція яких забезпечує вільне омивання зразків циркулюючим електролітом. Контейнери з дослідними зразками та зразками для порівняння розміщують на передньому катодному екрані або в збірній комірці при дотриманні електричного контакту з катодом. При цьому зразки потрапляють під дію комплексу факторів, здатних викликати їх руйнування: катодного потенціалу, хімічної дії розплавленого магнію та розплаву хлоридів електроліту, температурної та циркулюючої дії розплаву електроліту, дії теплозмін при витяганні та занурюванні зразків. Приклади здійснення способу. Приклад №1. В контейнер з нержавіючої сталі умістили зразки вогнетривких матеріалів слідуючих типів: плавлено-литий (ПЛ), жаростійкий бетон (ЖБ), мулітовий (М), шамотний (Ш), а також шамотна цегла ША-1 у якості зразка для порівняння. Контейнер зі зразками розмістили на передньому катодному екрані промислового бездіафрагмового електролізеру на силу струму 120кА, живлення якого здійснюють зворотним хлоридом магнію титанового виробництва. Розплавлений електроліт, в якому знаходились зразки в процесі випробування, мав температуру 700°С и склад, %мас: 10-14 MgCl2, 58-62 КСІ, 25-30 NaCl. З періодичністю 3-4 доби контейнер витягали з електролізера та проводили візуальне обслідування зразків, фіксували зміни їх геометричних параметрів, наявність тріщин і сколів. В процесі випробування зразки піддавались дії циркулюючого хлоридного розплаву, хлору, магнію, постійного струму, а також теплозмінам з діапазоном перепаду температури від 700°С до кімнатної в процесі витягання зразків і поміщення їх в електролізер. Випробування проходили на протязі 33 діб. Зразок ПЛ в процесі випробувань не зазнав помітних змін. Зразки ЖБ і Ш після витримки в електролізері на протязі 19 діб при 4-х теплозмінах не мали помітних руйнувань, а після 26 діб і 6 теплозмін з'явились руйнування вуглів і тріщини. Зразок М без змін знаходився на протязі 12 діб і 3-х теплозмін, але після 19 діб і 4-х теплозмін відмічено руйнування вуглів, а після 33 діб і 8-х теплозмін суттєве руйнування вуглів і поява глибоких тріщин. Шамот ША-1 на протязі 12 діб і 3-х теплозмін залишився без суттєвих змін, після 33 діб і 8-х теплозмін відбулося руйнування його на декілька фрагментів неправильної форми. Міцність на стиснення зразків, які не зруйнувалися після витримки в електролізері, склала, МРБ: ПЛ25; ЖБ-35; М-65; Ш-92. Приклад №2. Контейнер зі зразками тих же типів, що і в першому прикладі, поміщали в збірну комірку промислового магнієвого електролізеру на силу струму 115кА, конструктивна особливість якого не дозволяла забезпечити безпосередній контакт контейнеру та катоду. Катодний потенціал подавався на контейнер зі зразками за допомогою стального прутка, до одного кінця якого був прикріплений контейнер, а другий кінець був зічленований з катодною штангою. Склад і температура електроліту, а також спосіб контролю стану зразків були аналогічні прикладу №1. Результати випробувань, які характеризують ступінь руйнування зразків, їх механічну міцність після витримки в електролізері, а також висновки відносно стійкості до дії руйнуючих факторів були ідентичними прикладу №1. Таким чином, спосіб випробування футеровочних матеріалів для магнієвого електролізера, що заявляється, дозволяє виконати комплексне випробування їх пірохімічної стійкості в реальних умовах електролізу магнію. Це дає можливість підвищити ефективність і точність визначення стійкості різних футеровочних матеріалів і виявити види жаростійких матеріалів, здатних тривалий час експлуатуватися в умовах дії руйнуючих факторів електролізерів для виробництва магнію, а також дозволяє рекомендувати кожний із дослідних матеріалів для найбільш раціонального застосування при виготовлені певних елементів футерівки електролізеру.