Спосіб випробування футерувальних матеріалів для магнієвих електролізерів

Винахід стосується області дослідження стійкості матеріалів технічної кераміки до дії руйнуючих факторів, а саме дослідження стійкості футерувальних матеріалів магнієвих електролізерів. Відомий спосіб дослідження футерувальних матеріалів, що застосовуються у виробництві магнію, [Б.Х.Хан і інш. «Застосування фторфлогопітового лиття у виробництві магнію», Кольорові метали, 1984р., с.61-63], при якому зразки розміщують на катоді промислового електролізеру в спеціальних карманах. При цьому зразки зазнають комплексне-руйнуюче діяння, аналогічне тому, котре впливає на футерівку промислового електролізеру: високої температури, циркулюючого хлормагнієвого розплаву, магнію, хлору, а також електрохімічного катодного потенціалу. При даному способі випробування помітні руйнування зразків навіть малостійких вогнетривів з'являються, як мінімум, через декілька діб після початку випробування. Через велику тривалість досліджень, яка триває 30-35 діб, і складності процедури розміщення та виймання зразків із карманів працюючого катоду, випробування є трудомістким і неекспресним. В основу винаходу поставлено задачу підвищення експресності та зниження трудомісткості оцінювання стійкості різноманітних футерувальних матеріалів (вогнетривів, бетонів) при їх застосуванні в магнієвому електролізері за рахунок створення умов інтенсивного руйнування зразків під дією факторів, аналогічних тим, котрі зазнає футерівка магнієвого електролізеру в процесі його експлуатації. Поставлена задача здійснюється тим, що у відомому способі випробування футерувальних матеріалів для магнієвих електролізерів, який включає установлення зразка футерувального матеріалу на катоді електролітичної комірки з повним його зануренням в хлормагнієвий розплав, нагрівання та наступний електроліз, в рішенні, що заявляється зразок жорстко закріплюють на катоді. Глибину занурення зразка вибирають такою, щоб 85-90% поверхні катоду, що знаходиться нижче рівня електроліту, була ізольована матеріалом зразка від безпосереднього контакту з електролітом. Після занурення зразка в електроліт роблять витримку на протязі 60-90 хвилин і при фіксованому часі проводять електроліз, піддаючи зразок при цьому впливу теплозмін. При проходженні через електролітичну комірку постійного електричного струму зразок футерувального матеріалу піддають дії нагрітого до 700-750°С хлормагнієвого розплаву, хлору, що виділяється на аноді, катодного потенціалу та магнію, який електрохімічно відновлюється на катодній поверхні, як у місці безпосереднього контакту катоду з електролітом, так і на поверхні, що ізольована від електроліту матеріалом зразка, що випробовують. Жорстке кріплення зразка на катоді дозволяє при подачі напруги, що забезпечує на катоді потенціал рівний потенціалу відновлення магнію, одержати такий же потенціал всередині зразка, тобто зразок виконує функції катоду та піддається дії рідкого магнію, який виділився на його поверхні. Тривалість витримки зумовлена відмінністю в швидкості просочування хлормагнієвим розплавом зразків різних футерувальних матеріалів. Просочування електролітом не чинить безпосередньої руйнуючої дії на зразки, але підвищує їх електропровідність і, відповідно, кількість електричного струму, що проходить через них, і визначає масу відновленого магнію, який впливає на ступінь руйнування зразків. Експериментально був визначений час просочування зразків залежно від зміни опору зразків в процесі їх витримки в розплаві електроліту та фіксовану тривалість витримки зразків в розплаві до початку електролізу прийнято 60-90 хвилин. При зануренні зразка в електроліт, якщо глибина його занурення така, що менше 85% поверхні катоду, що знаходиться нижче рівня електроліту, ізольована матеріалом зразка від безпосереднього контакту з електролітом, знижується дія катодного потенціалу, а при більше 95% - підвищується час випробування. Порівняльна оцінка стійкості різних зразків футерувальних матеріалів можлива тільки в однакових умовах проведення випробування. Тому час електролізу вибраний фіксований як мінімально необхідний для суттєвого руйнування зразка з відомою гіршою характеристикою стійкості. Спосіб випробування футерувальних матеріалів для магнієвих електролізерів здійснюється таким чином. Жорстко закріплений на катоді зразок футерувального матеріалу повністю занурюють в хлормагнієвий розплав електролітичної комірки таким чином, щоб 85-90% поверхні катоду, що знаходиться нижче рівня електроліту, була ізольована матеріалом зразка від безпосереднього контакту з електролітом. Після занурення зразка в електроліт провадять витримку на протязі 60-90 хвилин і при фіксованому часі виконують електроліз. У процесі електролізу зразок з катодом періодично виймають із розплаву та охолоджують повітрям. Приклади здійснення способу, що заявляється. Приклад №1 Зразок шамотною цегли марки ША-1 з розмірами 95´25´50мм жорстко закріплюють на сталевому стержні, який виконує функції катодного струмопідводу, та повністю занурюють в хлормагнієвий розплав, що знаходиться в графітовому стакані, який виконує функції анода. Розплав з температурою 700°С за складом відповідає складу електроліту магнієвого електролізера (10-14% MgCІ 3, 58-62% NaCl, 25-30% KСІ). Після 80хвилинної витримки зразка в розплаві електроліту на комірку подають напругу ~3,5В і на протязі 2-х годин здійснюють електроліз. З періодичністю 0,5 години зразок виймають із розплаву, охолоджують повітрям і знову розташовують в розплаві. Таким чином, в процесі випробування зразок футерувального матеріалу піддають дії хлору, що виділяється на аноді (внутрішній стінці графітового стакану), циркулюючого хлормагнієвого розплаву, магнію, що виділяється на його поверхні, яка просичіна розплавом електроліту, теплозмінам з діапазоном перепаду температур від 700°С до кімнатної. Через 1 годину випробувань на поверхні зразка з'явилися тріщини, через 1,5 години глибина тріщин збільшилась, з'явилися скоси та деформація зразка. Через 2 години зразок зазнав суттєві руйнування у вигляді сколювання великих фрагментів неправильної форми. Приклад №2 В умовах виконання випробування, що описані в прикладі №1, випробовували зразок мулітового вогнетриву. Після 2-годинного випробовування зразок зберіг початкові лінійні розміри, але на його поверхні з'явилися дрібні тріщини. Приклад №3 В умовах виконання випробування, що описані в прикладі №1, випробовували зразок плавленого вогнетриву на основі оксиду алюмінію. Після випробування зразок не зазнав помітних руйнувань. Характер руйнувань зразків, що випробовували за способом, котрий заявляється, відповідає змінам, які відбулися з аналогічними зразками при 33-х добовому випробуванні в карманах на катодній поверхні промислового магнієвого електролізера. Таким чином, спосіб випробування футерувальних матеріалів для магнієвих електролізерів, що заявляється, дозволяє виконати комплексне випробування їх термохімічної стійкості в умовах дії факторів, аналогічних тим, що виникають в реальних умовах роботи промислового електролізера для виробництва магнію. Це дає можливість одержати точну оцінку стійкості футерувальних матеріалів з великою ефективністю та експресністю, а також виявити та рекомендувати вогнетривні матеріали здатні тривалий час експлуатуватися в умовах дії руйнуючих факторів електролізу магнію.