Назначение обжига: превратить «зеленые» электроды, обладающие большим электрическим сопротивлением и малой механической прочностью, в продукцию с малым электросопротивлением и достаточной механической прочностью. «Зеленые» электроды обжигают, постепенно поднимая температуру до максимального ее значения. При этом в электродных изделиях протекает ряд сложных физических и химических процессов.

Условия обжига (продолжительность, скорость подъема температуры, выдержка и др.) устанавливают опытным путем. Но во всех случаях изделия при обжиге проходят последовательно три стадии: подогрев, обжиг и охлаждение. Общая продолжительность процесса зависит от вида и размеров изделий, от конструкции печи и составляет 15- 30 суток.

«Зеленые» электродные изделия обжигают в специальных печах без доступа воздуха под слоем засыпки. Засыпка предохраняет электродные изделия от обгорания и деформации. В качестве засыпки применяют антрацит или кокс крупностью 1- 2 мм, которые заполняют все промежутки между заготовками. Для обжига электродных изделий в заводской практике обычно применяют камерные печи. В этих печах тепло передается обжигаемым изделиям через огнеупорную кладку, которая обогревается горячими газами, проходящими по каналам, проложенным в кладке.

В интервале 100—200 °С из электродов начинается выделение летучих веществ, выше 350 °С происходит дистилляция связующего и выделяется основная масса летучих, при 450—500 °С начинается коксование и отвердение связующего. При 600 °С изменение свойств материала замедляется, пек из полукокса превращается в кокс, химические процессы в изделии постепенно затухают. Обжигают изделия до 1200 °С, в результате усадка уменьшается, а пористость, истинная плотность, прочность, твердость и электропроводность увеличиваются.

Графитирование заключается в нагревании изделий без доступа воздуха до 2300 °С и выше. В процессе высокотемпературного обжига выше 2000 °С происходит укрупнение кристаллов графита, восстановление и улетучивание примесей, в результате чего изменяются свойства этих изделий. В графитированных изделиях по сравнению с обожжёнными в 4—5 раз снижается электрическое сопротивление, в 8—10 раз содержание минеральных примесей (золы), возрастают температура начала окисления, истинная плотность, пористость и теплопроводность при одновременном падении механической прочности.

Для графитирования углеродистых изделий применяют электрические печи сопротивления, в них рабочим сопротивлением служат сами заготовки электродов, подвергающиеся графитированию. Печь питается переменным током от специального трансформатора, позволяющего изменять напряжение от 240 до 40 В и поддерживать силу тока 22 кА и выше. Ток, проходя через толщу электродов, развивает столько джоулева тепла, сколько необходимо для достижения температуры 2500 °С. Этот процесс обычно длится 25— 35 час, а с учетом охлаждения и разогрева 165—360 час.

В природе графит встречается в значительных количествах, но сильно загрязнен минеральными примесями, поэтому искусственным путем графитируют электроды, изготовленные из нефтяного кокса и прошедшие обычные стадии технологического процесса.

Виды углеродистых изделий

Электроды

Электродами в широком смысле этого слова называют проводники, служащие для подвода электрического тока к среде, на которую он воздействует. Эта среда может быть водным раствором, расплавленным или твердым раскаленным веществом. Электроды изготавливают из различных токоподводящих материалов: железа, меди, угля и др.

Одним из наиболее крупных потребителей электродов является алюминиевая промышленность. Электроды здесь работают в весьма жестких эксплуатационных условиях (высокая температура, агрессивная среда в виде расплавленных солей и т.д.), поэтому они должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1. выдерживать высокую температуру;

2. иметь хорошую электропроводность, малую пористость и достаточную механическую прочность;

3. обладать хорошей стойкостью против окисления кислородом воздуха и разъедания различными химическими веществами;

4. содержать минимальное количество примесей, ухудшающих качество получаемой продукции;

5. иметь правильную геометрическую форму;

6. быть достаточно дешевыми.

Наиболее полно этим требованиям отвечают электроды из углеродистых материалов.

В большинстве случаев электрод не только служит средством подвода тока к среде, но и сам участвует в происходящих в ней процессах. Например, при электротермических процессах материал электрода служит восстановителем; при электролитическом получении алюминия энергия, выделяемая при окислении электрода (анода), положительно влияет на энергетический баланс электролизера (деполяризация).

В алюминиевой промышленности применяются следующие виды электродных изделий: прессованные призматические и цилиндрические обожженные и графитированные электроды, подовые и боковые блоки, электродные массы (анодная и подовая).

Анодные материалы

В современных электролизерах используются два вида анодных материалов:

1) самообжигающиеся аноды - формуются из анодной массы непосредственно в процессе электролиза;

2) предварительно обожжённые анодные блоки.

Анодная масса выпускается в России в соответствии с ТУ 48-5-80-86 из пекового или нефтяного коксов. Масса из пекового кокса лучше по прочности, пористости, удельному электросопротивлению, чем на основе нефтяного кокса, но пековый кокс дефицитен и дороже.

Содержание золы в массе влияет на содержание примесей в алюминии, так как на производство 1 т алюминия расходуется более 500 кг анодной массы. В свою очередь, зольность массы определяется качеством коксов, а также износом технологического оборудования и, прежде всего, футеровки прокалочных печей.

Содержание серы в массе зависит от ее содержания в коксах. В нефтяных коксах содержание серы до 4 %, однако для производства анодной массы не рекомендуется использование кокса с содержанием серы более 1,5 %, в основном из-за экологических соображений.

Удельное электросопротивление (УЭС) массы и ее пористость — взаимозависимые величины: с увеличением пористости возрастает УЭС и увеличиваются потери электроэнергии в аноде. Пористость массы зависит от: вида и качества исходного кокса, его гранулометрического состава, содержания и качества связующего, технологии обжига анода и пр. С уменьшением пористости повышается механическая прочность анода, что полезно до определенного предела, так как с увеличением механической прочности растет хрупкость анода, что влечет за собой образование трещин и сколов.

Разрушаемость анода состоит из суммы двух составляющих: окисляемости и осыпаемости. Окисляемость численно равна тому количеству углерода, которое расходуется при окислении анода углекислым газом (по реакции Будуара: С + СО₂ = 2СО). Чем меньше эта составляющая, тем меньше расход анода в процессе электролиза. Осыпаемость частиц кокса-наполнителя происходит в результате более высокой реакционной способности вторичного кокса из связующего, и чем он меньше, тем меньше расход анода.

Содержание влаги в массе не является браковочным показателем, а определяется для взаиморасчетов потребителей с поставщиками. Повышенная влажность может повлечь вспучивание анодной массы в процессе ее расплавления в аноде.

Прессованные обожженные аноды применяют при производстве алюминия. Они представляют собой призматические блоки (40 х 40 х 55 см), снабженные двумя ниппельными гнездами (углублениями) для заливки чугуном стальных ниппелей контактов, с помощью которых подводят электрический ток к телу анода.