Памяти Кулебакина Виктора Григорьевича докт. техн. наук, посвящается
Введение
При электролитическом способе получения алюминия происходит электрохимическое разложение глинозема, растворенного в криолитовом расплаве. Знание величины напряжения разложения Al2O3 очень важно, так как эта величина позволяет судить о коэффициенте использования энергии при электролизе [7]. В расход электроэнергии включаются затраты на нагрев и растворение глинозема, электрохимический процесс его разложения, нагрев и плавление криолита и фторида алюминия, потери в окружающую среду [8].
Высокая температура в электролизере – недостаток процесса, поэтому продолжается поиск новых способов повышения скорости растворения глинозема с одновременным снижением температуры [5, 9]. Первичный глинозем медленно растворяется в электролите, что приводит к образованию коржей, разрушению подины, снижению выхода по току и других технологических показателей. Если осадки и «коржи» занимают 45% площади подины, то это вызывает увеличение падения напряжения в катоде на 30 мВ, а при полном «закоржевании» подины этот показатель достигает 400 мВ [3]. Скорость растворения Al2O3 зависит от тепло- и массопереноса, которые зависят от структуры расплава, его состава, от степени упорядоченности решетки, структуры частиц, количества дислокаций в них.
Экономически приемлемо использовать способы улучшения свойств глинозема путем его механической активации (МА) [10, 11]. При воздействии на твердое тело МА изменяются свойства не отдельных молекул, а их совокупности, образующей кристалл. При этом реакционная способность твердых веществ зависит от их предыстории, способа получения, условий хранения и предварительной обработки. Установлено, что развитие химической реакции в твердой фазе происходит не только во времени, но и в пространстве, а процессы переноса в ней осуществляются посредством переноса дефектов, в первую очередь, точечных.
Достижение частицами активированного вещества размеров, соизмеримых с размерами элементарной ячейки, приводит к значительному изменению его физико-химических свойств, проявляющихся, например, в аморфизации кристаллической решетки, повышении растворимости, химической активности [2].
Разрушение, деформирование и трение твердых тел сопровождается переходом упругой (механической) энергии в другие ее виды: потенциальную, характеризующуюся нарушением межатомных связей, кинетическую, приводящую в движение атомы, возбуждающую электроны и приводящую вещество в ионизованное состояние [4].
Измельчение веществ в настоящее время рассматривается как процесс увеличения их поверхности и энергии Гиббса, то есть как химический, что приводит к смещению химических и фазовых равновесий. Изменение энергии осуществляется за счет фазовых переходов, аморфизации, локального повышения температуры в момент удара мелющих тел, образования различного вида дефектов [6].
Целью исследования было определение физико-механических свойств, гранулометрического состава, структуры частиц, скорости растворения глинозема Ачинского глиноземного комбината (АГК) и Николаевского глиноземного завода (НГЗ), сравнение этих свойств: первичного, а также после механоактивации в мельнице непрерывного действия АГО-9 и в мельнице периодического действия – планетарной – М-3.
Материалы и оборудование
Для проведения механической активации глинозема АГК использовали центробежную дисковую мельницу непрерывного действия – АГО-9 энерговооруженностью – 20 g, поскольку в обычных аппаратах эффекты активации незначительны. Мелющие тела имеют циркониевое покрытие для защиты глинозема от натира железа. Конструкция измельчителя активатора АГО-9 приведена в монографии [1]. Механоактивацию глинозема НГЗ проводили в планетарной мельнице М-3 [10, 11].
Методы измерений
Измерение физико-механических свойств глинозема проводили по стандартным методикам:
- Угол естественного откоса (УЕО) оценивали по методике, согласно ГОСТ 27802-93 (ИСО 902-76).
- Удельную поверхность (Sуд) измеряли методом низкотемпературной адсорбции газообразного азота на поверхности вещества на «Ареаметре-11»;
- Гранулометрический состав первичного глинозема АГК в двух параллельных определениях измеряли ситовым методом (механоактивированный продукт ситовым методом измерять из-за агрегации невозможно);
- Изменение поверхности и структуры частиц исследовали с помощью электронного микроскопа Carl Zeiss EVO 50. Взаимодействие электронов с объектом изменяется от точки к точке при изменении химического состава вещества или топографии поверхности. Растровый микроскоп позволяет изучить структуру объекта по формирующемуся контрасту. Различают два основных вида контраста: контраст, зависящий от химического состава, а именно от атомного номера элемента (Z фазовый контраст), и контраст от рельефа поверхности (топографический контраст). Контраст по химическому составу позволяет получить информацию по принадлежности изображения к присутствующим в структуре фазам.
Топографический контраст возникает вследствие того, что отражение электронов и вторичная электронная эмиссия зависят от угла падения пучка. Угол падения меняется в зависимости от рельефа поверхности, приводя к образованию контраста, связанного с неровностью поверхности или формой отдельных частиц. Вследствие большой глубины фокуса в растровом микроскопе возможно стереоскопическое изображение объекта.
В растровом микроскопе EVO 50 для реализации топографического контраста используется детектор вторичных электронов (SE – secondary electrons детектор).
- Снимки исходных и активированных фракций нефторированного и фторированного глиноземов выполняли на растровом электронном микроскопе «РЭМ-100У».
Результаты измерений
Результаты измерений показателей физико-механических свойств (ФМС) глиноземов представлены в табл. 1. Агрегация частиц показана на рис. 1. Tопографии частиц представлены на рис. 2, 3, 4. Результаты определения гранулометрического состава глиноземов различных заводов (первичных и вторичных) указаны в таблицах 2, 3 и на рис. 5. Tопография поверхности вторичного глинозема (после газоочистки) представлена на рис. 4.
Таблица 1
Исходные показатели глиноземов НГЗ и АГК марки Г00 до МА
|
Заводы |
Показатели |
|||
|
УЕО, град |
Насыпная плотность, г/см3 |
S уд, м2/г |
α-Al2O3, % |
|
|
АГК |
37,3 |
0,91 |
94 |
12,2 |
|
НГЗ |
32 |
1,1 |
69 |
2,2 |
Таблица 2
Гранулометрический состав первичного глинозема АГК (ситовой метод)
|
Грансостав в % (сертификат) |
+156 мкм |
+ 125 мкм |
- 45 мкм |
|
АГК Г00 |
12,08 |
23,10 |
22,90 |
Таблица 3
Результаты опытов по определению влияния продолжительности МА (τМА) глинозема НГЗ (навеска 200 г, мелющих тел 1000 г, режим сухой) на его гранулометрический состав (Микросайзер – 201 С)
|
τМА, мин |
Фракция, мкм |
||||||||||
|
<10
|
10-20 |
20-32 |
32-45 |
45-63 |
63-80 |
80-100 |
100-125 |
125-200 |
200-250 |
250-300 |
|
|
0 |
5,1 |
8,3 |
10,5 |
13,6 |
30,0 |
14,3 |
11,4 |
8,3 |
7,6 |
0,7 |
0,2 |
|
5 |
70,9 |
14,7 |
10,1 |
3,1 |
1,2 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
а
б
Рисунок 1. Микроструктура глинозема: а – исходного и б – активированного в М-3 в сухом режиме в воздушной среде в течение 10 с, × 3000.
а 
б 
Рисунок 2. Топография поверхности частиц глиноземов Г00 до механической активации:
а – АГК; б – НГЗ
а 
б 
Рисунок 3. Топография поверхности частиц глиноземов Г00 после механической активации:
а – АГК; б – НГЗ.
а 
б 
Рисунок 4. Топография поверхности частиц фторированного глинозема ГФ-НГЗ: а – до механической активации; б – после механической активации, х 1000
а 
б 
в 
г 
Рисунок 5. Распределение частиц глинозема АГК (а, б) и НГЗ (в, г) по размерам: а, в – до МА, б, г – после МА
Обсуждение результатов
По результатам исследования выявлено различие строения частиц глиноземов. Частицы первичного глинозема АГК представлены в форме пористых шаров разного диаметра. Частицы первичного глинозема НГЗ представлены в форме призм разного размера Площадь контакта шаров меньше, чем площадь контакта призм, этим можно объяснить различие индексов пыления первичных глиноземов АГК и НГЗ.
Гранулометрический состав изученных глиноземов, показанных на гистограммах, после МА изменяется в сторону мелких фракций, рисунок 5. Максимальное количество частиц размером 10-15 мкм – 50-70 %.
Химический состав глиноземов показывает наличие натира железа, что подтверждает необходимось защиты контактирующих поверхностей мельницы и частиц глиноземов покрытием корундовым или из карбида вольфрама.
После МА мелкие частицы глиноземов собраны в агрегаты, что показывает положительный эффект механоактивации – снижение пыления за счет агрегирования.
Для неактивированного глинозёма уменьшение размера частиц обычно приводит к уменьшению скорости растворения и текучести и к увеличению индекса пыления. Для механоактивированного глинозёма АГК и НГЗ уменьшение размера частиц привело к увеличению скорости растворения и снижению индекса пыления, что является положительным фактором и можно объяснить изменением внутренней энергии частиц после МА.
Выводы
- Форма и размер частиц оказывает существенное влияние на физико-механические свойства глиноземов.
- Гранулометрический состав глинозема после МА изменяется в сторону мелких фракций.
- После МА мелкие частицы глиноземов собраны в агрегаты, что показывает положительный эффект механоактивации – снижение пыления за счет агрегирования.
- Изменение формы и уменьшение размера частиц механоактивированного глинозёма привело к увеличению его реакционной способности, увеличению скорости растворения и снижению индекса пыления, что является положительным фактором, сказанное свидетельствует о высокой перспективности механической активации.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках государственного контракта от 01 июля 2013 г. № 14.516.11.0080.
Рецензенты:
Прошкин А.В., д.т.н., профессор, начальник ЛУФМ ООО «РУСАЛ ИТЦ», г. Красноярск.
Фёдоров В.А., д.х.н., профессор, зав. кафедрой «Неорганическая химия» Сибирского государственного технологического университета, г. Красноярск.
Библиографическая ссылка
Юшкова (Белоногова) О.В., Юшков В.В., Журавлева Е.Н., Антонов М.М., Орелкина Т.А., Пономарева С.В. ВЛИЯНИЕ МЕХАНОАКТИВАЦИИ НА ТОПОГРАФИЮ ПОВЕРХНОСТИ ЧАСТИЦ РАЗЛИЧНЫХ ГЛИНОЗЕМОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 1. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=11237 (дата обращения: 21.11.2024).