Цель - изучение возможности повышения электропроводимости катодных блоков, входящих в состав подины электролизеров производства алюминия, и процесса синтеза диборида титана низкотемпературным методом для его последующего использования в катодах. Для изучения фазовых переходов исходного и модифицированного TiO2, полученных в различных атмосферах (аргон, вакуум, воздух), использовали термогравиметрический метод анализа; для изучения состава изучаемых проб - рентгенофазовый метод. Модифицирование катодного блока осуществлялось через стадию подготовки навески углеграфитовой массы с добавкой низкотемпературного TiO2 до 15 масс. %. Измерение электропроводимости экспериментальных образцов катодных блоков проводилось на установке со статичным их закреплением с мультиметром Elitech ММ 300. Проведенные термодинамические расчеты реакций взаимодействия основных титан-, борсодержащих компонентов показали теоретическую возможность получения TiO2. Установлено, при температуре 1050°С и продолжительности синтеза 4 ч достигается выход порошка TiO2 97%. Получены лабораторные образцы катодных блоков, модифицированных низкотемпературным TiO2, при прокалке при температуре 1000-1500°С в течение 4 ч и последующей графитации (при 2200°С продолжительностью 24 ч). При сравнении электропроводимости модифицированных и традиционных катодных блоков установлено, что образцы с содержанием 12,5 масс. % TiO2 имеют на 35% меньше значение электропроводимости - 32 мкОм·м. На основе проведенных лабораторных исследований установлено, что максимальное извлечение в условиях низкотемпературного синтеза диборида титана - 97,5% - достигается при температуре 1050°С и продолжительности 180 мин в вакууме (0,101 МПа). На основе термодинамических расчетов и проведенных экспериментов предложена принципиальная технологическая схема низкотемпературного синтеза диборида титана. Оптимальное содержание TiO2 в катодном блоке для увеличения его электропроводимости варьируется от 7,5 до 12,5 масс. %. Внедрение низкотемпературного TiO2 в катодные блоки позволяет снизить энергопотребление электролизеров до 986 кВт∙ч/т, что составляет 7,5% экономии.
The present study is aimed at elucidating the possibility of increasing the electrical conductivity of cathode blocks, comprising the reduction cell bottom in aluminium production, as well as examining the process of low-temperature synthesis of titanium diboride for subsequent cathodic application. In order to study the phase transitions of the initial and modified TiO2 obtained in different atmospheres (argon, vacuum and air), the thermogravimetric analysis method was used in combination with the X-ray diffraction method for determining the composition of the samples under study. Modification of the cathode block was carried out through the stage of preparing a carbon-graphite sample with the addition of low-temperature TiO2 in amounts up to 15% wt. The electrical conductivity of the experimental cathode block samples was measured by an installation ensuring their static fixing with an Elitech MM 300 multimeter. The carried out thermodynamic calculations of the interaction reactions between the main titanium- and boron-containing components demonstrated the theoretical possibility of obtaining TiO2. At a temperature of 1050°C and a synthesis duration of 4 h, the yield of TiO2 powder equal to 97% was established to be achieved. Under calcination at 1000-1500°C for 4 h and subsequent graphitisation (at 2200°C for 24 h), laboratory samples of cathode blocks modified by low-temperature TiO2 were obtained. When comparing the electrical conductivity of the modified and traditional cathode blocks, the samples with a content of 12.5% wt. of TiO2 were established to have 35% less electrical conductivity (32 μΩ·m). On the basis of laboratory studies, the maximum extraction of 97.5% under the conditions of low-temperature titanium diboride synthesis was determined to be obtained at a temperature of 1050°C and a duration of 180 min in vacuum (0.101 MPa). On the basis of the thermodynamic calculations and conducted experiments, a principal technological scheme for the low-temperature synthesis of titanium diboride is proposed. The optimal content of TiO2 in the cathode block aimed at increasing its electrical conductivity varies from 7.5 to 12.5% wt. The introduction of low-temperature TiO2 into the cathode blocks leads to reduced energy consumption of reduction cells equal to 986 kWh/t or savings of 7.5%.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.