Анализ методов повышения устойчивости к окислению углеграфитовых изделий, используемых в металлургических и химических агрегатах

Цель – анализ и систематизация существующих методов повышения окислительной стойкости углеграфитовой продукции, а также оценка их применимости относительно металлургических и химических агрегатов. Обзор научных данных, описывающих механизм окисления углеграфитовых материалов, условий их применения в металлургических и химических процессах, а также существующих технологий по повышению окислительной стойкости искусственных графитов. Описаны существующие представления о кинетике окисления углеграфитов в зависимости от температурных режимов. Проведен обзор существующих технологий повышения окислительной стойкости материалов и их экономической эффективности с учетом условий их эксплуатации. Проанализированы перспективные варианты внедрения представленных решений для агрегатов металлургической и химической отраслей промышленности. Показано, что принципиально можно выделить три режима окисления графитированных материалов, которые определяются условиями эксплуатации, а также их химическими и физическими свойствами. С учетом этого может быть выбран наиболее рациональный метод повышения окислительной стойкости: пропитка с формированием защитного стеклообразного покрытия в объеме сквозных пор или при образовании покрытия – сплошного слоя на поверхности изделия за счет протекания химической реакции с используемыми реагентами. Для большинства металлургических и химических агрегатов более предпочтительной является пропитка углеграфитовых материалов с образованием боратных и фосфатных стекол, что обусловлено, в первую очередь, более низкими экономическими издержками. Применимость данного метода в настоящее время ограничивается температурными режимами, при которых сохраняются защитные свойства и сплошность сформированных стеклообразных покрытий. Поэтому для адаптации известных технологических и технических решений в этой области к высокотемпературным условиям металлургических агрегатов (свыше 800°С) необходимо добавить проведение дополнительных исследований.

1. Fan Ling, Ma Ruifang, Zhang Qingfeng, Jia Xinxin, Lu Bingan. Graphite anode for a potassium ion battery with unprecedented performance // Angewandte Chemie International Edition. 2019. Vol. 58. Iss. 31. P. 10500–10505. https://doi.org/10.1002/anie.201904258

2. Bazhin V.Yu., Saitov A.V. Improvement of physical and performance characteristics of carbon graphite lining by lithium additives // Refractories and Industrial Ceramics. 2018. Vol. 59. No. 1. P. 48–53. https://doi.org/10.1007/s11148-018-0181-9

3. Nemchinova N.V., Yakushevich P.А., Yakovleva A.А., Gavrilenko L.V. Experiment for use of Bratsk aluminium plant technogenic waste as a reducing agent during cast iron smelting // Metallurgist. 2018. Vol. 62. Iss.1-2. P. 150–155. https://doi.org/10.1007/s11015-018-0637-7

4. Якушевич П.А., Немчинова Н.В., Гавриленко Л.В. Изучение технологических параметров получения углеродсодержащего продукта из техногенного сырья ОАО «РУСАЛ Братск» // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. № 8. С. 161–168. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2016-8-161-168

5. Сизяков В.М., Дубовиков О.А., Рис А.Д., Сундуров А.В. Роль термической активации при получении глинозема из низкокачественных бокситов // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2019. Т. 23. № 5. С. 1032–1041. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2019-5-1032-1041

6. Theodosiou A., Jones A.N., Burton D., Powell M., Rogers M., Livesey V.B. The complete oxidation of nuclear graphite waste via thermal treatment: an alternative to geological disposal // Journal of Nuclear Materials. 2018. Vol. 507. P. 208–217. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2018.05.002

7. Theodosiou A., Jones A.N., Marsden B.J. Thermal oxidation of nuclear graphite: a large scale waste treatment option // Plos one. 2017. Vol. 12. No. 8. P. 0182860. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0182860

8. Paul R.M. Application of a three-dimensional random pore model for thermal oxidation of synthetic graphite // Journal of Nuclear Materials. 2020. Vol. 543. P. 152589. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2020.152589

9. Muzyka R., Kwoka M., Smędowski Ł., Díez N., Gryglewicz G. Oxidation of graphite by different modified Hummers methods // New Carbon Materials. 2017. Vol. 32. Iss. 1. P. 15–20. https://doi.org/10.1016/S1872-5805(17)60102-1

10. Smith R.E., Kane J.J., Windes W.E. Determining the acute oxidation behavior of several nuclear graphite grades // Journal of Nuclear Materials. 2021. Vol. 545. P. 152648. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2020.152648

11. Kondrasheva N.K., Eremeeva A.M., Nelkenbaum K.S., Baulin O.A., Dubovikov O.A. Development of environmentally friendly diesel fuel // Petroleum Science and Technology. 2019. Vol. 37. No. 12. P. 1478–1484. https://doi.org/10.1080/10916466.2019.1594285

12. Li Chang, Chen Xi, Shen Liming, Bao Ningzhong. Revisiting the oxidation of graphite: reaction mechanism, chemical stability, and structure self-regulation // ACS omega. 2020. Vol. 5. No. 7. P. 3397–3404. https://doi.org/10.1021/acsomega.9b03633

13. Sk kalov V., Kotrusz P., ergel M., Susi T., Mittelerger A., Vreten r V. et al. Chemical oxidation of graphite: evolution of the structure and properties // The Journal of Physical Chemistry C. 2018. Vol. 122. No. 1. P. 929–935. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b10912

14. Bystrov M.V., Yachikov I.M., Portnova I.V. Modelling of the thermal state and the melting loss of a graphite electrode in the conditions of the evaporative cooling in the arc furnace // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2020. Vol. 966. No. 1. P. 012019. https://doi.org/10.1088/1757-899X/966/1/012019

15. Behboudi F., Kakroudi M.G., Vafa N.P., Faraji M., Milani S.S. Molten salt synthesis of in-situ TiC coating on graphite flakes //Ceramics International. 2021. Vol. 47. Iss. 6. P. 8161–8168. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.11.172

16. Konno H., Kinomura T., Habazaki H., Aramata M. Formation of oxidation resistant graphite flakes by ultrathin silicone coating // Surface and Coatings Technology. 2005. Vol. 194. Iss. 1. P. 24–30. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2004.04.079

17. Пат. № 2685654, Российская Федерация, C01B 32/21, C01B 32/956, C04B 35/532, C04B 35/565. Способ изготовления изделий из мелкозернистого силицированного графита / В.М. Бушуев, М.В. Бушуев; заявитель и патентообладатель Акционерное общество «Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов». Заявл. 10.01.2018; опубл. 22.04.2019. Бюл. № 12.

18. Пат. № 2685675, Российская Федерация, C01B 32/21, C01B 32/956, C04B 35/565, C04B 35/532. Способ изготовления изделий из ультрамелкозернистого силицированного графита / В.М. Бушуев, М.В. Бушуев; заявитель и патентообладатель Акционерное общество «Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов». Заявл. 20.12.2017; опубл. 22.04.2019. Бюл. № 12.

19. Fujii K., Nakano J., Shindo M. Improvement of the oxidation resistance of a graphite material by compositionally gradient SiC/C layer // Journal of Nuclear Materials. 1993. Vol. 203. Iss. 1. P. 10–16. https://doi.org/10.1016/0022-3115(93)90424-W

20. Zhu Qingshan, Qiu Xueliang, Ma Changwen. Oxidation resistant SiC coating for graphite materials // Carbon. 1999. Vol. 37. Iss. 9. P. 1475–1484. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(99)00010-X

21. Wang Peipei, Li Hejun, Ren Xuanru, Yuan Ruimei, Hou Xianghui, Zhang Yulei. HfB2 -SiC-MoSi 2 oxidation resistance coating fabricated through in-situ synthesis for SiC coated C/C composites // Journal of Alloys and Compounds. 2017. Vol. 722. P. 69–76. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.06.008

22. Dezellus O., Jacques S., Hodaj F., Eustathopoulos N. Wetting and infiltration of carbon by liquid silicon // Journal of Materials Science. 2005. Vol. 40. No. 9-10. P. 2307-2311. https://doi.org/10.1007/s10853-005-1950-7

23. Shikunov S.L., Kurlov V.N. SiC-based composite materials obtained by siliconizing carbon matrices // Technical Physics. 2017. Vol. 62. No. 12. P. 1869–1876. https://doi.org/10.1134/S1063784217120222

24. Savchenko D.V., Serdan A.A., Morozov V.A., Van Tendeloo G., Ionov S.G. Improvement of the oxidation stability and the mechanical properties of flexible graphite foil by boron oxide impregnation // New Carbon Materials. 2012. Vol. 27. Iss. 1. С. 12–18. https://doi.org/10.1016/S1872-5805(12)60001-8

25. Бубненков И.А., Кошелев Ю.И., Орехов Т.В., Сорокин О.Ю. Разработка мелкозернистого силицированного графита с улучшенными свойствами // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2012. Т. 55. № 6. С. 12–16.

26. Ершов А.Е., Шикунов С.Л., Курлов В.Н. Метод расчета фазового состава SiC-Si-C-материалов, получаемых силицированием углеродных матриц // Журнал технической физики. 2017. Т. 87. Вып. 6. С. 888–895. https://doi.org/10.21883/JTF.2017.06.44512.1913

27. Кошелев Ю.И., Бубенков И.А., Швецов А.А., Бардин Н.Г., Сорокин О.Ю., Макаров Н.А. Силицированный графит: физико-химические основы получения и перспективы развития. Часть 3. Влияние тепловых эффектов и примесных элементов в кремнии и углеродном материале на процесс силицирования // Техника и технология силикатов. 2017. Т. 24. № 3. С. 11–15.

28. Chunhe Tang, Jie Guan. Improvement in oxidation resistance of the nuclear graphite by reaction-coated SiC coating // Journal of Nuclear Materials. 1995. Vol. 224. Iss 1. P. 103–108. https://doi.org/10.1016/0022-3115(95)00031-3

29. Пат. № 2392250, Российская Федерация, C04 35/577, C04B 35/80. Керамический композиционный материал / Д.В. Гращенков, Н.В. Исаева, С.С. Солнцев, Г.В. Ермакова; заявитель и патентообладатель Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России). Заявл. 29.04.2009; опубл. 20.06.2010. Бюл. № 17.

30. Patent no. 6632762, The United States of America, Int. Cl. C04B 35/565. Oxidation resistant coating for carbon / I.G. Talmy, K.J. Ashkenazi; The United States of America as represented by the Secretary of the Navy. No. 09/987,493. Filed 15.11.2001; publ. 14.10.2003.

31. Patent no. 20100310860, The United States of America. Int. Cl. B32B 9/00, C23C I6/32, C23C I6/34. Synthetic method for anti-oxidation ceramic coatings on graphite substrates / J.U. Jung, S.W. Myoung, J.H. Kang, Kim Jeong-Pyo; Changwon National University Industry Academy Cooperation Corps. No. 12/745,276. Filed 28.02.2008; publ. 28.05.2010.

32. Ren Yan, Qian Yuhai, Xu Yuhai, Zuo Jun, Li Meishuan. Ultra-high temperature oxidation resistance of ZrB2 -20SiC coating with TaSi 2 addition on siliconized graphite // Ceramics International. 2019. Vol. 45. Iss. 12. P. 15366–15374. http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.05.030

33. Ren Yan, Qian Yuhai, Xu Jingjun, Jiang Yan, Zuo Jun, Li Meishuan. Oxidation and cracking/spallation resistance of coating on siliconized graphite at 1500°C in air // Ceramics International. 2020. Vol. 46. Iss. 5. P. 6254–6261. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.11.095ZrB2–SiC–TaSi2–Si

34. Liu Cheng-Lin, Zhao Qian-Wen, Sun Ze, Lu Gui-Min, Yu Jian-Guo. Analysis of magnesium droplets characteristics and separation performance in a magnesium electrolysis cell based on multiphysical modeling // Arabian Journal for Science and Engineering. 2018. Vol. 43. No. 11. P. 5965–5976. https://doi.org/10.1007/s13369-018-3148-8

35. Haarberg G.M. Trends and challenges for electrowinning of aluminium and magnesium from molten salt electrolytes // TMS. 149th Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings. 2020. Cham: Springer, 2020. Р. 1911–1922. https://doi.org/10.1007/978-3-030-36296-6_176

36. Gorlanov E.S. On the question of using solid electrodes in the electrolysis of cryolite-alumina melts. Part 1. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2020. Vol. 24. No. 6. Р. 1324–1336. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-6-00-00

37. Lin Yingfei, Liu Tianlong, Wang Juan, Lu Jianning, Dong Xiaorong, Feng Xiaowei. Fabrication and oxidation resistance behavior of phosphate/borate impregnation for graphite // Surface and Coatings Technology. 2020. Vol. 389. P. 125632. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125632

38. Zeng Guisheng, Xie Gang, Yang Dajin, Wang Dajian, Zhang Xiongfei. Oxidation resistivity of boride coating of graphite anode sample // Materials Chemistry and Physics. 2006. Vol. 95. Iss. 1. P. 183–187. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2005.05.053

39. McKee D.W. Borate treatment of carbon fibers and carbon/carbon composites for improved oxidation resistance // Carbon. 1986. Vol. 24. Iss. 6. P. 737–741. https://doi.org/10.1016/0008-6223(86)90183-1

40. Фещенко Р.Ю., Еремин Р.Н., Ерохина О.О., Дыдин В.М. Повышение окислительной стойкости графитированных блоков для электролитического производства магния методом пропитки фосфатными растворами. Часть 1 // Цветные металлы. 2020. № 10. С. 49–55. https://doi.org/10.17580/tsm.2020.10.07

41. De Tomas C., Suarez-Martinez I., Vallejos-Burgos F., Lopez M.J., Kaneko K., Marks N.A. Structural prediction of graphitization and porosity in carbide-derived carbons // Carbon. 2017. Vol. 119. P. 1–9. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.04.004

42. Li Kejiang, Zhang Hang, Li Guangyue, Zhang Jianliang, Bouhadja M., Liu Zhengjian, et al. ReaxFF molecular dynamics simulation for the graphitization of amorphous carbon: a parametric study // Journal of Chemical Theory and Computation. 2018. Vol. 14. No. 5. P. 2322-2331. https://doi.org/10.1021/acs.jctc.7b01296