ГОСТ Р ИСО 12989-2-2017 Материалы углеродные для производства алюминия. Обожженные аноды и боковые блоки. Определение реакционной способности на воздухе. Часть 2. Термогравиметрический метод.

ГОСТ Р ИСО 12989-2-2017

 НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 МАТЕРИАЛЫ УГЛЕРОДНЫЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ

 Обожженные аноды и боковые блоки. Определение реакционной способности на воздухе

 Часть 2

 Термогравиметрический метод

 Carbonaceous materials used in the production of aluminium. Baked anodes and sidewall blocks. Determination of the reactivity to air. Part 2. Thermogravimetric method

ОКС 71.100.10

Дата введения 2018-08-01

 Предисловие

1 ПОДГОТОВЛЕН Открытым акционерным обществом "Уральский электродный институт" (ОАО "Уралэлектродин") на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии стандарта, указанного в пункте 4

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 109 "Электродная продукция"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ

Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 16 августа 2017 г. N 902-ст

4 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту ИСО 12989-2:2004* "Материалы углеродные для производства алюминия. Обожженные аноды и боковые блоки. Определение реакционной способности на воздухе. Часть 2. Термогравиметрический метод" (ISO 12989-2:2004 "Carbonaceous materials used in the production of aluminium - Baked anodes and sidewall blocks - Determination of the reactivity to air - Part 2: Thermogravimetric method", IDT).

Международный стандарт ИСО 12989-2 был подготовлен Техническим комитетом ISO/TC 47 "Химия", подкомитетом SC 7 "Оксид алюминия, криолит, алюминия фторид, натрия фторид, углеродные изделия для алюминиевой промышленности"

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

6 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Апрель 2019 г.

Правила применения настоящего стандарта установлены в

статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации ". Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

 Введение

Сравнение углеродных материалов по реакционной способности на воздухе важно при выборе сырья для производства электродов и используется для прогнозирования их поведения при эксплуатации в алюминиевых электролизерах при производстве алюминия.

Углеродные материалы при повышенных температурах реагируют с кислородом воздуха, что приводит к нежелательным потерям, которые должны быть сведены к минимуму во многих промышленных процессах.

Реакционную способность углеродных материалов на воздухе изучают в исследовательских целях по повышению эффективности работы электролизеров.

Указания по отбору проб находятся в стадии разработки.

ИСО 12989 состоит из двух частей под общим названием "Углеродные материалы для производства алюминия. Обожженные аноды и боковые блоки. Определение реакционной способности на воздухе":

- часть 1. Метод потери массы;

- часть 2. Термогравиметрический метод. Эта часть ИСО 12989 основана на АСТМ Д 6559-00.

Предупреждение - Настоящий стандарт включает использование опасных материалов, операций и оборудования. В настоящем стандарте не предусмотрены все меры для безопасности работы, связанные с его использованием. Пользователи стандарта до начала работы должны установить требования безопасности и охраны здоровья, предусмотренные соответствующими нормативными документами и утвержденные в установленном порядке.

      1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на обожженные аноды и боковые блоки, используемые в производстве алюминия и позволяет с помощью термогравиметрического анализа (ТГА) определять реакционную способность на воздухе и осыпаемость углеродных электродов, используемых для производства алюминия. Для этих целей могут быть использованы многие виды оборудования при различных термических условиях. Настоящий метод стандартизирует размеры образца, скорость реакции, температуру и обеспечивает математический метод корреляции результатов, полученных на разных типах оборудования.

      2 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

2.1

осыпаемость на воздухе;

(air dusting rate): Скорость отделения от образца во время анализа образовавшихся при взаимодействии кислорода воздуха с углеродом электродов свободных частиц углерода.

Примечание - Осыпаемость на воздухе выражается в миллиграммах на квадратный сантиметр в час.

2.2

конечная реакционная способность на воздухе;

(final air reactivity): Скорость уменьшения массы образца при взаимодействии кислорода воздуха с углеродом электродов в течение заключительных 30 мин подачи воздуха в реакционную камеру, деленная на начальную площадь поверхности образца, имеющего форму цилиндра.

Примечание - Конечная реакционная способность на воздухе выражается в миллиграммах на квадратный сантиметр в час.

2.3

начальная реакционная способность на воздухе,

(initial air reactivity): Скорость уменьшения массы образца при взаимодействии кислорода воздуха с углеродом электродов в течение первых 30 мин подачи воздуха в реакционную камеру, деленная на начальную площадь поверхности образца, имеющего форму цилиндра.

Примечание - Начальная реакционная способность на воздухе выражается в миллиграммах на квадратный сантиметр в час.

2.4

общая реакционная способность на воздухе,

(total air reactivity): Скорость уменьшения массы образца при взаимодействии кислорода воздуха с углеродом электродов (включая осыпаемость) в течение всего времени подачи воздуха в реакционную камеру (180 мин), деленная на начальную площадь поверхности образца, имеющего форму цилиндра.

Примечание - Общая реакционная способность на воздухе выражается в миллиграммах на квадратный сантиметр в час.

      3 Сущность метода

Метод основан на определении потери массы цилиндрического образца, который нагревают в изотермических условиях в течение определенного времени, пропуская с постоянной скоростью воздух вокруг цилиндрического образца. Реакционную способность на воздухе определяют путем постоянного контроля за потерей массы образца. Осыпаемость на воздухе определяют путем сбора и контроля массы частиц углерода, которые отпадают от образца во время реакции в результате селективного окисления связующего в образце.

      4 Аппаратура

4.1 Для определения реакционной способности обожженных образцов на воздухе могут быть использованы многие виды стандартного оборудования, в том числе и достаточно простые. Главным критерием является соблюдение условий проведения термогравиметрического метода, описанных далее. Схема типичной установки для определения реакционной способности обожженных образцов на воздухе термогравиметрическим методом представлена на

рисунке 1 .

4.2 Печь и контроллер температуры, обеспечивающие однородное распределение температуры в пределах ±2°С в реакционной зоне длиной 100 мм, в которой по центру расположен испытуемый образец.

Печь содержит нагревательные элементы, расположенные в трех зонах, и связанные с ними элементы управления. Могут быть использованы нагреватели в виде обмотки или в виде стержней.

Термопару для контроля температуры располагают в реакционной зоне вблизи поверхности образца. Это позволяет контроллеру печи компенсировать экзотермические реакции взаимодействия углерода с кислородом воздуха. Контрольную термопару устанавливают на расстоянии (4±1) мм от боковой поверхности образца и в пределах 5 мм по вертикали от центра реакционной зоны. Печь должна быть достаточных размеров, чтобы вместить реакционную камеру.

4.3 Реакционная камера, состоящая из вертикальной трубки, изготовлена из материалов, способных выдерживать рабочие температуры проведения анализа и с достаточно большим внутренним диаметром, чтобы разместить образец и устройство подвески образца, не влияя при этом на поток газа мимо образца. Рекомендуемый внутренний диаметр (100±25) мм.

Реакционная камера снабжена съемной емкостью для сбора частиц, падающих с образца во время испытания. Наиболее распространенные материалы - кварц и инконель

.

________________

Инконель представляет собой пример подходящего продукта, имеющийся в продаже. Эта информация приведена для удобства пользователей настоящего стандарта и не означает одобрения со стороны ИСО данной продукции.

4.4 Устройство подвесного крепления образца, изготовленное из материалов, способных многократно выдерживать рабочие температуры проведения анализа. Устройство не должно изменять массу в процессе испытания, влиять на структуру потока газа мимо образца, ограничивать доступ газа к поверхности испытываемого образца и не должно препятствовать сбору частиц, падающих с образца во время испытания. Типичное устройство подвесного крепления образца представлено на

рисунке 2 .

4.5 Камера подогрева газа перед входом в реакционную камеру. Длина и диаметр трубки могут отличаться. Должно быть обеспечено движение газового потока в реакционную камеру для предотвращения закупорки камеры предварительного подогрева частицами, падающими с образца во время испытания.

4.6 Весы точностью до 0,01 г, предел взвешивания 200 г, обеспечивающие взвешивание образца и устройства его подвесного крепления непрерывно в течение всего периода испытания.

4.7 Расходомер газа, обеспечивающий измерение расхода газа на входе в реакционную камеру.

Скорости потока газа устанавливаются для конкретного испытательного оборудования.

1 - весы; 2 - отвод газов (отверстие диаметром 10 мм); 3 - трехзонная печь; 4 - устройства подвесного крепления образца; 5 - реакционная камера; 6 - образец; 7 - контрольная термопара; 8 - камера подогрева газа; 9 - емкость для сбора частиц, падающих с образца; 10 - подача газа; 11 - подача воздуха; 12 - подача азота; 13 - редукционный клапан; 14 - вентиль точной регулировки; 15 - расходомер

Рисунок 1 - Схема типичной установки для определения реакционной способности термогравиметрическим методом

4.8 Вентиль точной регулировки расхода газа.

4.9 Редукционный клапан, обеспечивающий снижение давления сжатого газа до почти атмосферного перед поступлением в расходомер.

4.10 Термопары, расположенные в начале, середине и конце реакционной камеры для калибровки зоны печи. Дополнительная термопара может быть использована для контроля температуры реакции.

Для оценки результатов анализа имеет значение непрерывное измерение температуры в центральной части реакционной камеры.

4.11 Штангенциркуль или другое устройство для измерения диаметра и высоты образца с точностью ±0,01 мм для расчета площади поверхности образца, подвергающейся воздействию используемого газа.

4.12 Дополнительное оборудование, в т.ч. устройства автоматического управления, многоканальные линии, персональные компьютеры для автоматизации регистрации, обработки, представления и хранения данных.

1

- верхняя часть подвесного крепления образца (нихром

);

2

- нижняя часть подвесного крепления образца (платина, диаметр 1 мм);

3

- образец;

4

- шарик из нержавеющей стали

________________

Нихром представляет собой пример подходящего продукта, имеющийся в продаже. Эта информация приведена для удобства пользователей настоящего стандарта и не означает одобрения со стороны ИСО данной продукции.

Рисунок 2 - Типичное устройство подвесного крепления образца

      5 Реактивы

В ходе анализа используют реактивы аналитической чистоты, если не указано иное.

5.1 Азот, концентрация по массе 99,95%.

5.2 Воздух, содержание влаги менее 0,1% по массе.

      6 Отбор образцов

6.1 Образцы для испытаний отбирают высверливанием или отпиливанием. Изготавливают образец высотой (50±1,0) мм и диаметром (50±1,0) мм.

Просверливают по центру отверстие диаметром 3 мм для провода устройства подвесного крепления образца (4.4). Поверхность готового образца должна быть гладкой и без заметных трещин и выбоин.

Могут быть использованы планы отбора проб для анодов и катодных блоков по АСТМ Д 6353 и АСТМ Д 6354.

6.2 Высушивают образцы при (105±5)°С до постоянной массы.

6.3 Обдувают готовый образец сухим воздухом для удаления углеродной пыли, образующейся при изготовлении образца.

      7 Калибровка

7.1 Цель этой процедуры - установить связь между контроллером настройки трехзонной печи и фактической температурой внутри реакционной камеры в области образца. Длина калиброванной зоны должна составлять 100 мм.

7.2 Устанавливают термопару (4.10) в зону расположения образца. Совмещают термопару и калибровочный датчик с центром образца.

7.3 Подсоединяют термопару (4.10) к главному контроллеру. Устанавливают температуру, равную 525°С.

7.4 Устанавливают две другие термопары. Для определения фактического температурного профиля необходима запись температуры.

7.5 Включают нагрев печи и подачу азота, нагрев ведут 4 ч, чтобы достичь равновесия в атмосфере азота (при скорости газового потока в соответствии с 7.7).

7.6 Ведут нагрев, пока температура всех трех баз не будет находиться в пределах ±2°С.

7.7 Для образца диаметром 50 мм и реакционной камеры с внутренним диаметром 100 мм расход газа для стандартного анализа устанавливают (250±5) л/ч (при температуре окружающей среды). На значение реакционной способности влияют скорость газа и химические реакции на поверхности образца во время испытания. Расход газа должен обеспечить постоянную скорость через кольцевое пространство между образцом и стенками для различных размеров реакционных камер. Расход для других размеров кольцевого пространства определяют путем умножения исходной скорости потока (250 л/ч) на величину соотношения площадей кольцевых зон в соответствии с формулами:

,                                                            (1)

где

- соотношение площадей кольцевых зон;

- внутренний диаметр испытательной реакционной камеры;

- внутренний диаметр стандартной реакционной камеры;

- наружный диаметр испытуемого образца;

- наружный диаметр стандартного образца.

,                                                           (2)

где

- объемный расход в испытательной камере, л/час;

- объемный расход в стандартной реакционной камере, л/час;

- соотношение площадей кольцевых зон.

Пример - Объемный расход

в испытательной камере с использованием опытного образца диаметром 50,8 мм в реакционной камере с внутренним диаметром 75 мм рассчитывают следующим образом:

,

где

- 75 мм;

- 100 мм;

- 50,8 мм;

- 50 мм.

,

где

- объемный расход в испытательной камере, 102 л/час;

- объемный расход в стандартной реакционной камере, 250 л/час;

- соотношение площадей кольцевых зон, 0,406.

      8 Проведение анализа

8.1 Разогревают реакционную камеру до (525±2)°С.

8.2 Продувают реакционную камеру азотом при скорости потока в соответствии с 7.7.

8.3 Взвешивают образец с точностью до 0,01 г.

8.4 Измеряют диаметр (

), высоту образца (

) и диаметр центрального отверстия (

) с точностью ±0,01 мм для расчета площади поверхности в соответствии с формулой (3) в 9.1.

8.5 Помещают образец в устройство подвесного крепления, размещают в реакционной камере и соединяют с весами.

8.6 Производят предварительный нагрев образца в среде азота в течение 30 мин.

8.7 Обеспечивают взвешивание образца в соответствии с инструкциями предприятия-изготовителя.

8.8 После 30 мин подачи азота в реакционную камеру включают подачу в реакционную камеру воздуха (вместо азота) и устанавливают расход в соответствии с 7.7.

8.9 Обеспечивают запись массы пробы каждую минуту в течение всего периода испытания. Продолжительность испытания на определение реакционной способности на воздухе 3 ч (180 мин).

8.10 Извлекают образец из реакционной камеры, избегая ударов образца о стенки камеры, что может привести к откалыванию частиц.

8.11 Извлекают образовавшиеся свободные частицы из емкости для сбора частиц реакционной камеры и быстро помещают в эксикатор.

8.12 Взвешивают образовавшиеся свободные частицы.

      9 Обработка результатов

      9.1 Расчет площади открытой поверхности образца

Общую площадь поверхности образца вычисляют путем добавления к боковой поверхности удвоенной площади основания и площади поверхности центрального отверстия минус площадь основания центрального отверстия в соответствии с уравнением:

,                                           (3)

где

- общая площадь поверхности образца, см

;

- диаметр образца, мм;

- диаметр центрального отверстия, мм;

- высота образца, мм.

      9.2 Расчет общей реакционной способности на воздухе

Общую реакционную способность на воздухе

, мг/(см

·ч), вычисляют по формуле

.                                                         (4)

      9.3 Расчет начальной реакционной способности на воздухе

Начальную реакционную способность на воздухе

, мг/(см

·ч), вычисляют по формуле

,                                                         (5)

где

- начальная масса образца, г;

- масса образца после 30 мин испытания, г.

      9.4 Расчет конечной реакционной способности на воздухе

Конечную реакционную способность на воздухе

, мг/(см

·ч), вычисляют по формуле:

,                                                       (6)

где

- масса образца после 150 мин испытания, г;

- конечная масса образца, г.

      9.5 Расчет осыпаемости на воздухе

Осыпаемость на воздухе

, мг/(см

·ч), вычисляют по формуле

,                                                               (7)

где

- осыпаемость на воздухе в течение 3 ч испытания, мг/(см

·ч);

- масса образовавшихся свободных частиц, г.

      10 Прецизионность и погрешность

      10.1 Прецизионность

Приведенные данные по повторяемости и воспроизводимости были определены в ходе межлабораторных сравнительных исследований в соответствии с АСТМ Е 691, в которых приняло участие шесть лабораторий и исследовалось девять материалов (семь анодов и два катода). Линейный характер зависимости показал, что значения показателей точности зависят от полученных значений реакционной способности на воздухе исследованных материалов. На основании этих исследований критерии, приведенные в 10.2 и 10.3, используют для оценки достоверности результатов с 95%-ной вероятностью.

      10.2 Повторяемость

10.2.1 Повторяемость, пределы

Значения реакционной способности на воздухе, выраженные в мг/(см

·ч), полученные одним и тем же оператором в одной и той же лаборатории, считаются достоверными, если полученные значения отличаются не более чем на значение

, которое определяют с использованием приведенных ниже уравнений.

10.2.2 Общая реакционная способность

Повторяемость общей реакционной способности на воздухе

, вычисляют по уравнению

,

где

- среднее значение двух результатов общей реакционной способности на воздухе.

Применимо для значений общей реакционной способности на воздухе в диапазоне от 13 до 62 мг/(см

·ч).

10.2.3 Начальная реакционная способность

Повторяемость начальной реакционной способности на воздухе

вычисляют по уравнению

,

где

- среднее значение двух результатов начальной реакционной способности на воздухе.

Применимо для значений начальной реакционной способности на воздухе в диапазоне от 4 до 16 мг/(см

·ч).

10.2.4 Конечная реакционная способность

Повторяемость конечной реакционной способности на воздухе

вычисляют по уравнению

,

где

- среднее значение двух результатов конечной реакционной способности на воздухе.

Применимо для значений конечной реакционной способности на воздухе в диапазоне от 21 до 89 мг/(см

·ч).

10.2.5 Осыпаемость

Повторяемость осыпаемости на воздухе

вычисляют по уравнению

,

где

- среднее значение двух результатов осыпаемости на воздухе.

Применимо для значений осыпаемости на воздухе в диапазоне от 0 до 2,5 мг/(см

·ч).

      10.3 Воспроизводимость, пределы

10.3.1 Общее положение

Значения реакционной способности на воздухе, выраженные в мг/(см

·ч), полученные в двух лабораториях, считаются достоверными, если полученные значения отличаются не более чем на значение

, которое определяют с использованием приведенных ниже уравнений.

10.3.2 Общая реакционная способность

Воспроизводимость общей реакционной способности на воздухе

вычисляют по уравнению

,

где

 - среднее значение двух результатов общей реакционной способности на воздухе.

Применимо для значений общей реакционной способности на воздухе в диапазоне от 13 до 62 мг/(см

·ч).

10.3.3 Начальная реакционная способность

Воспроизводимость начальной реакционной способности на воздухе

вычисляют по уравнению

,

где

- среднее значение двух результатов начальной реакционной способности на воздухе.

Применимо для значений начальной реакционной способности на воздухе в диапазоне от 4 до 16 мг/(см

·ч).

10.3.4 Конечная реакционная способность

Воспроизводимость конечной реакционной способности на воздухе

вычисляют по уравнению

,

где

- среднее значение двух результатов конечной реакционной способности на воздухе.

Применимо для значений конечной реакционной способности на воздухе в диапазоне от 21 до 89 мг/(см

·ч).

10.3.5 Осыпаемость

Воспроизводимость осыпаемости на воздухе

вычисляют по уравнению

,

где

- среднее значение двух результатов осыпаемости на воздухе.

Применимо для значений осыпаемости на воздухе в диапазоне от 0 до 2,5 мг/(см

·ч).

      10.4 Погрешность

Погрешность измерения, являющаяся характеристикой точности измерения реакционной способности на воздухе, в рамках настоящего стандарта оценена в ходе межлабораторных сравнительных исследований, описанных выше.

      11 Протокол испытаний

Протокол испытаний должен включать следующую информацию:

a) все детали, необходимые для идентификации пробы;

b) ссылку на настоящий стандарт;

c) дату испытаний;

d) результаты в соответствующем выражении, с округлением до 0,1 мг/(см

·ч);

e) особенности, отмеченные в ходе определения;

f) любые операции, не включенные в настоящий стандарт.

 Библиография