1. Vorheizphase bei niedriger Temperatur (Raumtemperatur bis 350℃)
Sobald die tatsächliche Heiztemperatur des Grünlings 100 bis 230 °C erreicht, beginnt er zu erweichen. Die inneren Spannungen bauen sich ab, das Volumen dehnt sich leicht aus, es werden jedoch nur geringe Mengen flüchtiger Bestandteile freigesetzt. Der Grünling befindet sich nun im plastischen Stadium. In dieser Phase dient er hauptsächlich der Vorwärmung des Kohlenstoffblocks. Aufgrund der Temperatur- und Druckunterschiede im Grünling wandern, diffundieren und fließen einige der leichteren Asphaltbestandteile. Mit weiter steigender Temperatur auf 230–400 °C beschleunigt sich die Asphaltzersetzung. Insbesondere im Temperaturbereich von 350–400 °C zersetzt sich der Asphalt explosionsartig, wobei große Mengen flüchtiger Bestandteile freigesetzt werden. In dieser Phase muss die Heizrate kontrolliert werden, um einen plötzlichen Temperaturanstieg und damit verbundene innere Spannungskonzentrationen zu vermeiden und gleichzeitig eine zu schnelle Freisetzung flüchtiger Bestandteile und damit verbundene Risse im Kohlenstoffblock zu verhindern.
2. Verkokungsphase bei mittlerer Temperatur (350℃ bis 800℃)
Steigt die tatsächliche Heiztemperatur des Grünlings auf 400–550 °C, verlangsamt sich die Zersetzungs- und Verflüchtigungsrate des Asphalts und es tritt eine Phase ein, die von der Polykondensationsreaktion dominiert wird. Bei hohen Temperaturen unterliegt der Asphalt einer thermischen Zersetzung und Polykondensation, wobei Halbkoks entsteht. Die Menge der freigesetzten flüchtigen Bestandteile nimmt ab, und das Volumen des Grünlings ändert sich von Ausdehnung zu Kontraktion. Erreicht die tatsächliche Heiztemperatur des Grünlings 500–700 °C, wandelt sich der aus dem Asphalt gebildete Halbkoks weiter in Bindemittelkoks (Asphaltkoks) um. Die durch die Asphaltzersetzung freigesetzten flüchtigen Bestandteile nehmen weiter ab, und der Kohlenstoffgrünling schrumpft weiter. Nun ist das Asphaltbindemittel vollständig in Bindemittelkoks umgewandelt, und die Wärmeleitfähigkeit des Kohlenstoffgrünlings hat zugenommen. Diese Phase ist entscheidend für die Röstqualität. Das Bindemittel durchläuft eine Vielzahl komplexer Zersetzungs-, Polymerisations-, Cyclisierungs- und Aromatisierungsreaktionen. Die Zersetzung des Bindemittels und die Repolymerisation der Zersetzungsprodukte erfolgen gleichzeitig und bilden eine Zwischenphase. Das Wachstum dieser Zwischenphase führt zur Bildung von Vorstufen. Bei 400 °C beginnt das Produkt zu verkoken, die Festigkeit ist jedoch noch sehr gering und die Haftung des Asphalts nimmt ab. Bei etwa 500 °C ist zwar noch eine geringe Menge flüchtiger Bestandteile vorhanden, die Grundstruktur des Kohlenstoffs hat sich jedoch bereits ausgebildet. Halbkoks bildet sich bei 500 bis 550 °C, und die bei der thermischen Zersetzung des Asphalts entstehenden flüchtigen Substanzen werden im Wesentlichen vor 600 bis 650 °C freigesetzt. Bei 700 bis 750 °C bildet sich Koks. Um die Verkokungsrate des Asphalts zu erhöhen und die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Produkts zu verbessern, muss die Temperatur in dieser Phase gleichmäßig und langsam erhöht werden. Zudem wird in dieser Phase eine große Menge flüchtiger Bestandteile freigesetzt, die den gesamten Ofenraum füllt. Diese Gase zersetzen sich an der Oberfläche der heißen Produkte und bilden festen Kohlenstoff, der sich in den Poren und auf der Oberfläche der Produkte ablagert. Dadurch erhöht sich die Koksausbeute, die Poren werden verschlossen und die Festigkeit der Produkte gesteigert. Das auffälligste Merkmal der Reaktion in dieser Phase ist die Polymerisation und Zersetzung funktioneller Gruppen sowie der allmähliche Anstieg des Wasserstoffgehalts im Abgas.
3. Hochtemperatur-Sinterphase (800℃ bis 1200~1350℃)
Sobald das Produkt eine Temperatur von über 700 °C erreicht, ist die Verkokung des Bindemittels im Wesentlichen abgeschlossen. Während der Hochtemperatursinterphase kann die Aufheizrate etwas erhöht werden. Nach Erreichen der Maximaltemperatur muss diese 15 bis 20 Stunden gehalten werden. Im Verlauf der Verkokung bilden sich große, aromatische, planare Moleküle. Die peripheren, ungleichen Atome und Atomgruppen dieser planaren Moleküle spalten sich ab und werden entfernt. Mit steigender Temperatur ordnen sich die planaren Moleküle neu an. Oberhalb von 900 °C spalten sich die Wasserstoffatome an den Rändern nach und nach ab und werden entfernt. Gleichzeitig schrumpft und verdichtet sich der Bindemittelkoks weiter. Ab diesem Punkt schwächt sich der chemische Prozess allmählich ab, die innere und äußere Schrumpfung nimmt ab, während die Reindichte, die Festigkeit und die elektrische Leitfähigkeit zunehmen.
4. Kühlphase
Während der Abkühlung kann die Abkühlrate etwas höher sein als die Aufheizrate. Aufgrund der begrenzten Wärmeleitfähigkeit des Produkts ist die Abkühlrate im Inneren jedoch geringer als an der Oberfläche. Dadurch entstehen Temperaturgradienten und thermische Spannungsgradienten unterschiedlicher Stärke vom Kern zur Oberfläche. Ist die thermische Spannung zu hoch, führt dies zu ungleichmäßiger innerer und äußerer Schrumpfung und somit zu Rissen. Daher muss die Abkühlung kontrolliert erfolgen. In der Abkühlphase wird eine Gradientenkühlung eingesetzt. Die Abkühlrate in Bereichen über 800 °C darf 3 °C/h nicht überschreiten, um Risse durch zu schnelle Abkühlung zu vermeiden. Die Produkte müssen nach dem Verlassen des Ofens eine Temperatur unter 80 °C aufweisen. Bei Verwendung eines Zerstäubungswasserkühlsystems muss die Wassertemperatur konstant bei 40 °C ± 2 °C gehalten werden, um Schäden durch Temperaturschocks zu verhindern.
Veröffentlichungsdatum: 11. Juni 2025