Graphitelektrode und Nadelkoks

Der Produktionsprozess von Kohlenstoffmaterialien ist eine streng kontrollierte Systemtechnik. Die Produktion von Graphitelektroden, speziellen Kohlenstoffmaterialien, Aluminiumkohlenstoff und neuen High-End-Kohlenstoffmaterialien ist untrennbar mit der Verwendung von Rohstoffen, Ausrüstung, Technologie, dem Management der vier Produktionsfaktoren und der damit verbundenen proprietären Technologie verbunden.

Rohstoffe sind die Schlüsselfaktoren für die grundlegenden Eigenschaften von Kohlenstoffmaterialien, und die Leistung der Rohstoffe bestimmt die Leistung der hergestellten Kohlenstoffmaterialien. Für die Herstellung von UHP- und HP-Graphitelektroden ist hochwertiger Nadelkoks die erste Wahl, aber auch hochwertiger Bindemittelasphalt und Imprägnierasphalt. Allerdings reichen nur hochwertige Rohstoffe, fehlende Ausrüstung, Technologie, Managementfaktoren und die damit verbundene proprietäre Technologie nicht aus, um hochwertige UHP- und HP-Graphitelektroden herzustellen.

In diesem Artikel werden die Eigenschaften von hochwertigem Nadelkoks erläutert und einige persönliche Ansichten dargelegt, die von Nadelkoksherstellern, Elektrodenherstellern und wissenschaftlichen Forschungsinstituten zur Diskussion gestellt werden.

Obwohl die industrielle Produktion von Nadelkoks in China später als die ausländischer Unternehmen begann, hat sie sich in den letzten Jahren rasant entwickelt und nimmt Gestalt an. Gemessen am Gesamtproduktionsvolumen kann China den Bedarf an Nadelkoks für UHP- und HP-Graphitelektroden, die von inländischen Kohlenstoffunternehmen hergestellt werden, grundsätzlich decken. Allerdings besteht immer noch ein gewisser Qualitätsunterschied zwischen Nadelkoks und ausländischen Unternehmen. Schwankende Chargenleistungen beeinflussen die Nachfrage nach hochwertigem Nadelkoks bei der Herstellung großer UHP- und HP-Graphitelektroden. Insbesondere fehlt hochwertiger Nadelkoks für die Produktion von Graphitelektrodenverbindungen.

Ausländische Kohlenstoffunternehmen, die UHP- und HP-Graphitelektroden in großen Spezifikationen herstellen, verwenden häufig hochwertigen Petroleumnadelkoks als Hauptkoksrohstoff. Japanische Kohlenstoffunternehmen verwenden ebenfalls etwas Kohlenadelkoks als Rohstoff, jedoch nur für die Herstellung von Graphitelektroden mit einer Spezifikation von φ 600 mm. Derzeit besteht der Nadelkoks in China hauptsächlich aus Kohlenadelkoks. Die Produktion hochwertiger UHP-Graphitelektroden in großem Maßstab durch Kohlenstoffunternehmen ist häufig auf importierten Petroleumnadelkoks angewiesen, insbesondere auf die Herstellung hochwertiger Verbindungen mit importiertem japanischen Suishima-Ölnadelkoks und britischem HSP-Ölnadelkoks als Koksrohstoff.

Derzeit wird der von verschiedenen Unternehmen produzierte Nadelkoks üblicherweise anhand herkömmlicher Leistungskennzahlen wie Aschegehalt, Dichte, Schwefelgehalt, Stickstoffgehalt, Partikelgrößenverteilung und Wärmeausdehnungskoeffizient mit den kommerziellen Leistungskennzahlen ausländischer Nadelkokse verglichen. Es gibt jedoch immer noch keine unterschiedliche Klassifizierung der Nadelkokssorten im Vergleich zu ausländischen Sorten. Daher kann die Produktion von Nadelkoks, umgangssprachlich auch als „einheitliche Ware“ bezeichnet, nicht die Qualität von hochwertigem Nadelkoks widerspiegeln.

Neben dem herkömmlichen Leistungsvergleich sollten Kohlenstoffunternehmen auch auf die Charakterisierung von Nadelkoks achten, beispielsweise auf die Klassifizierung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), der Partikelfestigkeit, des Anisotropiegrads, der Ausdehnungsdaten im ungehinderten und gehemmten Zustand sowie des Temperaturbereichs zwischen Ausdehnung und Kontraktion. Da diese thermischen Eigenschaften von Nadelkoks für die Steuerung des Graphitierungsprozesses bei der Herstellung von Graphitelektroden von großer Bedeutung sind, ist der Einfluss der thermischen Eigenschaften von Asphaltkoks, der nach dem Rösten von Bindemittel und Imprägniermittel Asphalt entsteht, natürlich nicht auszuschließen.

1. Vergleich der Anisotropie von Nadelkoks

Die Analyse der Anisotropiegrades bei der Herstellung von Graphitelektroden mit ultrahoher Leistung ist eine wichtige Analysemethode zur Einschätzung der Qualität des Nadelkoks-Rohmaterials. Die Größe des Anisotropiegrades hat natürlich auch einen gewissen Einfluss auf den Elektrodenherstellungsprozess. Je höher der Anisotropiegrad, desto besser ist die Leistung bei thermischen Schocks, desto besser ist die Durchschnittsleistung kleiner Elektroden.

Derzeit ist die Produktion von Kohlenadelkoks in China deutlich höher als die von Petroleumnadelkoks. Aufgrund der hohen Rohstoffkosten und der hohen Preise der Kohlenstoffunternehmen ist es schwierig, bei der Herstellung von UHP-Elektroden 100 % heimischen Nadelkoks zu verwenden und gleichzeitig einen bestimmten Anteil an kalkiertem Petroleumkoks und Graphitpulver hinzuzufügen. Daher ist es schwierig, die Anisotropie von heimischem Nadelkoks zu bewerten.

2. Lineare und volumetrische Eigenschaften von Nadelkoks

Die linearen und volumetrischen Änderungseigenschaften von Nadelkoks spiegeln sich hauptsächlich im von der Elektrode erzeugten Graphit wider. Mit der Temperaturänderung dehnt sich der Nadelkoks während des Aufheizvorgangs linear und volumetrisch aus und zieht sich zusammen, was sich direkt auf die linearen und volumetrischen Änderungen des gerösteten Elektrodenblocks im Graphitprozess auswirkt. Dies ist bei Verwendung unterschiedlicher Eigenschaften von Rohkoks und unterschiedlicher Nadelkoksqualitäten nicht der Fall. Darüber hinaus ist auch der Temperaturbereich der linearen und Volumenänderungen bei unterschiedlichen Nadelkoksqualitäten und kalziniertem Petrolkoks unterschiedlich. Nur durch die Beherrschung dieser Eigenschaft von Rohkoks können wir die chemische Abfolge der Graphitproduktion besser kontrollieren und optimieren. Dies zeigt sich besonders im Seriengraphitierungsprozess.

Die lineare Ausdehnung tritt zuerst auf, wenn Ölnadelkoks beginnt, sich zu erhitzen, aber die Temperatur zu Beginn der linearen Kontraktion bleibt normalerweise hinter der maximalen Kalzinierungstemperatur zurück. Zwischen 1525 °C und 1725 °C beginnt die lineare Ausdehnung und der Temperaturbereich der gesamten linearen Kontraktion ist eng, lediglich 200 °C. Der Temperaturbereich der gesamten linearen Kontraktion des gewöhnlichen verzögerten Petrolkokses ist viel größer als der des Nadelkokses, und der von Kohlenadelkoks liegt zwischen beiden, etwas größer als der von Ölnadelkoks. Die Testergebnisse des Osaka Industrial Technology Test Institute in Japan zeigen, dass der Temperaturbereich der Linienschrumpfung umso größer ist, je schlechter die thermische Leistung des Kokses ist. Er reicht bis zu 500–600 °C, und die Starttemperatur der Linienschrumpfung ist niedrig, bei 1150–1200 °C beginnt die Linienschrumpfung, was auch ein Merkmal von gewöhnlichem verzögertem Petrolkoks ist.

Je besser die thermischen Eigenschaften und je größer die Anisotropie von Nadelkoks, desto enger ist der Temperaturbereich der linearen Kontraktion. Hochwertiger Ölnadelkoks weist einen Temperaturbereich von nur 100 bis 150 °C linearer Kontraktion auf. Für Kohlenstoffunternehmen ist es sehr vorteilhaft, die Graphitisierungsprozessproduktion nach dem Verständnis der Eigenschaften der linearen Expansion, Kontraktion und Reexpansion verschiedener Rohstoffkokse zu steuern. Dadurch können einige unnötige Qualitätsabfälle vermieden werden, die durch die Verwendung des traditionellen experimentellen Verfahrens entstehen.