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

(A) Probe: φ 500 mm UHP-Elektrodenkörper einer inländischen Kohlenstofffabrik;

Rohstoff Nadelkoks: Japanische New Chemical LPC-U-Qualität, Verhältnis: 100 % LPC-U-Qualität; Analyse: SGL-Werk Griesheim; Leistungsindikatoren sind in Tabelle 1 aufgeführt.

(B) Probe: φ 450 mmHP Elektrodenkörper einer inländischen Kohlenstofffabrik; Rohmaterial Nadelkoks: Ölnadelkoks einer inländischen Fabrik, Verhältnis: 100 %; Analyse: Shandong Bazan Carbon Plant; Leistungsindikatoren sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Wie aus dem Vergleich von Tabelle 1 und Tabelle 2 hervorgeht, weist der Nadelkoks der LPC-U-Klasse der neuen Daily Chemical-Kohlemaße eine hohe Anisotropie der thermischen Eigenschaften auf. Die WAK-Anisotropie kann 3,61–4,55 erreichen, und die Anisotropie des spezifischen Widerstands ist ebenfalls hoch und erreicht Werte von 2,06–2,25. Darüber hinaus ist die Biegefestigkeit von Nadelkoks aus heimischem Petroleum besser als die von Nadelkoks der LPC-U-Klasse der neuen Daily Chemical-Kohlemaße. Der Anisotropiewert ist deutlich niedriger als der von Nadelkoks der neuen Daily Chemical-Kohlemaße.

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.

Tabelle 3 zeigt die linearen und Volumenänderungen sowie die Temperaturbereiche von drei Sorten Petroleumnadelkoks, die von Conocophillips in Großbritannien hergestellt werden. Die lineare Expansion tritt zunächst ein, wenn sich Petroleumnadelkoks zu erhitzen beginnt, aber die Temperatur zu Beginn der linearen Kontraktion liegt üblicherweise unter der maximalen Kalzinierungstemperatur. Zwischen 1525 °C und 1725 °C beginnt die lineare Expansion, und der Temperaturbereich der gesamten linearen Kontraktion ist eng und beträgt nur 200 °C. Der Temperaturbereich der gesamten linearen Kontraktion von gewöhnlichem verzögertem Petroleumkoks ist deutlich größer als der von Nadelkoks, und Kohlenadelkoks liegt dazwischen und ist etwas größer als der von Petroleumnadelkoks. Die Testergebnisse des Osaka Industrial Technology Test Institute in Japan zeigen, dass die Wärmeleistung des Koks umso schlechter ist, je größer der Temperaturbereich für die Linienschrumpfung ist. Er reicht bis zu 500 bis 600 °C, und die Temperatur, bei der die Linienschrumpfung beginnt, ist niedrig. Bei 1150 bis 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.

3 Fazit

Wenn man die verschiedenen Eigenschaften der Rohstoffe beherrscht, eine angemessene Gerätekombination auswählt, die Technologie gut kombiniert und das Unternehmensmanagement wissenschaftlicher und vernünftiger gestaltet, kann man sagen, dass diese Reihe von streng kontrollierten und stabilen Gesamtprozesssystemen die Grundlage für die Herstellung qualitativ hochwertiger Graphitelektroden mit ultrahoher Leistung bildet.