Herstellungsprozess für Graphitelektroden

1. ROHSTOFFE
Cola (ca. 75-80 % Inhalt)

Petrolkoks
Petrolkoks ist der wichtigste Rohstoff und kommt in einer Vielzahl von Strukturen vor, von stark anisotropem Nadelkoks bis hin zu nahezu isotropem Flüssigkoks. Der stark anisotrope Nadelkoks ist aufgrund seiner Struktur unverzichtbar für die Herstellung von Hochleistungselektroden für den Einsatz in Elektrolichtbogenöfen, bei denen eine sehr hohe elektrische, mechanische und thermische Belastbarkeit erforderlich ist. Petrolkoks wird fast ausschließlich durch das Delayed-Coking-Verfahren hergestellt, bei dem es sich um ein mildes, langsames Verkokungsverfahren von Rohöldestillationsrückständen handelt.

Nadelkoks ist die gebräuchliche Bezeichnung für eine spezielle Art von Koks mit extrem hoher Graphitierbarkeit, die auf einer stark bevorzugten parallelen Ausrichtung seiner turbostratischen Schichtstruktur und einer besonderen physikalischen Form der Körner beruht.

Bindemittel (ca. 20–25 % Inhalt)

Kohlenteerpech
Um die Feststoffpartikel miteinander zu agglomerieren, werden Bindemittel eingesetzt. Ihre hohe Benetzungsfähigkeit überführt die Mischung somit in einen plastischen Zustand für die anschließende Formgebung oder Extrusion.

Kohlenteerpech ist eine organische Verbindung und hat eine ausgeprägte aromatische Struktur. Aufgrund seines hohen Anteils an substituierten und kondensierten Benzolringen weist es bereits die ausgeprägte hexagonale Gitterstruktur von Graphit auf und erleichtert so die Bildung wohlgeordneter graphitischer Domänen bei der Graphitisierung. Als günstigstes Bindemittel erweist sich Pech. Es handelt sich um den Destillationsrückstand von Kohlenteer.

2. MISCHEN UND EXTRUSION
Der gemahlene Koks wird mit Kohlenteerpech und einigen Zusatzstoffen zu einer gleichmäßigen Paste vermischt. Dieses wird in den Extrusionszylinder gebracht. Im ersten Schritt muss die Luft durch Vorpressen entfernt werden. Anschließend folgt der eigentliche Extrusionsschritt, bei dem die Mischung zu einer Elektrode mit dem gewünschten Durchmesser und der gewünschten Länge extrudiert wird. Um den Misch- und insbesondere den Extrusionsprozess (siehe Bild rechts) zu ermöglichen, muss die Mischung viskos sein. Dies wird dadurch erreicht, dass es auf einer erhöhten Temperatur von ca. 30 °C gehalten wird. 120°C (abhängig vom Spielfeld) während des gesamten Grünproduktionsprozesses. Diese Grundform mit zylindrischer Form wird als „grüne Elektrode“ bezeichnet.

3. BACKEN
Im Einsatz sind zwei Arten von Backöfen:

Dabei werden die extrudierten Stäbe in zylindrische Edelstahlbehälter (Sagger) eingelegt. Um eine Verformung der Elektroden während des Erhitzungsprozesses zu vermeiden, sind die Kapseln zusätzlich mit einer schützenden Sandschicht gefüllt. Die Behälter werden auf Waggonplattformen (Waggonböden) geladen und in erdgasbefeuerte Öfen gerollt.

Ringofen

Dabei werden die Elektroden in einem verdeckten Steinhohlraum am Boden der Produktionshalle platziert. Dieser Hohlraum ist Teil eines Ringsystems aus mehr als 10 Kammern. Um Energie zu sparen, sind die Kammern über ein Warmluftzirkulationssystem miteinander verbunden. Auch die Hohlräume zwischen den Elektroden werden mit Sand gefüllt, um Verformungen zu vermeiden. Während des Backvorgangs, bei dem das Pech verkohlt wird, muss die Temperatur sorgfältig kontrolliert werden, da bei Temperaturen von bis zu 800 °C eine schnelle Gasbildung zu Rissen in der Elektrode führen kann.

In dieser Phase haben Elektroden eine Dichte von etwa 1,55 – 1,60 kg/dm3.

4. IMPRÄGNIERUNG
Die gebackenen Elektroden werden mit einem speziellen Pech (flüssiges Pech bei 200 °C) imprägniert, um ihnen die höhere Dichte, mechanische Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit zu verleihen, die sie benötigen, um den harten Betriebsbedingungen in den Öfen standzuhalten.

5. NOCHMALS BACKEN
Ein zweiter Backzyklus oder „Nachbacken“ ist erforderlich, um die Pechimprägnierung zu karbonisieren und alle verbleibenden flüchtigen Bestandteile auszutreiben. Die Nachbacktemperatur erreicht fast 750°C. In dieser Phase können die Elektroden eine Dichte von etwa 1,67 – 1,74 kg/dm3 erreichen.

6. GRAPHITISIERUNG
Acheson-Ofen
Der letzte Schritt bei der Graphitherstellung ist die Umwandlung von gebranntem Kohlenstoff in Graphit, die sogenannte Graphitierung. Beim Graphitisierungsprozess wird der mehr oder weniger vorgeordnete Kohlenstoff (turbostratischer Kohlenstoff) in eine dreidimensional geordnete Graphitstruktur umgewandelt.

Die Elektroden werden in Elektroöfen verpackt und von Kohlenstoffpartikeln umgeben, so dass eine feste Masse entsteht. Durch den Ofen wird elektrischer Strom geleitet, der die Temperatur auf etwa 3000 °C erhöht. Dieser Prozess wird normalerweise entweder mit einem ACHESON-OFEN oder einem LÄNGENOFEN (LWG) erreicht.

Beim Acheson-Ofen werden die Elektroden im Batch-Verfahren graphitiert, während beim LWG-Ofen die gesamte Säule gleichzeitig graphitiert wird.

7. BEARBEITUNG
Die Graphitelektroden werden (nach dem Abkühlen) auf exakte Abmessungen und Toleranzen bearbeitet. Dieser Schritt kann auch die Bearbeitung und das Anbringen der Enden (Buchsen) der Elektroden mit einem Verbindungssystem aus Graphitstiften (Nippeln) mit Gewinde umfassen.