Die wesentlichen Unterschiede im Kalzinierungsverhalten von erdölbasiertem und kohlebasiertem Koks liegen in den unterschiedlichen Reaktionswegen, die durch die Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung ihrer Rohstoffe bedingt sind. Dies führt wiederum zu signifikanten Abweichungen in der Kristallstrukturentwicklung, den physikalischen Eigenschaften und den Prozesskontrollproblemen. Eine detaillierte Analyse folgt:
1. Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung der Rohstoffe bilden die Grundlage für das Kalzinierungsverhalten.
Ölbasierter Koks wird aus schweren Destillaten wie Erdölrückständen und durch katalytisches Cracken gewonnenem geklärtem Öl hergestellt. Seine chemische Zusammensetzung ist primär durch kurzkettige, linear verknüpfte polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe mit relativ geringen Gehalten an Schwefel, Stickstoff, Sauerstoff und metallischen Heteroatomen sowie minimalen festen Verunreinigungen und chinolinunlöslichen Bestandteilen gekennzeichnet. Diese Zusammensetzung führt zu einem Kalzinierungsprozess, der von Pyrolysereaktionen dominiert wird und einen relativ einfachen Reaktionsweg sowie eine gründliche Entfernung von Verunreinigungen ermöglicht.
Im Gegensatz dazu wird kohlenstoffbasierter Koks aus Steinkohlenteerpech und dessen Destillaten hergestellt. Diese enthalten einen höheren Anteil an langkettigen und kondensierten polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen sowie signifikante Mengen an Schwefel, Stickstoff, Sauerstoff-Heteroatomen und festen Verunreinigungen. Die komplexe Zusammensetzung des kohlenstoffbasierten Kokses führt nicht nur zu Pyrolyse-Reaktionen, sondern auch zu ausgeprägten Kondensationsreaktionen während der Kalzinierung. Dies bedingt einen komplexeren Reaktionsweg und erschwert die Entfernung der Verunreinigungen.
2. Unterschiede in der Kristallstrukturentwicklung beeinflussen die Materialeigenschaften
Während der Kalzinierung vergrößern sich die Kohlenstoffmikrokristalle im ölbasierenden Koks allmählich hinsichtlich Durchmesser (La), Höhe (Lc) und Schichtanzahl (N). Auch der Anteil idealer Graphitmikrokristalle (Ig/Iall) steigt deutlich an. Obwohl Lc aufgrund des Entweichens flüchtiger Bestandteile und der Schrumpfung des Rohkokses einen Wendepunkt erreicht, wird die Kristallstruktur insgesamt regelmäßiger und der Graphitisierungsgrad höher. Diese Strukturentwicklung verleiht dem ölbasierenden Koks nach der Kalzinierung hervorragende Eigenschaften wie einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, einen geringen elektrischen Widerstand und eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Dadurch eignet er sich besonders für die Herstellung großflächiger Hochleistungsgraphitelektroden.
Die Kohlenstoffmikrokristallstruktur von kohlebasiertem Koks verändert sich mit zunehmendem La-, Lc- und N-Gehalt während der Kalzinierung. Aufgrund von Verunreinigungen und Kondensationsreaktionen im Rohmaterial treten jedoch vermehrt Kristallfehler auf, und der Anstieg des idealen Graphitmikrokristallgehalts ist begrenzt. Darüber hinaus ist das „Wendepunkt“-Phänomen für Lc bei kohlebasiertem Koks stärker ausgeprägt, und die neu hinzugekommenen Schichten weisen zufällige Stapelfehler mit den ursprünglichen Schichten auf, was zu signifikanten Schwankungen des Schichtabstands (d002) führt. Aufgrund dieser strukturellen Eigenschaften besitzt kohlebasierter Koks nach der Kalzinierung einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten und einen geringeren elektrischen Widerstand als erdölbasierter Koks, jedoch eine geringere Festigkeit und Abriebfestigkeit. Daher eignet er sich besser für die Herstellung von Hochleistungselektroden und mittelgroßen Ultrahochleistungselektroden.
3. Unterschiede in den Veränderungen der physikalischen Eigenschaften bestimmen die Anwendungsbereiche
Beim Kalzinieren entweichen aus dem ölbasierten Koks vollständig flüchtige Bestandteile, und es kommt zu einer gleichmäßigen Volumenverringerung. Dies führt zu einer signifikanten Erhöhung der Reindichte (bis zu 2,00–2,12 g/cm³) und einer deutlichen Verbesserung der mechanischen Festigkeit. Gleichzeitig werden die elektrische Leitfähigkeit, die Oxidationsbeständigkeit und die chemische Stabilität des kalzinierten Materials signifikant verbessert, sodass die hohen Leistungsanforderungen an hochwertige Graphitprodukte erfüllt werden.
Im Gegensatz dazu kommt es bei kohlebasiertem Koks aufgrund seines höheren Verunreinigungsgehalts während des Austritts flüchtiger Bestandteile zu lokalen Spannungskonzentrationen, was eine ungleichmäßige Volumenverringerung und einen relativ geringeren Anstieg der Reindichte zur Folge hat. Darüber hinaus erfordern die geringere Festigkeit und die schlechtere Abriebfestigkeit von kohlebasiertem Koks nach der Kalzinierung sowie seine Ausdehnungstendenz bei der Hochtemperaturgraphitisierung eine strenge Kontrolle der Temperaturanstiegsrate. Diese Eigenschaften schränken den Einsatz von kohlebasiertem Koks in anspruchsvollen Anwendungsbereichen ein, obwohl sein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient und sein geringer elektrischer Widerstand ihn in bestimmten Bereichen weiterhin unersetzlich machen.
4. Unterschiede bei den Schwierigkeiten der Prozesssteuerung beeinträchtigen die Produktionseffizienz
Aufgrund seiner relativ einfachen chemischen Zusammensetzung weist erdölbasierter Koks während der Kalzinierung klare Reaktionswege auf, was die Prozesssteuerung vereinfacht. Durch die Optimierung von Parametern wie Kalzinierungstemperatur, Aufheizrate und Atmosphärenkontrolle lassen sich Qualität und Produktionseffizienz der kalzinierten Produkte effektiv verbessern. Darüber hinaus liefert der hohe Gehalt an flüchtigen Bestandteilen im erdölbasierten Koks während der Kalzinierung zusätzliche Wärmeenergie und senkt so die Produktionskosten.
Im Gegensatz dazu führt die komplexe chemische Zusammensetzung von kohlebasiertem Koks zu vielfältigen Reaktionswegen während der Kalzinierung, was die Prozesssteuerung erschwert. Eine sorgfältige Rohstoffvorbehandlung, eine präzise Steuerung der Aufheizrate und eine spezielle Atmosphärenanpassung sind erforderlich, um eine stabile Produktqualität nach der Kalzinierung zu gewährleisten. Darüber hinaus benötigt kohlebasierter Koks während der Kalzinierung zusätzliche Wärmeenergie, was die Produktionskosten und den Energieverbrauch erhöht.
Veröffentlichungsdatum: 07.04.2026