Rohmaterial und Herstellungsprozess der Graphitelektrode
Graphitelektroden sind hochtemperaturbeständige, leitfähige Graphitmaterialien, die aus Erdölknetmasse, Nadelkoks als Zuschlagstoff und Steinkohlenbitumen als Bindemittel hergestellt werden. Die Herstellung erfolgt durch eine Reihe von Prozessen wie Kneten, Formen, Rösten, Imprägnieren, Graphitisieren und mechanische Bearbeitung.
Die Graphitelektrode ist ein wichtiges, hochtemperaturleitfähiges Material für die Elektrostahlerzeugung. Sie dient der Zufuhr elektrischer Energie in den Elektroofen, und die durch den Lichtbogen zwischen Elektrodenende und Einsatzmaterial erzeugte hohe Temperatur wird als Wärmequelle zum Schmelzen des Einsatzmaterials genutzt. Auch in anderen Erzöfen, die Materialien wie gelben Phosphor, industrielles Silizium und Schleifmittel schmelzen, werden Graphitelektroden als Leitmaterialien eingesetzt. Aufgrund ihrer hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften finden Graphitelektroden auch in anderen Industriezweigen breite Anwendung.
Die Rohstoffe für die Herstellung von Graphitelektroden sind Petrolkoks, Nadelkoks und Steinkohlenteerpech.
Petrolkoks ist ein brennbares, festes Produkt, das durch Verkokung von Kohlerückständen und Erdölpech gewonnen wird. Er ist schwarz und porös, besteht hauptsächlich aus Kohlenstoff und hat einen sehr geringen Aschegehalt von in der Regel unter 0,5 %. Petrolkoks zählt zu den leicht graphitierbaren Kohlenstoffen. Er findet breite Anwendung in der chemischen und metallurgischen Industrie und ist der wichtigste Rohstoff für die Herstellung von Kunstgraphit und Kohlenstoffprodukten für die Aluminiumelektrolyse.
Petrolkoks lässt sich je nach Wärmebehandlungstemperatur in zwei Typen unterteilen: Rohkoks und kalzinierter Koks. Rohkoks, der durch verzögertes Verkoken gewonnen wird, enthält einen hohen Anteil an flüchtigen Bestandteilen und weist eine geringe mechanische Festigkeit auf. Kalzinierter Koks entsteht durch Kalzinierung von Rohkoks. Die meisten Raffinerien in China produzieren ausschließlich Koks, und die Kalzinierung erfolgt überwiegend in Kohlewerken.
Petrolkoks lässt sich in hochschwefelhaltigen Koks (mit mehr als 1,5 % Schwefel), mittelschwefelhaltigen Koks (mit 0,5–1,5 % Schwefel) und niedrigschwefelhaltigen Koks (mit weniger als 0,5 % Schwefel) unterteilen. Für die Herstellung von Graphitelektroden und anderen künstlichen Graphitprodukten wird üblicherweise niedrigschwefelhaltiger Koks verwendet.
Nadelkoks ist eine hochwertige Koksart mit ausgeprägter Faserstruktur, sehr niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten und leichter Graphitisierung. Beim Brechen spaltet er sich, der Faserstruktur entsprechend, in schmale Streifen (das Längen-Breiten-Verhältnis liegt üblicherweise über 1,75). Unter einem Polarisationsmikroskop ist eine anisotrope Faserstruktur erkennbar, daher die Bezeichnung Nadelkoks.
Die Anisotropie der physikalisch-mechanischen Eigenschaften von Nadelkoks ist sehr ausgeprägt. Er weist eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit parallel zur Längsachse des Partikels auf und besitzt einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Beim Extrusionsformen ist die Längsachse der meisten Partikel in Extrusionsrichtung ausgerichtet. Daher ist Nadelkoks der wichtigste Rohstoff für die Herstellung von Hochleistungs- und Ultrahochleistungs-Graphitelektroden. Die so hergestellten Graphitelektroden zeichnen sich durch einen niedrigen spezifischen Widerstand, einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine gute Temperaturwechselbeständigkeit aus.
Nadelkoks wird unterteilt in ölbasierten Nadelkoks, der aus Erdölrückständen hergestellt wird, und kohlebasierten Nadelkoks, der aus raffinierten Kohlepech-Rohstoffen hergestellt wird.
Kohlenteer ist eines der Hauptprodukte der Kohlenteer-Weiterverarbeitung. Er ist ein Gemisch verschiedener Kohlenwasserstoffe, das bei hohen Temperaturen schwarz, halbfest oder fest ist, keinen festen Schmelzpunkt besitzt, nach dem Erhitzen erweicht und dann schmilzt und eine Dichte von 1,25–1,35 g/cm³ aufweist. Je nach Erweichungspunkt wird er in Niedrigtemperatur-, Mitteltemperatur- und Hochtemperaturasphalt unterteilt. Die Ausbeute an Mitteltemperaturasphalt beträgt 54–56 % des Kohlenteers. Die Zusammensetzung von Kohlenteer ist äußerst komplex und hängt von seinen Eigenschaften, dem Gehalt an Heteroatomen sowie vom Verkokungsprozess und den Verarbeitungsbedingungen ab. Zur Charakterisierung von Kohlenteerpech gibt es zahlreiche Indikatoren, wie beispielsweise den Bitumen-Erweichungspunkt, die Toluol- (TI) und Chinolin- (QI) Unlöslichen Bestandteile, die Verkokungswerte und die Rheologie des Kohlenteerpechs.
Kohlenteer dient in der Kohlenstoffindustrie als Bindemittel und Imprägniermittel und beeinflusst maßgeblich den Produktionsprozess und die Produktqualität. Als Bindemittel wird üblicherweise ein mitteltemperaturbeständiger oder mitteltemperaturmodifizierter Asphalt mit einem moderaten Erweichungspunkt, einem hohen Verkokungswert und einem hohen β-Harzanteil verwendet. Das Imprägniermittel ist ein mitteltemperaturbeständiger Asphalt mit niedrigem Erweichungspunkt, niedrigem QI-Wert und guten rheologischen Eigenschaften.
Veröffentlichungsdatum: 23.09.2019