Grundkenntnisse über Kohlenstoff – detaillierte Erläuterung der Rohstoffe und Prozesse der Kohlenstoffproduktion

Rohstoffe für die Kohlenstoffproduktion
Zu den üblicherweise verwendeten Rohstoffen für die Kohlenstoffproduktion zählen Trockenmaterialien wie Petrolkoks, Asphaltkoks, metallurgischer Koks und Anthrazit usw., wobei als Bindemittel hauptsächlich Kohleasphalt verwendet wird.

1. Petrolkoks
Petrolkoks ist der wichtigste Rohstoff für die Herstellung verschiedener Kohlenstoffmaterialien. Er hat einen geringen Aschegehalt von in der Regel unter 1 % und neigt dazu, sich bei hohen Temperaturen in Graphit umzuwandeln. Die Eigenschaften des Petrolkoks haben einen großen Einfluss auf die Eigenschaften der Kohlenstoffmaterialien.

2. Asphaltkoks
Asphaltkoks ist ein festes Produkt, das durch Verkokung von Kohleasphalt entsteht. Als Rohstoff für die Asphaltkoksherstellung dient Mitteltemperatur- oder Hochtemperaturasphalt. Mitteltemperaturasphalt wird bei etwa 1100 °C wärmebehandelt, wodurch eine Reihe komplexer physikalischer und chemischer Veränderungen zu Asphaltkoks werden.

Leistungsfähigkeit von Asphaltkoks

Der Asche- und Schwefelgehalt ist gering, liegt im Allgemeinen unter 0,5 %, der Gehalt an flüchtigen Bestandteilen unter 0,8 % und die Reindichte bei etwa 2,03 g/cm³.
Es besitzt eine dichte Struktur, eine harte Textur, gleichmäßige Poren und ein stumpfgraues Aussehen.
Der Sauerstoffgehalt ist hoch, da während des Produktionsprozesses Druckluft zur Oxidation durchgeleitet wird und sich im Asphaltkoks eine große Anzahl von Sauerstoffbrückenstrukturen bildet, was die mechanische Festigkeit des Asphaltkokses erhöht, ihn aber nicht leicht in Graphit umwandelbar macht.
Die elektrische und thermische Leitfähigkeit ist schlechter als die von Petrolkoks.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist groß.
Produktionsanwendung von Asphaltkoks

Bei der Herstellung von Graphitelektroden werden zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit des Produkts üblicherweise 20 bis 25 % bituminöser Koks hinzugefügt.
Bei der Herstellung von vorgebrannten Anoden wird zur Verbesserung der Festigkeit des Produkts manchmal ein bestimmter Anteil Asphaltkoks hinzugefügt.
Bei der Herstellung von Hochofenkohleblöcken wird außerdem eine kleine Menge Asphaltkoks hinzugefügt, um den Aschegehalt des Produkts zu reduzieren.

3. Anthrazit
Kohle kommt in der Natur in verschiedenen Formen vor, darunter Torf, Braunkohle, Steinkohle und Anthrazit. Torf ist locker, hat eine geringe Härte und einen niedrigen Heizwert. Mit fortschreitender Inkohlung entstehen allmählich mäßig metamorphe Kohlearten wie Braunkohle und Steinkohle. Bei weiterer Inkohlung bildet sich Anthrazit mit geringem Gehalt an organischer Substanz, dichter Struktur, hoher Festigkeit und hohem Heizwert.

Eigenschaften von Anthrazit

Dichte Struktur mit geringer Porosität.
Das Monomer weist eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe Härte auf.
Beim Zerkleinern bricht Anthrazitkohle leicht entlang der Verbindungsstellen, und ihre Oberfläche ist glatt und eben, wodurch die Bindungsfestigkeit zum Bindemittel gering ist. In der Produktion wird Anthrazitkohle in der Regel nicht allein als Kohlenstoffrohstoff verwendet, sondern in Kombination mit Petrolkoks, Asphaltkoks, Hüttenkoks und anderen Koksarten.
Qualitätsanforderungen an Anthrazit als Kohlenstoffrohstoff Anthrazitkohle ist der wichtigste Rohstoff für die Herstellung verschiedener Kohlenstoffblöcke (z. B. Kathoden für Aluminium) und Elektrodenpaste, kann aber nur dann zur Herstellung von Kohlenstoffmaterialien verwendet werden, wenn sie die folgenden Qualitätsanforderungen erfüllt.

Der Aschegehalt sollte niedrig sein. Bei der Herstellung von Hochofenkohleblöcken muss der Anthrazit-Aschegehalt unter 8 % liegen und darf kein Ganggestein enthalten; der für Elektrodenpaste verwendete Anthrazit-Aschegehalt sollte unter 10 % liegen.
Die mechanische Festigkeit sollte hoch sein, und die Festigkeit und Blockfestigkeit sollten über einen langen Zeitraum erhalten bleiben.
Die thermische Stabilität sollte gut sein.
Der Schwefelgehalt sollte niedrig sein. Dies ist einerseits Voraussetzung für die Herstellung von Holzkohlepaste und Holzkohleblöcken, andererseits führt ein hoher Schwefelgehalt zu einer Explosionsgefahr der Kohlebriketts und zum Austritt von Schwefel während der Kalzinierung, was Umweltverschmutzung verursacht.

4. Metallurgischer Koks
Metallurgischer Koks wird aus verschiedenen Sorten bituminöser Kohle mit unterschiedlichem Gehalt an flüchtigen Bestandteilen und unterschiedlichen Verkokungseigenschaften hergestellt, die in einer Koksofenanlage bei hohen Temperaturen von 1000–1200 °C destilliert werden. Als Kohlenstoffrohstoff weist er hauptsächlich folgende Eigenschaften auf:

- Hoher Aschegehalt, im Allgemeinen über 10%.

- Hohe mechanische Festigkeit und Härte.

- Gute Wärmeleitfähigkeit und hohe thermische Stabilität.

- Kompakte Struktur mit wenigen Poren, daher hohe Oxidationsbeständigkeit.

5. Kohleasphalt
Bei der Kohlenstoffproduktion wird Kohleasphalt häufig als Bindemittel verwendet, da er die notwendigen Bedingungen für Kohlenstoffbindemittel erfüllt:

- Verwandelt sich im richtigen Temperaturbereich in eine zähflüssige Flüssigkeit.

- Gute Benetzbarkeit des Hauptrohstoffs.

Es handelt sich um organisches Material mit einem geringen Aschegehalt.

Die Leistung ändert sich unter festgelegten Prozessbedingungen (Zeit, Temperatur, Druck usw.) nicht wesentlich.

- Besitzt einen hohen Verkokungswert.

- Bei Produkten, die eine Graphitisierung erfordern, wird als Bindemittel Holzkohle verwendet, die sich nach der Verkokung leicht in Graphit umwandelt.

Kohlenstoffproduktionsprozess
1. Prozessmerkmale der Kohlenstoffmaterialherstellung
Die Prozessmerkmale der Kohlenstoffmaterialherstellung werden durch die Eigenschaften des Kohlenstoffs selbst bestimmt:

Unter Normaldruck sublimiert Kohlenstoff bei 3550 ± 5 °C und wandelt sich dabei von Kohlenstoffatomen in molekularen Kohlenstoffdampf um, ohne dass eine flüssige Phase entsteht. Darüber hinaus besitzt Kohlenstoff eine hohe thermische Stabilität und lässt sich nur schwer erhitzen und in Schwingung versetzen, weshalb er nicht durch Erhitzen und Schmelzen hergestellt werden kann.

- Kohlenstoff ist chemisch stabil und kann daher nicht durch chemische Synthese hergestellt werden.

Da Kohlenstoff an der Luft leicht oxidiert, muss er während der Herstellung unter Luftabschluss wärmebehandelt werden.

Die Herstellung von Kohlenstoffmaterialien ist der Prozess der Wärmebehandlung von kohlenstoffhaltigen organischen Gasen, Flüssigkeiten oder Feststoffen unter den Bedingungen von Normaldruck, hoher Temperatur und Luftausschluss, sodass sich der nach der Wärmebehandlung verbleibende Kohlenstoff von einer zweidimensionalen ungeordneten Struktur in eine geordnete Schichtstruktur mit dreidimensionaler Anordnung umwandelt.

2. Herstellungsprozess für Kohlenstoffmaterialien
Der grundlegende Prozess der Kohlenstoffproduktion umfasst: Vorbehandlung der Rohstoffe (Vorzerkleinerung, Kalzinierung); Zerkleinerung, Siebung und Klassifizierung der Rohstoffe; Zusammenstellen der körnigen und pulverförmigen Rohstoffe; Zugabe von Bindemittel und Mischen; Formen der Paste nach dem Mischen; Rösten der Formteile; Graphitisierung der Halbfertigprodukte nach dem Rösten; Für Produkte, die eine hohe Dichte und Festigkeit erfordern, muss der gebrannte Rohling zusätzlich imprägniert und anschließend geröstet werden.