Auskleidungen
Bei der Konstruktion von Hochöfen ab den 1960er Jahren werden anthrazitbasierte Feuerfeststoffe verwendet, um den Herd (d. h. den Boden) des Ofens zu säumen(4). Solche Auskleidungen sind in der Regel in der Größenordnung von 3 m dick zu finden, und einige sind wasser- oder luftgekühlt, diese Feuerfeststoffe boten eine Lebensdauer von etwa sieben Jahren - deutlich verbessert gegenüber den vorherigen Kieselsäure/Aluminiumfeuerfeuerherden, deren Kampagnen nicht länger als zwei Jahre dauerten(5). Moderne Designs des Ofens verwenden einen Ansatz, bei dem ein Keramikbecher in Kontakt mit dem geschmolzenen Metall verwendet wird, mit einem anthrazitgraphit-graphit-feuerfesten in Kontakt mit den Wänden und dem Herd des Ofens. Die Ofenlebensdauer für die Kombination Keramik und Anthrazitgraphit wird auf 15 Jahre geschätzt.
Der Verschleiß des Ofens konzentriert sich besonders auf den Herd, wo die Temperaturen oft ihren höchsten und flüssigen Metalldurchfluss erreichen. Monolithen auf Basis von Anthrazit wurden in Herden verwendet, was eine Widerstandsfähigkeit über mehrere Heiz-Kühlzyklen bietet.
In Teilen des Hochofens wurde ein Monolith mit 80 CA für den Einsatz im Herd nachgewiesen(6). Hier ist die Flüssigkeitsmetalldurchflussrate hoch, was Turbulenzen und einen ungleichmäßigen Verschleiß über dem Futter bedeutet. CA ist in experimentellen Tests während der Lebensdauer des Ofenlaufs gegen thermische Stöße, Oxidation und chemische Angriffe bei Temperaturen von mehr als 1.000 °C beständig. Monolith CA ist massenhaft unter Ofenbedingungen stabil(7).
Bei Verwendung als konventionelle Isolierung afern vom Herd sind Kohlenstoffauskleidungen typischerweise auf weniger als einem Meter dickem(8) und in feuerfester Ziegelform im Gegensatz zu Monolithen. Im Allgemeinen war die thermische Belastung/Schock gegenüber kohlenstoffbasierten Auskleidungen in der Vergangenheit ein Problem, aber mit dem Einsatz von CA(9) und geeigneten Füllstoffen in Fugen(10), kombiniert mit Temperaturstreuung über eine große thermische Masse, wird der wärmebetätige Schock bei normalem Betrieb in einer modernen Ofenumgebung nicht als ein wesentliches Problem angesehen. Füllstoffe selbst können erhebliche Anteile an Anthrazit in ihrer Zusammensetzung haben(11). Alkali-Attacke bleibt ein Problem, vor allem bei den höchsten Temperaturen, aber einige Studien haben gezeigt, dass mit der Verwendung von mikroporösen CA, die Auswirkungen von Alkali-Angriff minimiert werden(12). Dies ebnet den Weg für den längerfristigen CA-Einsatz in Futtern.
Smelting And Molten Metal Holding Tank Anwendungen
Schmelz- und Haltetankanwendungen erfordern eine langfristige Beständigkeit gegen Temperatur und Wärmeschock - CA wird für seine Beständigkeit gegen diese und chemische Korrosion geschätzt. Insbesondere die Aluminiumverhüttung ermöglicht seit vielen Jahren den Einsatz von Kohlenstoff-Hüttenauskleidungen und -elektroden(12), wobei Elektrodenbeispiele aus den frühen 1980er Jahren bis zu 75 % CA massenhaft einsetzen und eine Leistung aufweisen, die denen mit reinen Graphitelektroden entspricht(13). Selbst unter Berücksichtigung hochwertiger Kalzinierungsprozesse ist CA kostengünstiger als reiner Graphit und behält gleichzeitig eine hohe Leistung bei. Als Auskleidung ist die CA hauptsächlich für die Isolierung des Topfes und/oder des Haltebehälters vorhanden, d.h. um die in situ. Elektroden und Auskleidungen können auf herkömmliche Weise als Ziegel, als Monolithen oder sogar aus Pasten gebildet werden, die weitgehend CA (und kleine Mengen anderer Kohlenstofftypen) basieren(14). Als Elektroden finden Sie unten eine weitere kurze Diskussion darüber, warum CA für diese Anwendung geeignet ist.
Da CA eine der beliebtesten Futtermöglichkeiten für Aluminiumhütten ist, mit Schmelzintervallen von bis zu sechs Jahren, die nur als Ersatz für die Kathoden(15) heruntergefahren werden, wird CA in einigen Szenarien sowohl als Kathodenkomponente als auch als Futter verwendet. Die Abschaltung ist aufgrund der erheblichen Ansammlung von Aluminiumcarbid erforderlich, und während die Hartmetallbildung auf ungeordneten Kohlenstoffstrukturen (wie CA)(16) bevorzugt wird, ist CA widerstandsfähiger gegen elektrochemischen Verschleiß(17), da die Haftung von Hartmetallen stärker auf geordnetere Strukturen sein kann. Daher kann CA zusammen mit anderen Kohlenstoffmaterialien wie Graphit verwendet werden, um eine Auskleidung und eine Kathode bereitzustellen, die idealisierte Eigenschaften für Leitfähigkeit und chemische Beständigkeit erfüllt, während kostendeckend abwäget. Unkalziniertes Anthrazit würde nicht routinemäßig verwendet werden.
Elektrisch kalzinierte skalierte Santhrazit als Elektroden
Neben futternden Schmelztöpfen können elektrisch kalzinierte skalierte anthrazithaltige (ECA) als Elektroden selbst sowie rammende Pasten verwendet werden. ECA ist auch für seine überlegene Temperaturleistung und verbesserte elektrische Leitfähigkeit bekannt. Elektroden können aus monolithischen kalziniertem (oder elektrisch kalziniertem) Anthrazit, Halbmonolithen hergestellt werden, die zusammen mit Rammpasten gehalten werden oder indem CA oder ECA und Harz in eine Form mit Erhitzung komprimiert werden(18).
Elektroden-Anoden
Trotz der meisten Anlagen zur Herstellung von Aluminium aus seinem Erz unter Verwendung einer Anthrazitkathode gibt es einige Beispiele, bei denen ECA als Anode verwendet wurde. Klassische Anlagen, die möglicherweise Erdölkoks an der Anode verwendet haben, wurden in einigen Fällen durch den EuRH ersetzt(19). ECA abgeleitete Anoden können wirksam sein, wenn nur 20 Gewichtsprozent Anthrazit verwendet werden - jedoch wird eine höhere Effizienz erreicht, wenn mindestens 40 Gewichtsprozent verwendet werden. Anthrazit wird besonders wegen seines geringen Aschegehalts bevorzugt - Kohlenstoffquellen mit hohem Aschegehalt sind mit Elektroden mit geringer Effizienz verbunden, die den Test der Zeit nicht überdauern(20) - bei weitem nicht ideal in einer Situation, die einen konstant hohen Durchsatz für längere Zeiträume erfordert.
Elektroden-Kathoden
Die Kathode ist die traditionell assoziierte Heimat für CA- und ECA-Materialien im Aluminium- und anderen Nichteisenmetallschmelzsektor. Die Kathode ist das positiv geladene "Ende". Als Elektroden wird die überlegene elektrische Leitfähigkeit von CA und ECA geschätzt. Als Materialien, die hohen Temperaturen ausgesetzt sein werden, wird die langfristige thermische Stabilität von CA und ECA geschätzt. Zeitgenössische Kathoden auf Basis von CA oder ECA bestehen aus etwa 70 Gewichtsprozent anthrazit, der Rest ist Graphit und eine Art Tarry-Bindemittel. Die Verwendung von anthrazit überlegener Qualität ist von entscheidender Bedeutung, da selbst geringe Mengen an Verunreinigungen wie Schwefel die thermische Ausdehnung der Kathode erhöhen können; Wärmeausdehnung führt zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands; dadurch den elektrochemischen Prozess weniger effizient und erfordert mehr Energieeinsatz(21). Weitere Vorteile bei der Verwendung von CA oder ECA in Elektroden sind hohe mechanische Festigkeit, geringe Wärmeleitfähigkeit und eine gute Oxidationsbeständigkeit.
Elektroden-/Rammpasten
Ramming Pasten sind komplexe Mischungen von Gießerei, um Risse zu reparieren, die in Elektroden oder Ofenauskleidungen bilden können - oder sogar Monolithen zu verbinden, um die Ofenauskleidung in erster Linie zu bilden. Ramming Pasten können als ein "Zement" gedacht werden, der feuerfeste Auskleidungen zusammenhält, sowie ein "Klebeputz" für schnelle Reparaturen, wenn auch eine Reparatur, die lange dauert. Die Verwendung von Rammpasten ist nützlich, da sie bedeutet, dass z.B. eine ganze Elektrode nicht ersetzt werden muss oder ein hochkomplizierter Monolith hergestellt werden muss, da kleinere, einfacher zu machende Monolithen stattdessen einfach zusammen fixiert werden können. Das letztgenannte Verfahren wird als "Halbmonolith"(22) bezeichnet, und obwohl die Leistung nicht so gut ist wie bei einem einzigen, kontinuierlichen Monolithen, werden Kosten und Komplexität erheblich reduziert.
Die hochwertigsten Rammpasten werden aus kalziniertem oder elektrisch kalziniertem Anthrazit hergestellt. Wie das für die Elektroden verwendete Material ist es stark und wird für die langfristige Stabilität geschätzt. Nach Untersuchungen sind ECA-basierte Rammpasten stärker als solche aus konventionell kalziniertem Anthrazit oder synthetischem Graphit(23). Die binderen Materialien, die bei der Bildung der Paste verwendet werden, spielen keine Rolle bei der Gesamtfestigkeit der Paste - das heißt, die Festigkeit ist weitgehend auf die Anwesenheit von ECA zurückzuführen. Etwa 80 Gewichtsprozent der Paste sind typischerweise kohlenstoffhaltige Saumaggregate wie ECA mit etwa 5 Gewichtsprozent als Bindemittel und der Saldo pech(24).
Ramming Pasten basierend auf einer der Varianten von Anthrazit werden als kalte Rammpasten verwendet. Die "Kälte" bezieht sich auf die Tatsache, dass sie bei Umgebungstemperatur angewendet werden und bei Umgebungstemperatur abkühlen dürfen. Während dies bedeutet, dass einige Zeit benötigt wird, um Elektroden oder Topffutter abkühlen zu lassen, bedeutet dies, dass eine zusätzliche Erwärmung zur Aushärtung der Paste nicht erforderlich ist. Kalte Rammpasten werden aufgrund ihrer hohen Druckfestigkeit und ihrer geringen elektrischen Widerstandseigenschaften geschätzt(25). Niedrige Konzentrationen von ausgestoßenen Gasen, wenn kalte Rammpaste schließlich vor Ort erhitzt wird, deuten darauf hin, dass ECA-basierte kaltrammende Pasten eine viel umweltfreundlichere Option sind als andere bituminöse Optionen(26).
Rappoport-Effekt
Der Rappoport-Effekt in Schmelz- und Elektrodenanwendungen bezieht sich auf die Tendenz von Kohlenstoff-Kathoden oder Kathodenblöcken, sich aufgrund des Eindringens fluorierter und Natrium-Verbindungen, die sich weitgehend auf Verunreinigungen in das Metall. Der Rappoport-Effekt ist ein physikalisches, nicht chemisches Phänomen. Eine solche Ausdehnung reduziert die Effizienz der Kathode(19) und verringert ihre verfügbare Oberfläche für Elektrolyseprozesse. Die Berechnungstemperatur und die Struktur des ursprünglichen kalzinierten Materials sind die Hauptschiedsrichter, ob der Rappoport-Effekt beobachtet wird(20). Kleine und konsistente Porengrößen auf CA werden als vorteilhaft angesehen, um den Rappoport-Effekt zu mildern. Es wurde berichtet, dass die Rappoport-Erweiterung umgekehrt proportional zur Kalzinationstemperatur bis 2.000 °C (21) ist.
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