Elektrisch kalziniertes Anthrazit

Der globale Markt für kalziniertes Anthrazit wird bis 2024 voraussichtlich 3,4 Mrd. USD jährlich erreichen(1), es ist unerlässlich, dass Prozesse zur effizienten und robusten Kalzinierung von Anthrazit genutzt werden - um das bestmögliche Material zu produzieren. Zur Kürze dieser Arbeiten werden elektrisch kalzinierte skalzierte und "regelmäßige" kalzinierte anthrazit mit den Abkürzungen ECA bzw. CA bezeichnet.

Einführung in kalziniertes Anthrazit

Anthrazit ist eine der höherwertigen Formen von Kohlenstoff, die selbst für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet wird. Es befindet sich häufig auf der ganzen Welt und profitiert von einem hoch entwickelten Bergbau- und Vertriebssystem.

Verbesserungsprozesse für das bereits aschearme und wenig flüchtige organisch enthaltende Anthrazit wie Kalzinierung werden seit langem verwendet, um Anthrazit zu modifizieren, um es zu einem feuerfesten Material mit einer porösen Struktur zu machen.

Die Kalzinierung ist ein Verfahren, bei dem ein Material deutlich erhitzt, aber nicht verbrannt werden darf. Es wird oft verwendet, um die Festigkeitseigenschaften eines Materials zu verbessern, die Härte zu verbessern oder einfach ein länger anhaltendes Material zu liefern, das besser gegen Erosion oder Zerfall resistent ist.

Anthrazit ist ein oft kalziniertes Material, wobei kalziniertes Anthrazit einen großen Strauß von Anwendungen in Gießerei- und Metallproduktionsanwendungen hat(2,3). Bei Anwendungen wie in Elektroden verringert die Kalzinierung die elektrischen Widerstandseigenschaften des Materials und entfernt alle verbleibenden flüchtigen organischen Verbindungen. Nicht kalziniertes Anthrazit ist ein elektrischer Isolator (d.h. es führt schlecht). Studien haben gezeigt, dass CA/ECA, die so niedrig wie 900 °C kalkuliert werden, einen erheblichen Anstieg ihrer elektrischen Leitfähigkeit aufweist; bei Kalzinationstemperaturen von 1.300 °C (4,5) nur 1.000 ° Widerstand erreichen.

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Im Vorfeld eines Kalzinierungsprozesses ist zu betonen, dass ein hochwertiges Anthrazit als Ausgangsmaterial verwendet werden muss(6).

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Elektrisch kalziniertes Anthrazit (ECA)

ECA ist Anthrazit, das nicht von einem Gasofen, sondern von einem Elektroofen kalziniert wurde, und das Verfahren wird als "Elektrokalzinierung" bezeichnet. Die Elektrokalzinierung ähnelt funktionell dem herkömmlichen Gasfeuerverfahren und produziert ein Produkt, das weitgehend nicht unterscheidbar ist, aber als kontinuierlicher Prozess betrieben wird, der einen inhärenten Effizienzvorteil gegenüber einem normalen Gasofen bietet(7). Das erste Beispiel für die kontinuierliche Eletro-Kalzinierung im industriellen Maßstab wurde in China in den 1980er Jahren demonstriert. Moderne Elektrokalzinationsanlagen nutzen Gleichstrom über Wechselstrom, da die Effizienz trotz einer Leistungsreduzierung von ca. 20(8) größer ist. Einer der Hauptvorteile der Elektrokalzinierung ist eine wesentlich einfachere Wärmekontrolle und eine völlig gleichmäßige Wärmeverteilung. Dies sorgt für ein völlig einheitliches kalziniertes Produkt, das für den weiteren Gebrauch bereit ist.

Im Vergleich zu CA wird ECA oft als mit einem etwas höheren elektrischen Widerstand, aber mit einem besseren Langfristigen Stabilitätsprofil angesehen. In der Fertigung wird ECA tendenziell bei einer höheren Temperatur als CA erhitzt, jedoch für eine viel kürzere Zeit. Es wurde festgestellt, dass die vorteilhaften Eigenschaften, die durch Diekalzinierung verliehen werden, eher aus der Temperatur der Kalzinierung als aus der Zeit resultiert(9).

Die CA/ECA-Fertigung bei höchsten Temperaturen produziert ein Produkt, das auf semigraphitisiertes Anthrazit verweist. Das heißt, die Anwendung einer signifikanten Temperatur verursacht einen Graphitisierungsprozess auf dem Anthrazit - das Material härter und widerstandsfähiger. Die Kalzinierung (beider Arten) ist stark mit einer Zunahme der Druck- und Strukturfestigkeit verbunden, die mit porosity levels zusammenhängt.

Strom, der zur Herstellung von eklektrifiziertem Kalkanthrazit verwendet wird
ofen mit claciniertem Anthrazit

Anwendungen

Weltweit sind die wichtigsten Anwendungen für ECA die Herstellung von Elektroden, Elektrodenpaste und die Herstellung von Stahl und Aluminium. In der Regel kann ECA überall dort verwendet werden, wo CA verwendet wird. Eine wichtige Überlegung bei der Wahl zwischen CA und ECA ist die Umwelt - die Verwendung von Gasöfen zur Herstellung konventioneller CA produziert erhebliche Mengen an Treibhausgasen vor Ort. Andererseits kann der EuRH mit "sauberen" oder erneuerbaren Energien erzeugt werden, wenn die Versorgung aus einer geeigneten Quelle erfolgt.

Für die Herstellung von Aluminium wird ECA neben Elektroden auch in der Auskleidung der Topfhütte als Isolator eingesetzt (siehe unten). Für die Stahl- und andere Eisenmetallproduktion wird sie als Elektrode für elektrische Schmelzprozesse eingesetzt(10). ECA/CA kann auch in Gießereikuppeln verwendet werden(11).

Dabei werden primär Anwendungen des EuRH erörtert, d. h. die Herstellung von Elektroden und Rammpasten. In Bezug auf Elektroden sind moderne Beispiele in der Regel Kohlenstoff- oder Graphitbasis, wobei der Kohlenstoff CA/ECA ist. CA/ECA werden aufgrund ihrer relativ kostengünstigen Natur und der gut geeigneten elektrischen Widerstandseigenschaften verwendet(12).

kalzinierte Anthrazitstäbe
kalzinierte anthrazitano- und Kathodenstäbe

Elektrodenkathoden

CA und ECA werden seit langem für den kathodischen Teil einer elektrochemischen Zelle verwendet, um eine Vielzahl von Elementen aus Lösungen und/oder für das Schmelzen von Nichteisenmetallen herzustellen/extrahieren. CA/ECA werden am häufigsten als Kathode (das positiv geladene "Ende") verwendet und verlassen sich neben der langfristigen Schüttstabilität auf die hervorragenden elektrischen Leitungseigenschaften von CA/ECA.

In einem elektrothermischen Ofen wird Wärme durch Diedurchleitung von Strom durch kohlenstoffhaltige Elektroden bereitgestellt, solche Elektroden können hauptsächlich oder ausschließlich aus ECA zusammengesetzt werden. Elektroden für diese Anwendung müssen eine hohe Kapazität für elektrische Leitfähigkeit, eine langsame Oxidationsrate, hohe mechanische Festigkeit und geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Hochwertige ECA hat diese Eigenschaften. Elektroden können aus Monolithen von ECA, Halbmonolithen (siehe Rammpasten unten) oder durch ein Verfahren gebildet werden, bei dem zerkleinerte ECA und harz zu einer Elektrode durch Kompression und Erwärmung gebildet werden(13).

Bei der Verwendung bei der Aluminiumverhüttung enthalten Elektroden mit einer Basis von ca. ECA rund 70 Gewichtsprozent ECA, die auf mehr als 1.200 °C wärmebehandelt wurden, wobei die Waage aus Teer und gefräster Graphit besteht. Interessanterweise hat die Forschung gezeigt, dass der elektrische Widerstand mit der thermischen Ausdehnung der Kathode zunimmt, und diese Ausdehnung steigt mit einem größeren Schwefelgehalt in der CA/ECA. Ein entscheidender Faktor bei der Kathodenproduktion ist daher die Auswahl von Anthrazit höchster Qualität(14).

Elektrodenanoden

Obwohl weniger beliebt, ist es möglich, ECA als Anode in der Aluminiumproduktion zu nutzen. Der EuRH, der die gleichen Eigenschaften wie für eine Kathode benötigt, hat Erdölkoks weitgehend als Identität der Anode ersetzt(15). Untersuchungen zeigten, dass Anoden mit nur 20 Gewichtsprozent ECA-Gehalt machbar sind, aber mit etwa 40 idealisiert werden. Auch hier sollte in erster Linie hochreine Kohle mit niedrigem Aschegehalt verwendet werden, da hoher Aschegehalt teilweise für niederscheine und niederscheine Wirkungselektroden verantwortlich ist(16).

Elektroden- / Stampfpasten

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Anoden und Kathoden, wenn sie aus dem EuRH bestehen, sind für ihre langfristige Stabilität bekannt, aber manchmal kommt es zu Zwischenfällen, die Risse oder ähnliche Schäden verursachen. In solchen Fällen ist die Reparatur oft dem Austausch vorzuziehen, und so werden rammende Pasten für die Reparatur der Elektrodenplatte in ähnlicher Weise wie Gipsfüller verwendet, die in Hauswänden verwendet werden. Die hochwertigsten Rammpasten bestehen aus ECA.

Darüber hinaus können halbmonolithische ECA-Elektroden gebildet werden, indem rammende Pasten verwendet werden, um kleinere ECA-Monolithen miteinander zu verbinden, wobei sich die Rammpaste wie Kleber verhält - Monolithen werden zusammen mit Rammpaste platziert und das gesamte System zu einem großen Halbmonolithen verdichtet(17). Obwohl die Leistung nicht so gut ist wie bei einer einzelnen Monolithelektrode, werden die Kosten deutlich reduziert, und die Festigkeit der ECA-haltigen Rammpaste ist stärker als die Pasten aus CA oder synthetischem Graphit gemäß der Sekundärliteratur(18). Die gleiche Arbeit deutete darauf hin, dass das in der Paste verwendete Bindemittelmaterial, das auf Chinolin basisgt e.B. war, keinen Einfluss auf die Dichte oder Druckfestigkeit der Paste hatte.

ECA-basierte Rammpasten werden bevorzugt als kalte Rammpasten verwendet - d. h. sie werden aufgetragen und bei Umgebungstemperatur aushärten dürfen. Dies allein verschafft einen Vorteil, da keine Heizung erforderlich ist. Solche rammenden Pasten genießen geringe elektrische Widerstandseigenschaften und hohe Druckfestigkeitswerte. Daten aus Studien in China deuten darauf hin, dass ECA-Rammpaste mit Phenolformaldehydharz als Bindemittel eine Resistenz in der 50-Zoll-Region mit ca. 30 MPa Stärke aufweist(19).

Laut Patentliteratur enthalten rammende Pasten etwa 80 Gewichtsprozent kohlenstoffhaltiges Pulveraggregat und bis zu 5 mal Gewicht Bindemittel. Die Waage ist in der Regel Pitch(20). Darüber hinaus kann kalte Rammpaste auf Basis von ECA aufgrund einer geringen Toxizitätsmessung der entwichenen Gase aus dem Zeitpunkt der Erhitzung der Paste als "ökofreundliches" Material angesehen werden(21). ECA kann aus gechiptem/pulverisiertem Anthrazit hergestellt werden und ist hier das "kohlenstoffhaltige Pulveraggregat". ECA Rammpasten sind für ihre langfristige Stabilität bekannt und nicht nur als "Schnelle Lösung" für beschädigte monolithische Elektroden.

Überlegungen bei der Verwendung von ECA

In einigen Bogenöfen früherer Generation kann es zu einem radialen Temperaturgradienten kommen, der zu einem Mangel an Homogenität im Kalzinierungsprozess führen kann. Durch moderne Heizelemente gemildert, wird dies nicht mehr als Problem betrachtet. Der Rappoport-Effekt ist ein Phänomen, bei dem die Porenstruktur von CA/ECA durch natrium- und fluorhaltige Verbindungen, die in sie eindringen, zu einer Ausdehnung führt(22), eine solche Ausdehnung führt zu Einer Ineffizienz der elektrischen Leitfähigkeit.

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Andere Anwendungen

Aufgrund der Art des hochwertigen EuRH, der sich einem Graphitisierungsprozess unter Erhitzung unterzieht, kann synthetischer Graphit schließlich aus dem EuRH gebildet werden(23); Anthrazit beginnt bei etwa 2.200 °C (24) mit der Graphitisierung. Obwohl es sich um einen geringfügigen Einsatz handelt, kann eCA als Hochleistungsvergaser in der Graueisenerzeugung aus Stahlabfällen verwendet werden(25). ECA wird als ein wesentlich qualitativ hochwertigeres Produkt als herkömmliche CA wahrgenommen und wird daher nicht in gängigen CA-Anwendungen wie in Gießformen und als Hochofenauskleidung enden.

kalziniertes Anthrazit in einem Haufen

Zusammenfassung

  • ECA ist ein nützliches Material bei der Herstellung von monolithischen und halbmonolithischen Elektroden und Rammpasten
  • ECA wird in der Regel in diesen Höher-End-Anwendungen verwendet, wobei herkömmliche Zertifizierungsstellen breiteren Massenverwendungen vorbehalten sind.
  • Die Kalzinierung mit elektrischen Mitteln gilt als besser als andere Methoden aufgrund einer gleichmäßigeren Erwärmung bei einer höheren Temperatur
  • EuRH verlangt keine Verbrennung fossiler Brennstoffe vor Ort
  • ECA verfügt über hervorragende Eigenschaften in Bezug auf elektrische Leitfähigkeit, mechanische/komprimive Festigkeit und Langzeitstabilität

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Topf gefüllt mit gefrästen Anthrazit

Verweise

1 MarketWatch (online), 2019, Electrically Calcined Anthrazit Market (ECA) Incredible Possibilities, Growth with Industry Study, Detailed Analysis and Forecast to 2025, abgerufen am 28. Februar 2020, https://www.marketwatch.com/press-release/electrically-calcined-anthracite-market-eca-incredible-possibilities-growth-with-industry-study-detailed-analysis-and-forecast-to-2025-2019-09-06

2 S. Ge et al., Metallurg. Mater. Trans. B, 1968, 20. 67

3 US-Patent US9695088B2, 2010

4 I. V. Surotseva et al., Koks und Chem., 2012, 55, 231

5 V. I. Lakomskii, Koks und Chemie, 2012, 55, 266

6 M. M. Gasik et al., Modellierung und Optimierung der Anthrazitbehandlung in einem Elektroverkalker, in: 12. Internationaler Ferrolegierungskongress, Helsinki, 2010

7 H. Zhao et al., Entwicklung und Anwendung von Elektrokalzinern mit erhöhter Kalzinationstemperatur, in: O. Martin (ed) Light Metals 2018, TMS 2018, The Minerals, Metals & Materials Series. Springer, Cambridge, 2018

8 I. M. Kashlev und V. M. Strakhov, Coke and Chem., 2018, 61, 136

9 B. G. Furdin et al., Carbon, 2000, 38, 1207

10 H. Hayashi et al., J. Metals, 1968, 20, 63

11 A. F. Baker et al., Use of Calcined Anthrazit in Foundry Cupolas, Bureau of Mines, United States Department of the Interior, Washington DC, 1963

12 I. M Kashlev und V. M. Strakhov, Coke and Chem., 2008, 61, 136

13 B. Chatterjee, Anwendung von Elektroden in Ferrolegierungsöfen, in: 4. Refresher Kurs auf FerroLegierungen, Jamedpur, Indien, 1994

14 D. Belitskus, Metallurg. Trans. B 1976, 7, 543

15 Z. Zhi et al., Proc. Erde und Planetary Sci.Transportjahr 2009, 1, 694

16 C. P. Xie et al., Clean Coal Tech., 2004, 10, 45

17 J. A. S. Belmonte et al., Densification of Ramming Paste in Cathodes, in: A. Tomsett and J. Johnson (eds), Essential Readings in Light Metals, Springer, Cambridge, 2016

18 H. A. 'ye et al., Early Failure Mechanisms in Aluminium Cell Cathodes, in: A. Tomsett and J. Johnson (eds), Essential Readings in Light Metals, Springer, Cambridge, 2016

19 L. Tian et al., Kinn. J. Proc. Eng., 2011, 3, 1

20 US-Patent US3925092A, 1974, abgelaufen

21 J. Zeng et al., Adv. Mater. Res., 2011, 399, 1206

22 J. M. Peyneau, Design of Highly Reliable Pot Linings, in: A. Tomsett und J. Johnson (Eds), Essential Readings in Light Metals, Springer, Cambridge, 2016

23 C. E. Burgess-Clifford et al., Kraftstoffprozess. Tech., 2009, 90, 1515

24 A. B. Garcia et al., Kraftstoffprozess. Tech.Transportjahr 2002, 79, 245

25 K. Janerka et al., Adv. Mater. Res., 2012, 622, 685