Einführung in Calcined 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.
Im Vorfeld eines Kalzinierungsprozesses ist zu betonen, dass ein hochwertiges Anthrazit als Ausgangsmaterial verwendet werden muss(6).
Anwendungen
Es ist vielleicht kontraintuitiv, dass Anthrazit schon lange als Feuerfest verwendet wird - mit der Begründung, dass es als Form der Kohle leicht verbrennen würde. Es ist ein Beispiel für neutrales feuerfestes Material, was bedeutet, dass es keine Reaktivität mit sauren oder grundlegenden Atmosphären oder Schlacken gibt. Da wärmebehandelte Versionen von Anthrazit, CA und ECA stärker, poröser und besser elektrischer Leiter sind als unbehandeltes Anthrazit.
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(11). ECA/CA kann auch in Gießereikuppeln verwendet werden(12).
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(13).
Während der Kalzinierung beginnt Anthrazit bei etwa 2.200 °C(14) mit der Graphitisierung. Aufgrund der Graphitisierung wird synthetischer Graphit im Rahmen des Herstellungsprozesses von ECA gebildet(15). Elektrische Kalzinierung ist energieeffizienter als Kalzinierung durch Gasheizung zu erreichen. Graphit selbst ist ein feuerfestes Material. CA hat kleine und durchgängig große Poren. Kalkiertes Anthrazit findet einen umfangreichen Einsatz in monolithischen, gussbaren graphitischen Feuerfeststoffen, was für die Eisen- und Nichteisenmetallproduktion von großem Nutzen ist. Eine breite Anwendbarkeit, ein gutes Reinheitsgrad und niedrige Kosten machen ECA zu einer beliebten Wahl in feuerfesten Umgebungen.
Speziell für Schmelzanwendungen weist ECA einen interessanten elektrischen Widerstand auf, der deutlich niedriger ist als Anthrazit(16); Der EuRH ist ein guter Dirigent. Dies macht es ideal für den Einsatz als Elektrode für die Aluminiumverhüttung (später) und darüber hinaus haben Elektroden auf Basis von ECA zum Schmelzen eine langsame Oxidationsrate. In Kombination mit einer hohen mechanischen und Druckfestigkeit und geringer Wärmeleitfähigkeit ist ECA die ideale Wahl. Elektroden können aus Monolithen von ECA, Halbmonolithen oder einer Verbundprinzessin gebildet werden, bei denen Harze verwendet werden, um kleine Monolithen oder pulverisierte ECA zusammenzukleben.
Elektroden-Kathoden
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).
Elektroden-Anoden
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(19). 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 hohe Aschegehalte teilweise für niederscheine und niederscheine Effiziente Elektroden verantwortlich sind(20).
Wie bereits erwähnt, ist eine der überlegenen Eigenschaften des EuRH seine sehr leitfähige Natur, und daher ist es angebracht, dass eine schnell wachsende Anwendung für ECA in der Produktion von Anoden für moderne Batteriezellen liegt. Die klar definierte molekulare Struktur und die geringe Dichte führen dazu, dass solche Anoden nicht nur sehr leitfähig sind, als auch leicht sind. Anwendungsfälle sind in High-End-Lithium-Ionen-Zellen(21) und in Batterie-Arrays für Elektrofahrzeuge(22). Einige der leistungsstärksten Beispiele finden sich in Natrium-Vanadium-Phosphat-Zellen, in denen der Einsatz von ECA als Elektrode die Eigenschaften der Batterien in Bezug auf eine verbesserte Energiedichte und die Fähigkeit, schnell geladen zu werden, verbessert(23). Als Elektrode kann ECA als ganzer oder Teil der Elektrodenmasse verwendet werden, oft mehr als 50 %, oder sogar als Beschichtung.
Elektroden/Rammen Pasten
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 werden hauptsächlich aus dem EuRH hergestellt.
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(24). 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(25). 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 hat(26). Laut Patentliteratur enthalten rammende Pasten etwa 80 Gewichtsprozent kohlenstoffhaltiges Pulveraggregat und bis zu 5 mal Gewicht Bindemittel. Die Waage ist in der Regel Pitch(27). 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(28). 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(29), eine solche Ausdehnung führt zu Einer Ineffizienz der elektrischen Leitfähigkeit.
In vielen Anwendungen von ECA (und CA), wie z. B. in Elektroden und Rammpasten, umfasst ein Teil der Zusammensetzung häufig eine Art harziges oder kohlenstoffhaltiges Bindemittel und/oder Füllmaterial. Die Forschung hat die Bedeutung dieser Materialien und ihre Wechselwirkungen mit den kalzinierten Materialien festgestellt - wobei diese Materialien auch zur langfristigen Stabilität der betreffenden Elektrode oder Rammpaste beitragen. Wenn Füllstoffe für Elektroden selbst aus ECA hergestellt worden waren, war ihre mechanische Gesamtfestigkeit weniger mit Schwankungen in der Porenstruktur verbunden als bei der Verwendung von einfachem Koks als Füllstoff(30). Bei der kontinuierlichen Ablösung von Koks in diesen Situationen wird ein qualitativ hochwertiger ECA verwendet. Studien mit dem Ziel, den EuRH zu optimieren, haben gezeigt, dass bei einer Einstellung des Aschegehalts auf 0,95 Gewichtsprozent und einer Volumendichte von 1,452 g cm-3höchste Druckfestigkeitswerte von 37,59 MPa und elektrische Widerstandswerte von 54,72 m-1 erreicht werden können(31).
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.
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