Elektrisch kalziniertes Anthrazit

Gegenläufig ist Anthrazit ein lebensfähiges feuerfestes Material - aber noch mehr, wenn es kalziniert wurde - und noch mehr, wenn diese Kalzinierung elektrischer Natur ist. Es ist nicht nur eine umwelt- und ökonomisch verantwortliche Methode zur Berechnung von Anthrazit, sondern elektrisch kalziniertes Anthrazit hat viele Eigenschaften, die es gut für den industriellen Einsatz geeignet machen. Die beste Qualität elektrisch kalziniertes Anthrazit beginnt mit überlegenem Anthrazit, wie das von afrikanischem Pegmatit geliefert.

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 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.

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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 Kalzinierung verliehen werden, eher aus der Temperatur der Kalzinierung als aus der Zeit entstehen(9).

Untersuchungen haben gezeigt, dass die optimalen Bedingungen für die Herstellung von elektrisch kalziniertem Anthrazit, das für Elektrodenanwendungen geeignet ist (siehe weiter unten), in einem 500 kW Elektroofen bei 1.500 bis 1.650 °C liegen, wo im Vergleich zu anderen modernen Heiztechniken die Produktivität um 26,9 % gesteigert und der Energieverbrauch um 21,3 % reduziert wurde(10).

Die CA/ECA-Fertigung bei höchsten Temperaturen produziert ein Produkt, das als semigraphitisiertes Anthrazit bezeichnet wird. 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

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.

kalzinierte Anthrazitstäbe
kalzinierte anthrazitano- und Kathodenstäbe

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

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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 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).

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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.

Kalzinierte anthrazitische und graphisierte Kohlenstoff

Graphitisierung ist ein Prozess, der in vielen kohlenstoffhaltigen Materialien unter geeigneten Bedingungen der Temperatur und Atmosphäre auftreten kann. Richtig bezieht es sich auf ein Verfahren, das Kohlenstoffmaterialien so umwandelt, dass sie die Eigenschaften von Graphit über die Bildung einer molekularen Struktur annehmen, die der von Graphit ähnelt (schichtierte Platten, im Gegensatz zu kontinuierlichen kovalenten Bindungen wie bei Diamanten). Einer der Hauptvorteile von Graphit ist seine überlegene elektrische Leitfähigkeit. Die Graphitisierung tritt auf, wenn ein festes Kohlenstoffmaterial 2.200 °C erreicht; eine partielle Graphitisierung kann schon ab 1.400 °C auftreten, was bei Kalzinationstemperaturen möglich ist(35). Es kann als vorteilhaft angesehen werden, ein kostengünstiges Material wie Anthrazit zu einem wertvollen und hochleitfähigen Graphit-ähnlichen Material graphisieren zu können.

kalziniertes Anthrazit in einem Haufen

Beratung von Manganoxid

  • 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

 

Afrikanisches Pegmatit ist ein bevorzugter Anbieter für die Feuerfest-, Schmelz- und Metallgussindustrie für die zuverlässige Versorgung mit hochwertigstem Anthrazit, kalziniertem Anthrazit und elektrisch kalziniertem Anthrazit für die anspruchsvollsten Anwendungen. Afrikanische Pegmatite verfügt über große Reichweite, breite Erfahrung und das Wissen, um das beste Produkt zur richtigen Zeit zu liefern.

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

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