CN117425718A - 改进的沥青产品、其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及包含石油衍生的蒸馏残渣和煤焦油衍生的蒸馏残渣的沥青产品,所述沥青产品的特征在于沥青质浓度为至少84%(SARA)。此外,本发明涉及包含所述沥青产品的沥青粘合剂,其特别用于制造用于电弧炉的石墨电极以及用于铝生产的碳阳极和索德伯格糊料。本发明还进一步涉及包含所述沥青粘合剂的石墨电极,以及包含所述沥青粘合剂的碳阳极。本发明还提供了用于生产包含石油衍生的蒸馏残渣和煤焦油衍生的蒸馏残渣的沥青产品的方法,所述方法包括用于获得所述石油衍生的蒸馏残渣的石油真空蒸馏工艺步骤,以及用于制造石墨电极或碳阳极的方法,其包括用于生产沥青产品的所述方法。
Description
技术领域
本发明总体上涉及包含石油衍生的蒸馏残渣和煤焦油衍生的蒸馏残渣的沥青产品,更具体地,涉及用于制造用于电弧炉的石墨电极和用于铝生产的碳阳极的沥青产品。
另外,本发明涉及用于生产这种沥青产品的方法。
背景技术
用于钢铁制造的石墨电极和用于铝工业的预焙烧碳阳极通过热混合煅烧焦炭和烃碳前体并将混合物成型为生坯电极型材来生产的,所述生坯电极型材在随后的焙烧过程中被碳化。烃粘合剂材料为未焙烧(生坯)电极型材提供足够的机械强度,并在焙烧过程中转化为碳。所得碳半石墨化电极满足作为铝生产中使用的电解槽中的阳极的要求。将在用于钢铁生产的电弧炉中使用的电极进一步用烃浸渍沥青浸渍、碳化并随后石墨化。对于在索德伯格(Soederberg)电解槽中用作电极,通过热混合干骨料(煅烧焦炭、无烟煤、石墨等)和烃粘合剂来产生糊料,将其形成为团块或其他预成型型材,并转移到索德伯格电解槽中,随后在该电解槽中使自身碳化。
传统上,在用于电弧炉的这些石墨电极和用于铝生产的碳阳极(包括预焙烧阳极和索德伯格阳极)的制造中的烃沥青粘合剂材料是煤焦油沥青,因为它满足生坯阶段的机械要求,并且在碳化过程中以非常高的焦炭产率转化成导电碳,从而避免由于在碳化过程中形成的挥发物较少而导致所得制品中的高孔隙率。此外,用于浸渍石墨电极的烃浸渍沥青典型地基于煤焦油蒸馏产品。
作为在钢铁生产中使用的冶金焦炭生产的副产品,煤焦油的供应一直很充足。然而,最近由于对原铁的需求减少,冶金焦炭产量减少,并且因此可用的煤焦油也减少。
煤焦油沥青粘合剂的另一个缺点是相当大量(在典型的粘度范围内,约10000ppm)的苯并(a)芘,其被归类为致癌物质。除了B(a)P含量之外,其他多环芳烃也被认为对健康和环境有害。
在尝试从比煤焦油含有更少苯并[a]芘的石油来源生产替代沥青时,已经考虑了石油衍生的沥青。
然而,如果在电极生产过程中用作纯粘合剂材料,则石油衍生的沥青无法获得与煤焦油沥青相同的质量参数。第一个缺点是它的焦炭产率比煤焦油沥青低,并且其次,它不具有任何主要的喹啉不溶成分。这些主要的喹啉不溶成分被认为有利于铝生产中的阳极质量,并且包含在常规的煤焦油基沥青中。
已知的石油衍生沥青材料的另一个缺点典型地是低于100℃的软化点太低,不适用于制造石墨电极的烃沥青粘合剂材料,其中软化点目标是110℃-130℃。这些低软化点还限制了石油沥青在与煤焦油沥青的共混物中的使用(例如US 5,746,906)。
另外,现有石油基沥青的低于200℃的典型低闪点在电极制造过程中引起了安全问题,该电极制造过程可以包括在高达200℃的温度下的热混合过程。
总之,在工业规模上生产合适的石油沥青的尝试中,没有一种尝试提供了能够以高产量可靠地服务于铝工业的煤焦油沥青粘合剂的替代品。
更具体地,迄今为止,无论是纯石油衍生沥青,还是石油沥青与煤焦油沥青的共混物(石油沥青的量基本上高于10%)都不能满足在制造碳和石墨电极中用作烃沥青粘合剂材料的必要要求。
鉴于上述情况,本发明的总体目的是提供煤焦油沥青粘合剂的替代品,其允许增加的供应安全性,并满足在碳电极和石墨电极的制造中用作烃沥青粘合剂材料的必要要求。
本发明的另一个目的是提供替代性沥青粘合剂,其导致索德伯格技术中使用的石墨电极、预焙烧阳极和糊料具有相似的焦值以及相似的加工和性能。
本发明的另外的目的是提供更环保的煤焦油沥青粘合剂的替代品。
发明内容
在根据本发明的第一方面,提供了沥青产品,其包含混合为按重量计在20:80与70:30之间的石油衍生的蒸馏残渣和煤焦油衍生的蒸馏残渣的共混物,所述沥青产品的特征在于沥青质浓度为至少84%(SARA,如根据ASTM D2007通过粘土-凝胶吸收色谱法所测量的)。
在本发明的第二方面,提供了包含如本文所述的沥青产品的沥青粘合剂,所述沥青粘合剂用于制造任何类型的碳基成型型材,并且特别用于制造用于电弧炉的石墨电极以及用于铝生产的碳阳极和索德伯格糊料。
在根据本发明的第三方面,提供了包含所述沥青粘合剂的石墨电极。
在根据本发明的第四方面,提供了包含所述沥青粘合剂的碳阳极。
在根据本发明的第五方面,提供了用于生产沥青产品的方法,所述沥青产品包含石油衍生的蒸馏残渣和煤焦油衍生的蒸馏残渣,所述方法包括用于获得所述石油衍生的蒸馏残渣的石油真空蒸馏工艺步骤和将石油衍生的蒸馏残渣与煤焦油衍生的蒸馏残渣共混。
在根据本发明的第六方面,提供了用于制造石墨电极或碳阳极的方法,其包括用于生产沥青产品的所述方法。
具体实施方式
如本文所述的沥青产品作为煤焦油沥青粘合剂的替代品提供,满足铝工业和/或石墨工业的要求,并且具有苯并(a)芘含量低和可获得量充足的优点。
在根据本发明的第一方面,提供了包含石油衍生的蒸馏残渣和煤焦油衍生的蒸馏残渣的沥青产品,所述沥青产品的特征在于沥青质浓度为至少84%、或至少86%、或至少90%,如根据ASTM D2007通过SARA方法粘土-凝胶吸收色谱法所测量的。
此外,沥青产品可以具有低于10%的树脂含量,如根据ASTM D2007通过粘土-凝胶吸收色谱法所测量的。
诸位发明人出人意料地发现,包含石油衍生的蒸馏残渣和煤焦油衍生的蒸馏残渣并且含有与已知煤焦油沥青粘合剂相比相似水平的量的沥青质(如根据ASTM D2007通过SARA方法粘土-凝胶吸收色谱法所测量的)的沥青产品在目标软化点(例如110℃-150℃(梅特勒(Mettler))下显示出至少45% ALCAN的焦值。至少84%、或至少86%、或至少90%的沥青质浓度可以分别导致焦值增加。沥青产品确保了所得生坯焦炭型材具有足够的机械强度,并在碳化过程中具有低收缩率。所得结合焦炭的碳化型材显示出低孔隙率和透气性,此外还显示出足够的导电性。
众所周知,沥青质是固体,其不溶于石蜡族溶剂并且具有高熔点,并且由于其高度芳香环结构和高分子量而易于形成各向同性焦炭。例如,沥青质可以是戊烷或庚烷不溶物(参见例如EP 0072243 B1)。
SARA分析是测量重质原油、馏分油和原料中的饱和烃、沥青质、树脂、芳香族化合物的常用方法。除了粘土-凝胶(ASTM D-2007)之外的SARA分析方法可以是遵循IP-469的TLC/FID;或IP-143,随后是制备型HPLC(IP-368)。SARA分析在行业内由例如Intertek或Iactroscan公司提供。
此外,本文中提到的沥青质的量可以包括ASTM D-2007中定义的损失。
在根据本发明的实施例中,沥青产品可以具有触变行为,具有至少20%(DIN91143-2)、或至少40%、或至少60%、或高达90%的60秒后高粘度恢复。这种触变行为表明良好的加工和浸渍特征。不受任何理论的束缚,出人意料地高的恢复率可能是由于固体成分的量较少,这些固体成分干扰分子间排列和较大分子之间的相互作用,并因此干扰剪切力冲击后沥青结构的重置。
液体粘合剂沥青的高触变性是重要的,因为对用于电极制造的沥青粘合剂的重要要求是在电极制造过程中加工和润湿并浸渍由焦炭形成的压缩电极的能力。将熔融液体沥青泵送并与焦炭混合,并由此施加高剪切力。通常,沥青的这种泵送和混合需要液体沥青的低粘度。相反,压缩电极的浸渍和孔填充需要较高的沥青粘度以将粘合剂沥青保留在孔中。在高剪切速率下的粘度应该低,而在低剪切速率下的粘度应该高。另外,在施加和释放剪切能之后的高粘度累积或恢复率在应用中是有利的。
更具体地,本发明的沥青产品可以具有至少84%、或至少86%、或甚至至少90%的沥青质(SARA)浓度,以及至少25%、或至少40%、或甚至至少60%的60秒后高粘度恢复。
在根据本发明的实施例中,沥青产品可以具有低于10%的树脂含量(SARA),这可有助于其高焦炭产率。
在根据本发明的另一个实施例中,沥青产品可以具有小于8500ppm、或小于7000ppm、或小于5000ppm、或甚至小于3000ppm的B(a)P含量,和/或小于7%(m/m)、或甚至小于5%的16EPA-PAH总和(根据美国环境保护局(EPA)的多环芳香烃)。与纯煤焦油衍生的沥青产品相比,足够低的B(a)P含量和/或16EPA-PAH总和明显导致改进的环保性。低B(a)P含量的沥青粘合剂产品也可以有利地用于制造铝电极(预焙烧阳极和索德伯格阳极)和电弧炉。
在另外的实施例中,沥青产品在110℃-150℃梅特勒之间的软化点下可以具有至少45% Alcan、或至少50% Alcan、或至少55% Alcan的焦炭产率。当沥青产品在碳化过程中转化为碳时,足够高的焦炭产率允许避免由于在碳化过程中形成的挥发物较少而导致所得型材中的高孔隙率。同时,高焦炭产率避免了生坯阳极在焙烧过程中的高收缩率,高收缩率会导致裂纹以及型材超出可接受的尺寸公差的风险。此外,由于沥青产品实际上是碳前体,因此足够高的焦炭产率对于达到焙烧阳极/电极的孔隙率目标至关重要。
在另外的实施例中,沥青产品可以具有在200℃与270℃之间、优选地在220℃与245℃之间的闪点,从而允许根据热混合过程中可能需要的安全要求来加工沥青产品。
更具体地,本发明的沥青产品可以具有至少84%、或至少86%、或甚至至少90%的沥青质浓度,以及在200℃与270℃之间、优选地在220℃与245℃之间的闪点。
在本发明的实施例中,沥青产品可以具有在110℃与150℃梅特勒之间的软化点,这是制造在钢铁和铝生产中使用的电极以及用于铝生产的索德伯格糊料的目标范围。
根据本发明,沥青产品可以是石油衍生的蒸馏残渣和煤焦油衍生的蒸馏残渣的共混物。在实施例中,所述共混物可以具有在20:80与70:30之间、优选地在30:70与60:40之间、并且甚至更优选地在40:60与50:50之间的混合比。这种混合比可以导致软化点在110℃与140℃梅特勒之间,喹啉不溶物范围为2%-12%、优选地2%-8%,β-树脂含量为13%-25%,并且用Alcan方法测量的焦炭产率(值)为至少45%。
更具体地,本发明的沥青产品可以具有至少84%、或至少86%、或甚至至少90%的沥青质浓度,以及在30:70与60:40之间、并且甚至更优选地在40:60与50:50之间的混合比。
在本发明的特定实施例中,沥青产品可以具有至少45% Alcan的焦炭产率、在110℃与140℃梅特勒之间的软化点、范围为2%-12%的喹啉不溶物以及13%-25%的β-树脂含量。更优选地,喹啉不溶物在2%-8%的范围内。
在实施例中,作为石油衍生的蒸馏残渣和煤焦油衍生的沥青的共混物的沥青产品,可以在共混比方面进行优化,以具有比石油衍生的蒸馏残余物和煤焦油衍生的蒸馏残余物各自计算的加权平均焦化值高至少0,5wt.%的焦化值(Alcan)增益。
在优选的实施例中,通过石油真空蒸馏工艺步骤获得的石油衍生的蒸馏残渣的特征可以在于沥青质浓度为至少80%、或至少84%、或至少86%,如根据ASTM D2007通过粘土-凝胶吸收色谱法所测量的,并且软化点为至少110°梅特勒、或至少120°梅特勒。所述石油衍生的蒸馏残渣可以具有至少45%alcan的焦炭产率。
在另一个实施例中,根据本发明的沥青产品可以包含衍生自通过热解石油流产生的原材料的石油衍生的蒸馏残渣。优选地,所述原材料包含至少30wt.%的沥青质、小于10%的饱和烃、和小于40%的树脂,如根据ASTM D2007通过粘土-凝胶吸收色谱法所测量的。具有这种组成的原材料允许所述产品的高产率。
在本发明的第二方面,提供了包含如本文所述的沥青产品的沥青粘合剂,所述沥青粘合剂用于制造任何类型的碳基成型制品(例如像用于电极和耐火材料应用的模板、砖块、型材、过滤网),并且特别用于制造用于电弧炉的石墨电极以及用于铝生产的碳阳极和索德伯格糊料。如本文所述的沥青粘合剂也可以用作烃浸渍沥青。
在根据本发明的第三方面,提供了包含所述沥青粘合剂的石墨电极。此外,沥青粘合剂也可以作为浸渍沥青用于石墨电极制造中。这种沥青粘合剂和浸渍沥青可以通过碳化电极的孔隙填充来支持碳体的完整性。
在根据本发明的第四方面,提供了包含所述沥青粘合剂的碳阳极。
在根据本发明的第五方面,提供了用于生产沥青产品的方法,所述沥青产品包含石油衍生的蒸馏残渣和煤焦油衍生的蒸馏残渣,所述方法包括用于获得所述石油衍生的蒸馏残渣的石油真空蒸馏工艺步骤。
在根据本发明的另外的实施例中,提供了用于生产如本文所述的沥青产品的方法,其包括用于分别获得石油衍生的蒸馏残渣和煤焦油衍生的蒸馏残渣的石油真空蒸馏工艺步骤和单独的煤焦油真空蒸馏工艺步骤,并将各自的残渣共混。各自的蒸馏残渣通过煤焦油和石油衍生原料的单独真空蒸馏产生,并随后以定制的组成混合。
根据本发明的方法的益处是,与已知的煤焦油沥青粘合剂相比,其可以允许将沥青质的量(通过SARA测量)保持在相似的水平。另外,与已知的煤焦油沥青粘合剂相比,其他沥青特性可以不降低。
另外的益处是这种方法可以导致沥青产品的焦值在目标软化点(例如110℃-150℃梅特勒)下可以保持在高水平(例如至少40% ALCAN)。
根据本发明的方法的另外益处是所得产品的高触变行为和至少25%的60秒后高粘度恢复。
根据本发明的方法的另外益处是,在使用通过热解石油流产生的原材料作为石油衍生原料的情况下,可以获得导致高的最终产品产率的石油衍生的蒸馏残渣。优选地,这些原材料具有以下组成:在原材料中具有至少30wt.%的量的沥青质、小于10%的饱和烃、以及小于40%的树脂,如根据ASTM D2007通过SARA方法粘土-凝胶吸收色谱法所测量的。
与用根据本发明的方法生产沥青产品相比,用石油基沥青填充的常规煤焦油沥青粘合剂是通过在环境压力和较高温度下蒸馏来生产的,在一些情况下随后进行鼓风,或者通过将煤焦油和石油基原料在蒸馏前混合或先蒸馏单一组分后将各组分共混。由常压蒸馏产生的这些产品的缺点是高中间相和甲苯不溶物含量,这是由于高加工温度导致裂化和中间相形成。其他缺点是焦炭产率低、挥发物含量高和粘度高,这些会损害沥青的浸渍和粘合剂特性和加工,以及闪点低,这会引起电极制造过程中的安全问题。
在环境压力下蒸馏的另外缺点是,由于石油焦油的蒸馏是反应性的,在大气压力下蒸馏所必需的温度已经在加热室和塔中引发了向固体碳组分的转化,潜在地导致在沥青生产期间过度的结垢速率,从而导致设备的可靠性问题。
在本发明的实施例中,由石油真空蒸馏工艺步骤获得的石油衍生的蒸馏残渣的特征可以在于沥青质浓度为至少80%、或至少84%、或至少86%,如根据ASTM D2007通过粘土-凝胶吸收色谱法所测量的,并且软化点为至少110°梅特勒、或至少120°梅特勒。所述石油衍生的蒸馏残渣可以具有至少45%alcan的焦炭产率。
在本发明的实施例中,蒸馏工艺步骤在10与400毫巴之间、优选地50与250毫巴之间的真空水平下并且在200℃与400℃之间、优选地在280℃与370℃之间的温度下进行。
根据本发明的方法允许严格控制和防止沥青中低的次级喹啉不溶物量的潜在中间相的形成。
此外,煤焦油和石油焦油的单独蒸馏可能导致单独蒸馏残渣的更优化的产品特征,从而产生更高质量的沥青产品。
另外,与常规环境压力蒸馏相比,根据本发明的方法通过在较低温度下达到所需的粘合剂软化点和粘度而提供了高水平的可靠性,并因此导致更好的设备可靠性。在真空蒸馏过程中使用的较低蒸馏温度避免了降解反应,如中间相和焦炭形成,从而导致工厂结垢和定期停机。
此外,本发明的方法可以产生具有高质量和可靠性的沥青产品,其显示出低粘度下足够高的焦化值和低的16EPA PAH含量,以用于制造用于钢铁和铝生产的电极以及用于铝生产的索德伯格糊料。所得粘合剂的16EPA PAH水平比纯煤焦油衍生产品低,从而产生更环保的材料。
石油衍生的蒸馏残渣和煤焦油衍生的蒸馏残渣可以以在20:80与70:30之间、或优选地在30:70与60:40之间、并且更优选地在40:60与50:50之间的混合比共混。这可能导致煤焦油沥青粘合剂的替代品,其具有相似或更低的甲苯不溶物、相似或更低的β-树脂含量和相似或更低的次级喹啉不溶物含量(中间相形成)以及对沥青产品的粘合性能产生积极影响的最佳粘度。
根据本发明的方法,并且更具体地,混合比可以导致软化点在110℃与140℃梅特勒之间,喹啉不溶物范围为2%-12%、优选地为2%-8%,β-树脂含量为13%-25%,并且用Alcan方法测量的焦炭产率(值)为至少45%。
另外,根据本发明的方法,并且更具体地混合比,可以导致共混物可以具有比石油衍生的蒸馏残渣和煤焦油衍生的蒸馏残渣各自计算的加权平均焦化值高至少0,5wt.%的焦化值(Alcan)。
在根据本发明的第六方面,提供了用于制造石墨电极或碳阳极的方法,其包括用于生产如本文所述的沥青产品的方法。
表1:下表展示了根据本发明的实施例的沥青产品配制品:
表2:下表表示根据本发明的沥青产品的3个具体实例:
表3:下表表示本发明的优选实施例,示出了两种根据本发明的沥青产品,它们含有如以20:80和70:30的混合比所示的煤焦油衍生的蒸馏残渣(CTP)和石油衍生的蒸馏残渣(PP)。
表4:下表概述了本文中使用的产品参数的分析程序:
Claims (24)
1.一种沥青产品,其包含混合比为按重量计在20:80与70:30之间的石油衍生的蒸馏残渣和煤焦油衍生的蒸馏残渣的共混物,所述沥青产品的特征进一步在于沥青质浓度为至少84%,如根据ASTM D2007通过粘土-凝胶吸收色谱法所测量的。
2.根据权利要求1所述的沥青产品,其具有触变性为,具有至少20%的60秒后高粘度恢复(DIN91143-2)。
3.根据权利要求1或2所述的沥青产品,其具有至少84%的沥青质浓度(如根据ASTMD2007通过粘土-凝胶吸收色谱法所测量的)和至少25%的60秒后高粘度恢复。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的沥青产品,其具有低于10%的树脂含量(如根据ASTM D2007通过粘土-凝胶吸收色谱法所测量的)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的沥青产品,其具有小于8500ppm的B(a)P含量和/或根据美国环境保护局(EPA)小于7%(m/m)的16EPA-PAH总和。
6.根据上述权利要求中任一项所述的沥青产品,其具有如根据ASTM D4715所测量的至少45%Alcan的焦炭产率。
7.根据上述权利要求中任一项所述的沥青产品,其具有在200℃与270℃之间的闪点。
8.根据权利要求7所述的沥青产品,其具有在220℃与245℃之间的闪点。
9.根据上述权利要求中任一项所述的沥青产品,其具有在110℃与150℃梅特勒之间的软化点。
10.根据上述权利要求中任一项所述的沥青产品,其是石油衍生的蒸馏残渣和煤焦油衍生的蒸馏残渣的共混物。
11.根据上述权利要求中任一项所述的沥青产品,其具有至少45%Alcan的焦炭产率、在110℃与140℃梅特勒之间的软化点、范围为2%-12%的喹啉不溶物以及13%-25%的β-树脂含量。
12.根据上述权利要求中任一项所述的沥青产品,其具有比所述石油衍生的蒸馏残渣和煤焦油衍生的蒸馏残渣各自计算的加权平均焦化值高至少0,5wt.%的焦化值(Alcan,如根据ASTM D4715所测量的)。
13.根据上述权利要求中任一项所述的沥青产品,其中,所述石油衍生的蒸馏残渣的特征在于沥青质浓度为至少80%,如根据ASTM D2007通过粘土-凝胶吸收色谱法所测量的,并且软化点为至少110°梅特勒。
14.根据上述权利要求中任一项所述的沥青产品,其中,所述石油衍生的蒸馏残渣衍生自通过热解石油流产生的原材料,所述原材料包含至少30wt.%的沥青质、小于10%的饱和烃、和小于40%的树脂,如根据ASTM D2007通过粘土-凝胶吸收色谱法所测量的)。
15.根据上述权利要求中任一项所述的沥青产品在制造碳基成型制品中的用途。
16.一种包含根据上述权利要求中任一项所述的沥青产品的沥青粘合剂在制造用于电弧炉的石墨电极和用于铝生产的碳阳极和索德伯格糊料中的用途。
17.一种石墨电极,其包含根据权利要求16所述的转化的沥青粘合剂。
18.一种碳阳极,其包含根据权利要求16所述的转化的沥青粘合剂。
19.一种用于获得根据权利要求1至14中任一项所述的沥青产品的方法,所述沥青产品包含石油衍生的蒸馏残渣和煤焦油衍生的蒸馏残渣,所述方法包括用于获得所述石油衍生的蒸馏残渣的石油真空蒸馏工艺步骤,以及将所述石油衍生的蒸馏残渣与所述煤焦油衍生的蒸馏残渣以按重量计在20:80与70:30之间的混合比共混。
20.根据权利要求19所述的方法,其中,所述石油衍生的蒸馏残渣的特征在于沥青质浓度为至少80%,如根据ASTM D2007通过粘土-凝胶吸收色谱法所测量的,并且软化点为至少110°梅特勒。
21.根据权利要求19所述的方法,其中,所述石油衍生的蒸馏残渣衍生自原材料,其中所述石油衍生的蒸馏残渣衍生自通过热解石油流产生的原材料,所述原材料包含至少30wt.%的沥青质、小于10%的饱和烃、和小于40%的树脂,如根据ASTM D2007通过粘土-凝胶吸收色谱法所测量的)。
22.根据权利要求19所述的方法,其进一步包括用于获得煤焦油衍生的蒸馏残渣的煤焦油真空蒸馏工艺步骤,以及将所述石油衍生的蒸馏残渣与所述煤焦油衍生的蒸馏残渣共混。
23.根据权利要求19至22中任一项所述的方法,其中,所述蒸馏工艺步骤在50与250毫巴之间的真空水平和在280℃与370℃之间的温度下进行。
24.一种用于制造石墨电极或碳阳极的方法,其包括根据权利要求19至23中任一项所述的方法。
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