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Kohlenstoff-Formstücke, insbesondere Elektroden, und Verfahren zu
ihrer Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf Formstücke aus Kohle bzw. Kohlenstoff
mit -verbesserten physikalischen und elektrischen Eigenschaften und auf Verfahren
zur Herstellung solcher Formstücke; insbesondere bezieht sich die Erfindung auf
die Herstellung von- -Elektroden von großem Durchmesser für die Verwendung in Edektroäfen.
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Elektroden großen Durchmessers werden üblicherweise durch ein: Strangpreßverfahren
hergestellt unter Verwendung einer feinkörnigen Mischung von Kohle oder einem Kohlenstoffmaterial,
irgendeines Bindemittels, z. B. Pech, und Partikeln von kalziniertem Petrolkoks,
die durch eine Düse zur Bildung einer Rohelektrode bzw. eines Elektrodenvorformlings
durchgepreßt wird. Vor dem Auspressen wird das Gemisch aus Kohlenstoff, Bindemittel
und Koks auf eine Temperatur im Bereich von 150 bis 200° erhitzt, um ein
inniges Mischen der Bestandteile zu erleichtern. Nach dem Auspressen wird die Rohelektrode
bei hohen Temperaturen gebrannt, üblicherweise xooo° und höher, zur Umwandlung der
Elektrode geringer Festigkeit in eine Elektrode, die den intensiven Anforderungen
des Betriebs standhält.
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30 bis 6o Gewichtsprozent der kalzinierten Petrolkokspartikel,
-bezogen auf das Gesamtgewicht des Gemisches, werden dem Gemisch vor dem Auspressen
einverleibt, um die Entwicklung sogenannter Fließlinien in der ausgepreßten Elektrode
zu vermindern. Diese Fließlinien sind nachteilig,
da sie zu verschiedenen
Werten der Wärmedehnung der Elektrode führen und den Widerstand der Elektrode gegen
Wärmebeanspruchung vermindern.
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Das Zumischen der Partikel aus kalziniertem Petrolkoks vermindert
zwar das Entstehen von Fließlinien in der ausgepreßten Elektrode durch Schaffung
eines unorientierten Gemisches., führt jedoch zu einer Elektrode, die ein wenig
weicher ist. Während des Erhitzens bzw. Brennens erweicht das Pechbindemittel, schmilzt,
verliert seine leichteren Bestandteile durch Verdampfen und wird endlich zu Koks
umgeformt. Infolgedessen vermindert sich das Volumen der Elektrode, und es tritt
ein Schrumpfen ein, da die Kokspartikel durch die Wärme verhältnismäßig nicht angegriffen
werden. Es entstehen also Spalten und Risse, die die rnechanische Festigkeit und
die elektrischen Leitwerte der Elektrode vermindern.
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Gemäß der Erfindung. besteht das Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Formkörpern
mit verbesserten physikalischen und elektrischen Eigenschaften in dem Herstellen
eines Ausgangsgemisches von feingemahlener Kohle oder Kohlenstoffmaterial und einem
Bindemittel, z. B. Erhitzen bzw. Brennen des Gemisches bei einer Temperatur im Bereich
von 40o bis 700°, Zerkleinern und Absieben des Gemisches zur Erzeugung von Partikeln
eines Durchmessers von mindestens 1,5 bis etwa 18,75 mm, Herstellen
eines zweiten Gemisches aus den resultierenden Partikeln, feingemahlener Kohle oder
kohlenstoffhaltigem Material und einem Bindemittel, bei dem die Partikel des Ausgangsgemisches
3o bis 6o Gewichtsprozent des Gemisches bilden, Formen dieses zweiten Gemisches
zur Bildung des Formkörpers und Brennens des Formkörpers auf eine erhöhte Temperatur.
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Das verwendete Bindemittel ist Kohlenteer oder Kohlenteerpech.
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Gemäß einer Ausführungsform hat das Bindemittel des Ausgangsgemisches
einen verhältnismäßig niedrigen Schmelzpunkt und wird auf eine Temperatur zwischen
400 und 7oo° erhitzt. Danach wird es zerkleinert und abgesiebt'zur Erhaltung von
Partikeln mit einem Durchmesser zwischen 1,5 und, etwa 18,75 mm; gewünschtenfalls
können diese Partikel vor der Verwendung zu Kügelchen oder ähnlichen Körpern geformt
werden.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform besteht die Vermischung aus einem
innigen Gemenge von feingemahlener. Kohle oder kohlenstoffhaltigem Material und
einem Kohlenteer= oder Kohlenteerpechbindemittel von verhältnismäßig hohem Schmelzpunkt,
Formen der Vermischung zu Partikeln mit einem Durchmesser von 1,5 bis
18,75 mm ohne Erhitzung, und Erzeugen der Formmischung aus den geformten
Partikeln des Vorgemisches, feingemahlener Kohle oder kohlenstoffhaltigem Material
und einem zweiten Bindemittel von verhältnismäßig niedrigem Schmelzpunkt, in der
die geformten Partikel in einer Menge von 3o bis 6o Gewichtsprozent der Gesamtmischung
vorliegen, Formen dieser Mischung zur Bildung eines Formkörpers und Backen bzw.
Erhitzen auf eine erhöhte Temperatur zur Herstellung des endgültigen Formkörpers.
Das erste Bindemittel hat einen Schmelzpunkt von z.B. mindestens i5o°, und das zweite
Bindemittel hat einen Schmelzpunkt zwischen 9o und ioo°.
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Die Wirkung der Partikel aus kalziniertem Petrolkoks kann unter Schaffung
einer unorientierten Struktur nämlich erreicht werden unter Vermeidung der Vergrößerung
der Weichheit des Endproduktes, und zwar durch Ersetzen der Partikel aus kalziniertem
Petrolkoks durch vorgeformte Partikel, die tiergestellt werden durch Erhitzen eines
Gemisches aus feingemahlener Kohle oder Kohlenstoffmaterial und einem geeigneten
Bindemittel, z. B. Kohlenteer- oder Kohlenteerpech, auf eine Temperatur im Bereich
von 400 bis 700°, Zerkleinern des gebackenen Materials und Absieben zur Erhaltung
von Partikeln mit Durchmessern von mindestens 1,5 mm und vorzugsweise nicht mehr
als 18,75 mm, wobei gewün,schtenfal.l,s aus dem feingemahlenen Gemisch vor
dem Backen Tabletten bzw. 'Formkörperchen gebildet werden können, um den Verlust
an Feinstoff bei dem Zerkleinern zu vermeiden, oder durch Verwendung eines Bindemittels
mit hohem Erweichungspunkt für dieses Vorgemisch, wobei dann eine Zwischenerhitzung
unnötig ist.
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Werden solche vorgeformten Partikel an Steile der Partikel aus kalziniertem
Koks in dem Elektrodengemisch verwendet, so schrumpfen, wie gefunden wurde, diese
vorgeformten Partikel in demselben Maße und mit der gleichen Geschwindigkeit wie
die anderen Bestandteile derElektrode während des Backens bzv&. Erhitzens, und
es wird eine Elektrode von verbesserter Dichte, elektrischer Leitfähigkeit und mechanischen
Werten erhalten. Die Tabelle I veranschaulicht die verbesserten Eigenschaften der
Endelektrode, hergestellt gemäß der Erfindung, gegenüber üblichen Elektroden gleicher
Größe.
| Tabelle I |
| Elektrode |
| Eigenschaften Gew. Koks- Geformte und |
| partikel I erhitzte Partikel) |
| Dichte (g/cc) .... 1,56 1,64 |
| Spezifischer |
| Widerstand |
| Mikroohm/cm 145,7 1358 |
| Biegefestigkeit |
| (kg/cm2) ..... 131,6 153,1 |
| Youngs Modul |
| (kg/cm,) ..... 56531 69696 |
| *) hergestellt, wie oben beschrieben. |
Der Schmelzpunkt des Bindemittels für das Vorgemisch liegt bei der ohne Zwischenerhitzung
arbeitenden Ausführungsform wesentlich höher als der
des Kohlenteer-
oder Kohlenteerpeehbindem.ittels, das bei der Bildung des Formkörpers verwendet
wird; das letztgenannte Bindemittel hat üblicherweise einen Schmelzpunkt zwischen
9o und loo°; während das Bindemittel in der Vormischung einen Schmelzpunkt von mindestens
15o° und vorzugsweise 175° besitzt. Wenn das Bindemittel in dem Formgemisch für
die Elektrode einenSchmelzpunkt oberhalb des normalen Bereichs von go bis loo° hat,
dann muß bei dieser Ausführungsform ein Bindemittel mit um so höherem Schmelzpunkt
in dem Vorgemisch verwendet werden.
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Die geformten Partikel sind in dem Formgemisch in einer Menge zwischen
3o bis 6o Gewichtsprozent enthalten. Zur Erleichterung des Mischens wird das Gemisch
auf eine Temperatur ein wenig oberhalb des Schmelzpunktes des für die zweite Mischung
verwendetenBindemitted.s, z. B. loö bis 12o°, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes
des Bindemittels für das Vorgemisch in den geformten Partikeln erhitzt. Eine solche
Temperatur ist nicht hoch genug, um die vorgeformten Partikel mit dem Pech höheren
Schmelzpunktes zu schmelzen, so daß sie fest bleiben.
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Das Formgemisch für die Elektrode wird dann auf eine für die Bildung
von Elektroden bekannte Weise zur Erzeugung von Elektroden der gewünschten Gestalt
und Größe gepreßt.
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Beim Brennen der geformten Elektroden schmelzen die vorgeformten Partikel,
und es wird also eine Elektrode erhalten mit einer gleichkörnigen homogenen Struktur.
Die scheinbare Dichte, der spezifische Widerstand und der Bruchmodul der gebackenen
Elektrode sind nach dieser Durchführungsform ebenfalls höher als die Werte der Elektroden
gemäß den bekannten Verfahren.
| Tabelle II |
| Erfindungs- Übliche Elektrode |
| gemäße |
| Elektrode Feinkörnig Grobkörnig |
| längs 1 quer längs 1 quer längs 1 quer |
| Dichte |
| (gms/cc) .. 1,55 1,51 1,45 |
| Spezifischer |
| Widerstand |
| (Ohm/cm- |
| lo-s) ..... 112o 119o 120o 1370 133o 141o |
| Bruchmodul |
| (kg/cm2) ... 93,6 1325 98,6 1185 59,7 84,5 |
| Hitze- |
| beständigkeit vorzüglich gering , gut |
In der Tabelle II wurden die zur Herstellung der Elektrode gemäß der Erfindung verwendeten
Partikel zunächst aus einem Gemisch folgender Zusammensetzung geformt: 18,2 kg Petrolkoks
(55 Gewichtsprozent dieses Produktes gehen durch ein Drahtsieb mit Öffnungen von
0,075 mm durch), 18,2 kg Petrolkoks, der durch ein Drahtsieb mit Öffnungen
von 1,651 mm durchgeht und von: einem Drahtsieb, mit Öffnungen von o,833 mm zurückgehalten
wird, 18,2 kg Petrolkoks, der durch ein Drahtsieb, mit
0,833 mm, Öffnungen.
durchgeht und zurückgehalten wird durch ein Drahtsieb mit öffnungen von 0,417 mm,
9,85 kg Pech mit einem Schmelzpunkt von 175o.
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Das Elektrodengemisch wird dann, wie oben beschrieben, aus den folgenden
Bestandteilen hergestellt: 18,2 kg Petrolkoks (von dem 55 °/o durch ein Sieb mit
4;47q. mm Öffnungen durchgeht), 9,1 kg Petrolkoks, der durch ein Sieb mit o,833
mm Öffnungen durchgeht und von einem Sieb mit 0,417 mm Öffnungen zurückgehalten
wird, 9,1 kg der, wie oben angegeben, hergestellten. Partileel, die durch ein Sieb
mit 6,68 mm Öffnungen durchgehen und von einem Sieb mit 3,327 mm Öffnungen zurückgehalten
werden, 9,81 kg Pechbindemittel mit einem Schmelzpunkt von: 1o0°, 0,73 kg
Glättöl zur Erleichterung des Strangpressens.
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Zur Herstellung von Bürsten und Widerstandsplatten ist es bereits
bekannt, eine Mischung von kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien mit einem Bindemittel,
z. B. Kohlenteer, Pech oder Harz, zu Stücken zu pressen und sie so hoch zu erhitzen,
daß ,eli@ne Verkahung eintritt, worauf die verkokten Stücke zerkleinert und von
neuem lediglich mit einem Bindemittel durchgemischt, die so erhaltene grüne Kohlenmasse
nach dem Pressen zu Platten erneut verkokt und dann aus den Platten Bürsten und
Widerstandsplatten zurechtgeschnitten werden.. Auf diese Weise lassen sich jedoch
Elektroden mit den angegebenen wertvollen Eigenschaften, wie dies nach der Erfindung
möglich ist, nicht herstellen.