EP3810726B1 - Method for producing a coking product - Google Patents
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- EP3810726B1 EP3810726B1 EP18762837.5A EP18762837A EP3810726B1 EP 3810726 B1 EP3810726 B1 EP 3810726B1 EP 18762837 A EP18762837 A EP 18762837A EP 3810726 B1 EP3810726 B1 EP 3810726B1
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Definitions
- the invention relates to a process for the production of a coke product formed by solidification of a carbon support material intended for use in the production of metals, metal alloys and metallurgical products or as an intermediate product for the production of graphite elements and having a near-net-shape, monolithic geometry and a density of at least 1.4 g/cm 3 .
- Coke products of the type produced and configured according to the invention are used, for example, as anodes in the production of aluminum or as electrodes in the melting or metallurgical treatment of steels in electric arc furnaces and in reduction furnaces.
- carbon in a solid form is provided for the production of coke products of the type under discussion here.
- the production of the coke takes place in a conventional manner, usually from residues in the refining of petroleum or other petrochemical processes.
- carbon carriers that can be coked such as residues occurring in the distillation of petroleum or comparable carbon carriers, are subjected to a coking process.
- coal tar pitch is used as the starting product for coking.
- the so-called green coke also undergoes a calcination process in order to eliminate the volatile hydrocarbons that are still present, particularly in petroleum coke.
- needle coke is usually used for applications in which the highest demands are placed on mechanical strength while at the same time minimizing thermal expansion, such as in the melting or metallurgical treatment of steel in an electric arc furnace. This represents the highest level of quality and can only be produced with increased effort ( DE 10 2004 035 934 A1 ).
- the expensive needle coke can be partially or completely replaced by a cheaper type of coke or one of the other carbon carriers (eg anthracite coal).
- the coke is ground to a pourable quantity of grains, from which typically eight grain fractions are separated by sieving.
- Coke of different grain fractions is usually mixed to form a coke grain mixture with a grain size distribution that is considered optimal with regard to the properties to be set for the graphite element. Typically, this creates mixtures that are one-third dust and two-thirds grain to ensure adequate density.
- Additives such as iron oxide can be added to the respective mixture. Iron oxide causes a minimization of the irreversible thermal expansion of the coke (“puffing"), which occurs in the subsequent heat treatments when sulfur still present in the coke is expelled from the carbon lattice.
- the grain mixture which is typically preheated to shorten the process times, is mixed with a binder, such as tar pitch, stearic acid or mixtures of these binders, to form a plastically deformable, pasty, homogeneously mixed mass, the binder content of which is typically 20-24% by weight.
- a binder such as tar pitch, stearic acid or mixtures of these binders
- the resulting carbon binder mass which is also referred to as "green mass” in technical jargon, is now formed into a so-called “green body” by pressing, extruding, shaking or tamping:
- the temperature is below the mixing temperature, so that at this point in time there is a tough, very highly viscous mass.
- the green compacts are then slowly heated to a temperature of typically 800 to 950 °C in the absence of oxygen. During this burning process, part of the binder decomposes into gas, which has to escape from the green body. This gas development causes a slowly progressive warming, because otherwise, as a result of the gas pressure arising in the green body, cracking and associated instability of the carbon or graphite element to be produced could occur.
- the binder degassing from the green body leaves cavities in the intermediate product obtained after firing, as a result of which the intermediate product has a reduced density.
- this is not sufficient for the production of carbon or graphite elements, from which high electrical conductivity and high strength are required, such as graphite electrodes for steel melting or treatment. Therefore, the intermediate product obtained after the first firing before the Further processing typically subjected to a so-called "impregnation".
- a heated impregnating agent that has a lower viscosity than the binder originally used, typically tar pitch, is pressed into the intermediate product in order to fill the pores present there.
- the intermediate product is then fired again.
- part of the previously pressed-in impregnating agent evaporates, with the result that the intermediate product inevitably has open pores that are not filled with carbon even after an impregnation step. Accordingly, if necessary, the impregnation process must be repeated until the intermediate product has the density required for its further processing.
- the intermediate product is subjected to a graphitization process.
- the carbon contained in the intermediate product is converted into graphite by heating to approx. 2800 °C, which is characterized by an increasingly three-dimensional order of the carbon atoms.
- the so-called “Acheson process” or the more economical “Castner process”, the so-called longitudinal graphitization (LWG), are usually used here.
- the process and success of the graphitization can be supported by the lowest possible sulfur and nitrogen content in the starting material and the resulting reduced tendency to puffing.
- the negative effect of nitrogen and sulfur still present in the intermediate product can, as mentioned, also be reduced by suitable additives such as iron oxide or a targeted temperature control during the graphitization.
- a pasty carbon carrier material consisting of a mixture of granular coke and liquid tar distillate serving as a binder is filled into a tubular housing of an electrode, one end of which is placed in the furnace chamber of a reduction furnace (electric arc furnace) for the melting/reduction of For example, phosphorus, tantalum or ferromanganese from ores.
- the housing of the electrode consists of electrically conductive carbon steel. A current is applied to the housing of the electrode, which current is transmitted to the carbon support material filled in the housing.
- the carbon from the hydrocarbon compounds should fill the spaces between the coke grains.
- this process continues until the tip of the electrode protruding into the furnace chamber as a solid, compact body has emerged from the carbon carrier material.
- the electrode wears out and has to be pushed in from above in order to maintain the arc in the furnace chamber.
- At one in the DE 600 01 106 T2 described other variant of the Söderberg process is in a furnace to melt a Steel alloy also arranged an electrode with a cylindrical container, which is guided with its upper open end through the wall of the furnace.
- the container is formed from a conductive stainless steel.
- the container is charged with a non-baked lumpy electrode mass via its open upper end.
- the electrode mass On its way to the lower end of the container, which is also open, the electrode mass is liquefied by the supply of heat, which takes place via heated air guided in a central area around the container of the electrode, until it reaches the area of a plate-shaped material positioned adjacent to the lower outlet opening of the container Arrangement for coupling an electric current arrives.
- the electrode mass is also fired "in situ" there.
- the solid electrode strand burned from the electrode mass in this way is continuously conveyed from the lower outlet opening of the container into the furnace chamber and serves as an electrode for the supply of electrical energy, via which the arc and thus the melting process in the furnace is kept going.
- the invention has solved this problem by the method specified in claim 1.
- the method according to the invention starts from a flowable starting product , namely a carbon support material, the essential component of which is a liquid or liquefiable carbon support, the carbon support material also containing solid carbon components and other solid or liquid components (additives), but without losing its liquid character.
- a flowable starting product namely a carbon support material, the essential component of which is a liquid or liquefiable carbon support, the carbon support material also containing solid carbon components and other solid or liquid components (additives), but without losing its liquid character.
- Additives include, for example, iron oxide or titanium oxide to reduce the puffing effect, a boron source such as pure boron or
- Boron carbide to improve the crystal structure and thereby reduce the coefficient of thermal expansion
- carbon or graphite fibers are used, which contribute to improving the mechanical properties and also to reducing the coefficient of thermal expansion.
- a carbon-rich, coking product is used as the carbon carrier material, which is already liquid at room temperature or is brought into the flowable state by heating and the associated melting, but in any case is liquid during coke access.
- the carbon support materials used according to the invention typically arise in the processing of petroleum from the heavy fraction, as residues in the distillation of petroleum, from coal tar derivatives, from liquid-phase pyrolysis (other free-flowing organic components).
- biomass such as cellulose, sugar or starch
- the materials mentioned above are only mentioned here as examples.
- other carbon-containing substances which are present in liquid form or which can be liquefied by melting and which can be coked can also be used for the purposes according to the invention.
- the liquid or liquefiable carbon component of the carbon carrier material consists in particular of at least one component from the following group: "Residues from the distillation of petroleum and the use of coal products such as tar and its derivatives, pitch, free-flowing bitumen, resins or products from processing of biomass such as cellulose, sugar and starch”.
- At least one component from the following group can be present in the carbon carrier material used according to the invention: "granular form of coke, coal, bitumen in solid form, lignites, anthracite coal, graphite, materials from the recycling of carbon fibers", although these materials are also only mentioned as examples and, of course, other carbon-containing residues that are in solid form and can be coked can also be used for the purposes according to the invention.
- Coking products produced according to the invention can be used directly as carbon suppliers for those applications in which they serve as reactants or electrodes for chemical and electrochemical reactions.
- An important field of application here is the use in plants for producing aluminum, in which coking products produced according to the invention can be used as anodes or cathodes, in particular as anodes, without having to undergo further work steps to change their structure or density.
- carbonization products produced according to the invention can be used as an intermediate product for the production of high-quality graphite elements, such as are required, for example, as electrodes in melting or in the metallurgical treatment of steels in an electric steel works.
- the invention uses a carbon carrier material consisting of predominantly liquid or liquefiable components as the starting product, it is possible to produce a coke product with low porosity.
- the procedure according to the invention ensures that the smallest possible amount of gas bubbles is included in the coke product obtained.
- the dimensions of the shape of the invention The containers that determine the coking product produced can be chosen so that they correspond to the final dimension adapted for the respective application, taking into account any machining allowance that may be required.
- the container provided according to the invention can be manufactured in a manner known per se from a sufficiently temperature-resistant sheet steel.
- the container can be covered with a sliding layer at least in sections on its inner surfaces bordering the interior of the container.
- a separately prefabricated liner lying tightly against the inner surface of the container can be introduced into the interior of the container, or a coating consisting of a suitable material can be applied directly to the inner surface in question.
- a light metal material, in particular an aluminum material, but also a thin sheet steel can be used as the material for the sliding surface.
- step b) of the method according to the invention the flowable carbon carrier material is introduced into the interior of the container via the filling opening of the container.
- the filling opening can be formed by a filling tube or the like, which is guided through a cover, a wall or a lid of the container into the interior space delimited by it.
- the preheating is preferably carried out in such a way that the liquid component, if any, is present fusible carbon component is already liquefied when it enters the container.
- the heating in the container can also take place in such a way that an optimally liquid state of the carbon carrier material is first produced and then the coking process begins.
- the filling can be carried out in such a way that the total amount of carbon carrier material to be coked is first filled into the container (step b)) and only after filling is it heated to the coking temperature and maintained at the coking temperature (step c)), ie the heating of the carbon material only begins after the filling of the carbon carrier material (step b)) has been completed.
- step c it is also possible to start heating a partial volume of the total amount of carbon carrier material (step c)) that is filled into the container and required for the production of the carbonization product, while further carbon carrier material is still being filled into the interior (step b). ).
- the second variant enables the production of particularly dense, high-quality coke products with minimized porosity.
- the coking temperatures set according to the invention during the coking process (step c)) are typically 450-900° C., with coking temperatures of at least 600° C. within a practical coking time, complete coking in the technical sense being able to be reliably achieved even with large-volume coking products.
- setting the coking temperature in the range of 450 - 900 °C ensures that there is always sufficient free-flowing carbon carrier material available in the process to automatically fill the pores created by the degassing processes in the partial volumes of the carbon carrier material that are in the coking process with subsequent flowing carbon carrier material .
- the flowable carbon carrier material that follows and fills the openings and cavities left behind by the gas unavoidably produced during coking ensures, according to the invention, an optimally high density of the coking product obtained.
- the electrical conductivity of the products produced according to the invention can be directly influenced by adjusting the coking temperature.
- the electrical conductivity increases with increasing coking temperature.
- electrical conductivities can therefore already be achieved in the coking product produced according to the invention, which allow direct graphitization or another immediate use of these products after the coking process according to the invention.
- products produced according to the invention can be used directly as anodes or cathodes, in particular as anodes, in the production of aluminum.
- a coking temperature of at least 650 °C, in particular at least 700 °C there is a further significant reduction in the electrical resistance, with optimally low resistances of 10-50 ohms and an associated optimal electrical conductivity at coking temperatures of at least 800 °C resulting .
- the coking temperature usually at least 800° C., longitudinal graphitization of the coke product can already be achieved in the course of the process according to the invention.
- the carbonization temperature is above an upper limit of 1200° C., the conductivity no longer improves, so that in practice the carbonization temperature range can be limited to at most this upper limit.
- the coking time, over which the carbon support material is kept at the respective coking temperature, is directly dependent on the respective heated volume.
- the coking time is to be dimensioned in such a way that the carbon support material kept at the coking temperature is completely coked in the technical sense after the end of the coking time.
- the coking time depends on the volume to be coked and, in the case of successive filling, on the progress of the filling process. Typical In practice, coking times for large-volume coking products, such as electrodes, are between 6 hours and 96 hours. When producing coke products with smaller volumes or small cross-sections, the coke time can also be less than an hour.
- the atmosphere present in the interior of the container can be sucked off in order to support the escape of the gas produced during coking from the carbon carrier material. This creates a negative pressure in the interior of the container above the carbon carrier material filled in it, which can reach as far as a vacuum.
- a suitable absolute pressure for this is in the range from 1 to 50 hPa.
- the manner of filling the mold (step b)) and heating (step c)) can be selected in the process according to the invention depending on the requirements placed on the density distribution of the coke product produced according to the invention. If, for example, there is a requirement that in the outer edge areas of the coke products there should be maximum density over a sufficient thickness, while a certain residual porosity is accepted in the central core area, it can be sufficient if a stationary container, the total volume filled into the container, is sufficient is arranged on flowable carbon support material detecting heating device. In this case, the coking process proceeds from the edge area of the carbon support material adjacent to the inner surface of the container, which is affected first and most intensively by the heat generated by the heating device, towards the core area of the carbon support material.
- the gas bubbles formed during coking can escape through the core area of the carbon carrier material, which remains liquid for a long time.
- liquid carbon carrier material pushes out of the liquid core area into the pores left by the gas bubbles in the already carbonized edge area, so that the finished coked product has an optimally sealed edge area of considerable thickness adjusts Only in the last stage of coking, namely when the central core area is also coked, can gas bubbles be trapped there.
- the diameter of the core area affected by the resulting porosity is so small compared to the thickness of the optimally dense surface layer of the coke product produced according to the invention that it is negligible in applications such as electrodes for reduction furnaces.
- a porosity that is minimized over the entire cross section of the carbonization product produced according to the invention and, as a result, an optimized density, can be achieved in that during step c) a relative movement, aligned along the longitudinal axis of the mold, takes place between the respectively heated carbon support material and the heating zone generated by the heating device.
- This relative movement can take place continuously or in steps. In the case of a continuous relative movement, the speed of this movement can also be varied as a function of the progress of the coking of the carbon support material.
- the exposure time to the heat can depend on the volume covered by the heating zone
- Carbon support material can be controlled by adjusting the residence time.
- the heat emitted by the heating device in the heating zone only covers a partial volume of the carbon carrier material filled in the interior space that extends over a specific partial section of the height of the interior space of the container, with the carbon carrier material filled in the interior space during the heating (step c)) stands still, whereas the heating zone generated by the respective heating device, starting from the bottom arranged in the direction of gravity, is moved counter to the direction of gravity in the direction of the upper end of the container.
- the gas bubbles escaping from the partial volume of the carbon carrier material contained in the interior of the container that has been heated to the coking temperature by the heating device can, in this embodiment, be expelled by the liquid carbon carrier material that is above the partial volume of the carbon carrier material that is in the coking process (work step c)) and is covered by the heat of the heating device escape upwards against the direction of gravity, while at the same time, due to the effect of gravity, liquid carbon carrier material presses with gravitational pressure into the openings and cavities left by the gas bubbles in the carbon carrier material that has already coked and fills them, so that an overall dense, largely pore-free coking product is automatically obtained.
- the filling of the container and the heating of the volume of carbon carrier material contained in the container can take place at the same time.
- the amount of flowable carbon support material during the coking of each of the heat of the heating device is above this partial volume, so that on the one hand the distance covered by the gas bubbles through the still liquid carbon carrier material is optimally short, but on the other hand the column of flowable carbon carrier material weighing on the carbon carrier material that has already coked is so large that it is always a sufficient amount of flowable carbon support material is present above the already coked carbon support material partial volume and optimally the displacement of the flowable carbon support material into the pores of the already coked carbon support material is supported by the weight of the still liquid carbon support material.
- a stationarily mounted heating device that extends over the entire length of the volume of carbon carrier material filled in the container and is divided into a plurality of heating segments in the longitudinal direction of the container. These can then be activated and deactivated sequentially so that continuous or stepwise movement of the heating zone generated by the heating segments of the heater along the container is achieved.
- the heat given off by the heating device in the heating zone also only covers a partial volume of the carbon carrier material filled in the interior space, extending over a specific partial section of the height of the interior space of the container, with the heating device being arranged stationary here, however. while the carbon support material filled in the container is moved relative to the heating zone created by the heater.
- the container with the filled in it can do this Carbon support material are moved along the fixed heater.
- the container is installed in a stationary manner, with a vent opening being provided in the bottom of the container through which the coking product continuously flows out as a strand formed from the solidified carbon carrier material removed from the container (step e)).
- the container is designed in the manner of a casting mold.
- the heating device is mounted on the container and the withdrawal speed at which the coked coke product is continuously removed from the container as a strand is selected in such a way that the carbon carrier material filled into the container in a flowable state is on its way to the withdrawal opening in the technical sense is fully coked and accordingly solidified.
- the volume of flowable carbon carrier material that is above the already coked partial volume of the carbon carrier material in the container can be adjusted in such a way that on the one hand the path leading from the in the coking process (work step c)) located partial volume emerging gas bubbles must be covered, is short and on the other hand always enough liquid carbon support material is available to fill the pores left by the gas bubbles in the already coked carbon support material.
- the carbonized product drawn off from the container as a strand can optionally be cooled down more quickly in order to enable speedy further processing. Coke products of the respectively desired length can be separated from the coke product strand obtained.
- the speed of the relative movement depends on the diameter or cross-section of the product to be produced. The speed decreases proportionally with increasing diameter or cross-sectional size because of the coking of the volume of carbon support material covered by the heating zone.
- the speed of the relative movement between the heating zone and the carbon carrier material contained in the container is typically in the range of 0.025-1.5 m/h, in particular 0.05-0.5 m/h .
- the degassing (step d)) of the gas escaping from the carbon carrier material in the coking process (step c)) can be supported by the carbon carrier material contained in the container being set in motion at least temporarily.
- a vibration device or the like can be provided, which excites the carbon carrier material contained in the container as a whole or in certain areas to vibrate, which are ideally in the range from 0.5 Hz to 50 kHz.
- the heating device used according to the invention for heating the carbon carrier material can be designed in such a way that it causes a specific temperature profile within the carbon carrier material contained in the container and which is respectively covered by the heat of the heating device.
- it can be expedient, particularly in the case of process variants in which there is a relative movement between the heating zone generated by the respective heating device and the carbon carrier material, to operate the heating device in such a way that the partial volume of carbon carrier material newly entering the effective range of the heating device slowly expands the respective coking temperature is brought, so that the heating power acting on the respective partial volume of carbon carrier material increases, the further the respective partial volume into the effective range of the heating device retracts and the longer it is exposed to the heat emitted by the heater.
- the process according to the invention provides coking products which are already given a geometry close to their final dimensions during coking. This eliminates the work steps of coke preparation, mixing, shaping and first firing that are conventional in the production of electrodes, and it opens up the possibility of also dispensing with impregnation and a second firing of the coke product produced according to the invention in order to produce a fully graphitized end product.
- the process according to the invention provides a coke product of high strength and density even without impregnation. These are characterized in that they have an average density of at least 1.4 g/cm 3 , densities of at least 1.5 g/cm 3 being regularly achieved.
- the device 1 shown for the production of a coking product VK comprises a container 2, which is aligned vertically with its longitudinal axis L and is shaped like a cylindrical tube and is made of a heat-resistant material, such as steel that is commercially available for this purpose.
- the container 2 delimits an interior space 3 which widens in a funnel shape in an upper section 4 in the direction of the upper edge of the container 2 .
- the slender, cylindrical shape of the interior 3 is selected so that the coking product VK produced in the device 1 has an equally slender cylindrical shape at the end of the coking process completed in the device 1, which is optimally approximated to the shape that the coking product VK or have a graphite product made therefrom target.
- the dimensions of the coking product VK can include a machining allowance, which is required for final machining in order to give the coking product VK or a graphite product produced therefrom its prescribed dimensional accuracy or surface quality.
- the shape and dimensions of the cylindrical shape represented by the interior 3 of the container 2 correspond to the shape that graphite electrodes must have in order to be able to be used in electric arc furnaces of steelworks.
- the inner surfaces of the container 2 bordering the interior 3 can be covered at least in sections as a separating layer with a thin sliding layer 5, for example made of an aluminum material, which can be in the form of a prefabricated liner and inserted into the interior 3 or by a suitable coating process in a manner known per se is applied directly to the relevant portions of the inner surfaces.
- a thin sliding layer 5 for example made of an aluminum material, which can be in the form of a prefabricated liner and inserted into the interior 3 or by a suitable coating process in a manner known per se is applied directly to the relevant portions of the inner surfaces.
- the opening present at the top of the container 2 is closed by a removable cover 6 .
- a filling tube 7 for filling the interior 3 of the container 2 with a flowable carbon carrier material K is guided through the cover 6 .
- a suction tube 8 is routed through the cover 6 and is connected to an evacuation device (not shown here) via which a negative pressure can be generated in the interior 3 for sucking off gases present in the interior 3 .
- the underside of the container 2 stands on a base element 9 which closes the underside of the container 2 .
- the device 1 also includes an electrically operated, controllable heating device 10, which is placed with its heating coils 11 in a ring and with play around the outer surface 12 of the container 2.
- the height H10 of the heating device 10 corresponds to a small fraction of the height H3 of the interior 3 of the container 2.
- the height H3 can be up to 15 m, whereas the height H10 is typically only 1 m.
- the heating device 10 is carried by an actuating device 13 which is set up in a manner known per se to move the heating device 10 in the vertical direction V along the container 2 .
- the adjusting device 13 can have a linear guide 14 aligned parallel to the longitudinal axis L, along which the heating device 10 can be moved by means of a linear drive 15 of the adjusting device 13 .
- the device 1 also includes a device 16 which is provided for subjecting the liquid carbon carrier material K filled into the interior 3 of the container 2 to vibrations in the range from 0.5 Hz to 50 kHz.
- the vibration device 16 can also be carried by the actuating device 13 and moved along the container 2 with the heating device 10 during the coking process.
- the vibration device 16 is preferably located above the heating device 10 in order to bring about the best possible effect of the movement of the still flowable carbon carrier material K that it triggers.
- the interior 3 of the container 2 is filled with flowable carbon carrier material K via the filling tube 7 until the level SK of the in the interior 3 contained carbon carrier material K is located approximately in the region of the transition between the funnel-shaped upper section 4 and the underlying cylindrical part of the interior 3.
- the heating device 10 is positioned in a starting position at the lower end of the container near the bottom element 9 during the filling process.
- the heating device 10 is supplied with electrical energy, for example, so that the partial volume of the carbon carrier material K in the effective range of the heating zone generated by the heating device 10 is gradually heated to a coking temperature of 450 - 900 °C , in particular 650 - 850 ° C, is heated.
- a coking temperature of 450 - 900 °C in particular 650 - 850 ° C
- decomposition processes set in in the partial volume heated in this way as a result of which gases are released in the still flowable carbon support material K and rise in the form of gas bubbles G in the carbon support material K counter to the effective direction SR of gravity.
- the detachment of the gas bubbles G from the carbon carrier material K is mechanically assisted on the one hand by the vibrations that are induced in the carbon carrier material K via the device 16 .
- the gas bubbles G are removed from the carbon carrier material K promoted in that a negative pressure is maintained via the suction tube 8 in the interior 3 of the container 2, which can reach to the vacuum.
- the carbonization starts from the sides of the inner space due to symmetric heating, the carbonization proceeds from the outside to the inside.
- liquid, initially low-viscosity carbon carrier material K is present both in the core area and in the layer above it, through which the gas bubbles G can escape and possible pores are thus closed. This allows for a high density of the coke product obtained.
- carbon carrier material K can flow from the layer above. Here, too, the pores are closed.
- the heating device 10 which is still in the heating mode, and with it the vibration device 16, which is also still active, are moved by means of the actuating device 13 against the effective direction SR of gravity by means of the linear drive 15 in a continuous movement along the linear guide 14 in the direction of the upper end of the container 2.
- the speed of the upward movement of the heating device 10 and the vibration device 16 coupled to it is dimensioned in such a way that the heating zone generated by the heating device 10 is in each case in the effective range located partial volume of the carbon carrier material K is gradually heated and then kept over a coking time at the respective coking temperature, which is sufficient for complete coking in the technical sense and the associated full solidification.
- conveying speeds of the heating device 10 are typically in the range of 0.025-1.5 m/h, in particular 0.05-0.5 m/h.
- the movement of the heating device 10 is continued until the upper section of the carbon substrate K adjoining the mirror SK of the carbon substrate K is also coked.
- the level SK of the carbon carrier material K has dropped due to the gas that has escaped from the carbon carrier material K and the associated loss of volume compared to the state when the interior 3 of the container 2 was refilled.
- the container 2 is opened and the coking product VK formed in its interior 3 is removed from the interior 3 .
- the liner or sliding layer 5 present on the inner space 3 of the container 2 makes it easier to remove the coke product VK.
- the relevant area BP is separated. It can be reused by grinding it into fine particles, which are added to the carbon support material K as solid carbon components can be provided for the production of further carbonization products VK in the device 1.
- the carbonization product VK obtained in this way is subjected to a customary graphitization process to produce a graphite electrode, as is required in an electric steelworks, in order to give it a graphitic structure. Due to the monolithic, near-net shape geometry already obtained with the device 1 in the manner described above after the first coking, the grinding, mixing and shaping processes customary in the conventional method are just as obsolete as the associated first firing. Depending on the density of the product, the impregnation step can be omitted. If it turns out that the density of the coking product VK obtained is not sufficient, prior to the further processing of the coking product VK into the graphite product, i.e. into the graphite electrode, impregnation can also be carried out in a conventional manner to increase the density.
- the in the Figures 2a - 2d The device 101 shown for producing a coking product VK corresponds in its construction to that in FIGS Figures 1a - 1d shown device 1 with the difference that in the device 101 instead of the device 1 provided fixed filling tube 7 a lance-like insertable into the interior 3 of the container 2 of the device 101 and removable filling tube 107 is provided.
- the maximum insertion length of the filling tube 107 is dimensioned such that the filling tube 107, when fully inserted into the interior 3, ends just above the height H10 over which the heating zone generated by the heating device 10 extends in the starting position of the heating device 10 ( Fig: 2a ). In this way, negative effects of splashes that can be released during the coking process are avoided.
- the interior 3 of the container 2 is filled with the device 101 via the filling tube 107 filled with a partial volume of flowable carbon carrier material K until the level SK of the carbon carrier material K contained in the interior space 3 ends above the height H10 over which the heating zone generated by the heating device 10 in its starting position extends ( Figure 2a ).
- This partial volume of the carbon carrier material K, which forms the lower section of the coking product VK to be produced, is then brought to the coking temperature in a stepwise and controlled manner for the device 1 .
- the height of the level SK of the carbon carrier material K is maintained in such a way that there is always a sufficient quantity of free-flowing carbon carrier material K available above the partial volume of the carbon carrier material K in the coking process in order to fill the cavities left behind by the gas bubbles G. which exit from the partial volume of the carbon support material K which has been heated to the coking temperature and is kept at the coking temperature.
- the way, The distance that the gas bubbles G have to cover through the liquid carbon carrier material K is shorter than in the device 1, so that an even further optimized density of the coke product VK can be achieved.
- a device 201 for the production of a coke product VK is shown, in which, in contrast to the devices 1 and 101, a heating device 210 provided on the device 201 is stationary, i.e. stationary during operation, whereas the carbon carrier material K to be coked moves along the heating device 210 and is coked on this path along the heating device 210 to form a solid coking product VK, which is continuously withdrawn from the device 201 in the manner of a continuous casting process.
- the device 201 has a container 202 which delimits an interior space 3 which, like the interior spaces 3 of the devices 1 , 101 , widens in a funnel shape in an upper area and is closed off by a cover 206 .
- a suction tube 208 and a filling tube 207 arranged in the manner of the filling tube 7 of the device 1 are guided through the cover 206 here.
- the cylindrical area 217 of the interior space 203 arranged under the funnel-shaped upper area is open at the bottom in the manner of a chill mold and is significantly shorter than in the devices 1, 101.
- the section of the container 202 surrounding the area 217 sits in the annular heating device 210, which extends over a significant part of the height of area 217.
- the heating coils 211 of the heating device 210 can be regulated segment by segment in order to enable an optimal temperature profile in the partial volume of the carbon carrier material K located in the effective area of the heating zone generated by the heating device 10.
- the lower outlet opening of the mold-like area 217 of the interior 203 is first closed with a stopper and a first partial volume of carbon carrier material K is filled into the interior 203 of the container 202 via the filling tube 207 .
- the carbon carrier material K located in the active area of the heating zone generated by the heating device 210 is gradually controlled by means of the stationary heating device 210, heated to the coking temperature and held there until it is completely coked in the technical sense and has assumed a solid form.
- the carbon carrier material K coked in this way is continuously pulled out of the mold-like region 217 of the interior 203 of the container 202 by means of the stopper via its lower opening as a strand.
- new, possibly preheated carbon carrier material K is also continuously filled into the container 202 via the filling pipe 207 .
- the lower opening area 218 of the area 217 can widen in the shape of a funnel in the direction of gravity SR in order to make it easier to pull out the coke product VK in the form of a strand.
- the pull-out forces are dimensioned in such a way that the coke product is continuously pulled out of the container 202 despite the negative pressure/vacuum present in the container 202 above the carbon carrier material filled in it.
- the process of drawing off and refilling takes place synchronously with one another so slowly that the dwell time for which the carbon carrier material K passing the heating device 210 is kept at the coking temperature corresponds to the coking time required for its technically complete coking.
- the level of the mirror SK of the flowable carbon support material K is already above that as a result of the Coking solidified carbon carrier material K adjusted so that on the one hand the gas bubbles G, which emerge from the carbon carrier material K in the coking process, only have to cover a short distance through the flowable carbon carrier material K until, after exiting the carbon carrier material K, they are sucked off via the suction pipe 208 on the other hand, there is always a sufficient amount of liquid carbon carrier material K available to fill the pores left behind by the gas bubbles G through liquid carbon carrier material K pushing into the solidifying carbon carrier material K. Also with a device of the in 3 The type shown can thus produce optimally dense coking products with an optimally homogeneous distribution of properties.
- the outgassing of the gas bubbles G can be assisted by a vibration device 216 which, as in the devices 1.101, is arranged above the heating device 210, but here, corresponding to the fixed arrangement of the heating device 210, is stationary.
- the container 202 which functions in the manner of a mold, can also be subjected to a negative pressure/vacuum in the area above the carbon carrier material K filled in it in order to prevent the gases G formed in the coking process from outgassing from the carbon carrier material K in the container 202 support.
- the coking product VK drawn off continuously from the device 201 as a strand passes through a cooling section 219 in which it is cooled to room temperature at an accelerated rate. Then, in a cutting-to-length device 220, coking products VK with the respectively desired length are cut off from the strand in a manner known per se.
- a central distributor which includes the chill-like container areas 217
- Carbon carrier material K feeds, two or more such mold-like container areas 217, each with a heating device 210 arranged thereon and a vibration device 216 also mounted thereon, can be provided in order to achieve maximum productivity.
- Figure 4a shows a device 301 for producing a coking product VK in a method not according to the invention, which comprises a pot-shaped container 302 made of a suitable steel material, which is closed by a cover 306.
- a suction tube 308 is guided through the cover 306 and is connected to a suction device (not shown here) for evacuating the interior space 303 surrounded by the container 302 .
- the container 302 sits in a heating device 310, the stationary, annular heating coil 311 of which extends over the entire height of the container 302, so that the heating device 310 can generate a heating zone corresponding to the entire height of the container 302.
- the lid 306 is removed from the container 302 and flowable carbon carrier material K is filled into the interior 303 of the container 302 .
- the container 302 is then closed by putting on the lid 306 and the carbon carrier material K contained in the container 302 is brought to a coking temperature of 450-900.degree.
- the coking temperature is reached, the coking and solidification of the carbon carrier material K begins from the lateral inner surfaces of the interior 303.
- the core area KB of the carbon carrier material K remains highly fluid over a long period of time, so that gas bubbles G that get there, such as those from the Coking located partial volumes of the carbon support material K exiting gas bubbles G, move against gravity in the direction of the mirror SK of the carbon support material K contained in the container for a long time.
- the flowable carbon carrier material K used in the devices 1, 101, 201, 301 for the production of the respective coking product VK consists of products obtained during the distillation of petroleum products and the utilization of coal, such as tars and their derivatives, pitch, flowable bitumen, resins and products from the processing of biomass, such as cellulosic products, sugar and starch, or other products that can be coked.
- This carbon support material K is optionally with granular coke or graphite with a maximum grain size of 10 mm and optionally one or more additives such as iron oxide to reduce the puffing effect, a boron source such as boron carbide to reduce the thermal expansion coefficient or to improve the generated Crystal structure, or carbon or graphite fibers, which contribute to improving the mechanical properties and also to reducing the coefficient of thermal expansion.
- the carbon carrier material K used in each case is liquid at the process temperature in such a way that it flows under the action of gravity into the interior space 3 , 103 , 203 , 303 bounded by the container 2 , 102 , 202 , 302 .
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines durch Verfestigung eines Kohlenstoffträgermaterials gebildeten Verkokungsprodukts, das für den Einsatz bei der Erzeugung von Metallen, Metalllegierungen und metallurgischen Produkten oder als Zwischenprodukt für die Herstellung von Graphitelementen vorgesehen ist und eine endabmessungsnahe, monolithische Geometrie sowie eine Dichte von mindestens 1,4 g/cm3 aufweist.The invention relates to a process for the production of a coke product formed by solidification of a carbon support material intended for use in the production of metals, metal alloys and metallurgical products or as an intermediate product for the production of graphite elements and having a near-net-shape, monolithic geometry and a density of at least 1.4 g/cm 3 .
Verkokungsprodukte der erfindungsgemäß hergestellten und beschaffenen Art werden beispielsweise als Anoden bei der Erzeugung von Aluminium oder als Elektroden bei der Erschmelzung oder metallurgischen Behandlung von Stählen in Elektrolichtbogenöfen sowie in Reduktionsöfen eingesetzt.Coke products of the type produced and configured according to the invention are used, for example, as anodes in the production of aluminum or as electrodes in the melting or metallurgical treatment of steels in electric arc furnaces and in reduction furnaces.
Eine Übersicht über den derzeitigen Stand der Technik im Bereich der Herstellung von Elektroden für die metallurgische Behandlung von Metallen oder Metalllegierungen findet sich in dem von Rick Adams, Wilhelm Frohs, Hubert Jäger und Keith Roussel verfassten und von der American Carbon Society im Jahr 2007 veröffentlichten Artikel "Graphite Electrode and Needle Coke Development", der unter der URL http://acs.omnibooksonline.com/data/ papers/ 2007_D031(K).pdf zum Download bereitsteht.A review of the current state of the art in the manufacture of electrodes for the metallurgical treatment of metals or metal alloys can be found in the article written by Rick Adams, Wilhelm Frohs, Hubert Jäger and Keith Roussel and published by the American Carbon Society in 2007 "Graphite Electrode and Needle Coke Development" available for download at URL http://acs.omnibooksonline.com/data/papers/ 2007_D031(K).pdf.
Demnach wird für die Herstellung von Verkokungsprodukten der hier in Rede stehenden Art Kohlenstoff in fester Form, typischerweise als Koks, bereitgestellt. Die Herstellung des Koks erfolgt dabei in der an sich bekannten Weise in der Regel aus Rückständen, die bei der Raffinierung von Erdöl oder anderen petrochemischen Verfahren anfallen. Dabei werden verkokbare Kohlenstoffträger, wie beispielsweise bei der Destillation von Erdöl oder vergleichbaren Kohlenstoffträgern anfallende Rückstände, einem Verkokungsprozess unterzogen. Alternativ kommt Steinkohleteerpech als Ausgangsprodukt für die Verkokung zum Einsatz. Erforderlichenfalls durchläuft der sog. grüne Koks noch einen Kalzinierungsprozess, um die insbesondere in Petrolkoksen noch vorhandenen flüchtigen Kohlenwasserstoffe zu beseitigen.Accordingly, carbon in a solid form, typically as coke, is provided for the production of coke products of the type under discussion here. The production of the coke takes place in a conventional manner, usually from residues in the refining of petroleum or other petrochemical processes. In this case, carbon carriers that can be coked, such as residues occurring in the distillation of petroleum or comparable carbon carriers, are subjected to a coking process. Alternatively, coal tar pitch is used as the starting product for coking. If necessary, the so-called green coke also undergoes a calcination process in order to eliminate the volatile hydrocarbons that are still present, particularly in petroleum coke.
Für Anwendungen, bei denen höchste Anforderungen an die mechanische Belastbarkeit bei gleichzeitig minimierter Wärmeausdehnung gestellt werden, wie beispielsweise bei der Erschmelzung oder metallurgischen Behandlung von Stahl in einem Elektrolichtbogenofen, wird üblicherweise so genannter Nadelkoks verwendet. Dieser stellt die höchste Qualitätsstufe dar und kann nur mit erhöhtem Aufwand hergestellt werden (
Der Koks wird zu einer schüttfähigen Körnermenge zermahlen, aus der durch Sieben typischerweise acht Kornfraktionen separiert werden. Üblicherweise wird Koks unterschiedlicher Kornfraktionen zu einer Kokskörnermischung mit einer im Hinblick auf die einzustellenden Eigenschaften des Graphitelements als optimal angesehene Korngrößenverteilung vermischt. Typischerweise werden dabei Mischungen erzeugt, die zu einem Drittel aus Staub und zu zwei Drittel aus Korn bestehen, um eine ausreichende Dichte zu gewährleisten. Hierbei wird davon ausgegangen, dass der Koksstaub die zwischen den Kokskörnern vorhandenen Lücken füllt. Der jeweiligen Mischung können Additive, wie beispielsweise Eisenoxid, zugegeben werden. Eisenoxid bewirkt eine Minimierung der irreversiblen thermischen Ausdehnung des Kokses ("Puffing"), welche bei den anschließenden Wärmebehandlungen eintritt, wenn im Koks noch vorhandener Schwefel aus dem Kohlenstoffgitter ausgetrieben wird.The coke is ground to a pourable quantity of grains, from which typically eight grain fractions are separated by sieving. Coke of different grain fractions is usually mixed to form a coke grain mixture with a grain size distribution that is considered optimal with regard to the properties to be set for the graphite element. Typically, this creates mixtures that are one-third dust and two-thirds grain to ensure adequate density. Here it is assumed that the coke dust fills the gaps between the coke grains. Additives such as iron oxide can be added to the respective mixture. Iron oxide causes a minimization of the irreversible thermal expansion of the coke ("puffing"), which occurs in the subsequent heat treatments when sulfur still present in the coke is expelled from the carbon lattice.
Die typischerweise zur Verkürzung der Prozesszeiten vorgewärmte Körnermischung wird mit einem Bindemittel, wie beispielsweise Teerpech, Stearinsäure oder Mischungen aus diesen Bindern, zu einer plastisch verformbaren, pastösen homogen durchmischten Masse vermengt, deren Binderanteil typischerweise 20 - 24 Gew.-% beträgt. Die erhaltene Kohlenstoff-Binder-Masse, die in der Fachsprache auch als "grüne Masse" bezeichnet wird, wird nun durch Pressen, Extrudieren, Rütteln oder Stampfen zu einem so genannten "Grünling" geformt: Während dieses Formvorgangs liegt die Temperatur unterhalb der Mischtemperatur, so dass zu diesem Zeitpunkt eine zähe, sehr hochviskose Masse vorliegt.The grain mixture, which is typically preheated to shorten the process times, is mixed with a binder, such as tar pitch, stearic acid or mixtures of these binders, to form a plastically deformable, pasty, homogeneously mixed mass, the binder content of which is typically 20-24% by weight. The resulting carbon binder mass, which is also referred to as "green mass" in technical jargon, is now formed into a so-called "green body" by pressing, extruding, shaking or tamping: During this forming process, the temperature is below the mixing temperature, so that at this point in time there is a tough, very highly viscous mass.
Die Grünlinge werden anschließend unter Ausschluss von Sauerstoff langsam auf eine Temperatur von typischerweise 800 bis 950 °C erwärmt. Während dieses Brennprozesses zersetzt sich ein Teil des Binders zu Gas, welches aus dem Grünling entweichen muss. Diese Gasentwicklung bedingt eine langsam fortschreitende Erwärmung, weil es andernfalls in Folge von im Grünling entstehendem Gasdruck zu einer Rissbildung und damit einhergehender Instabilität des herzustellenden Kohlenstoff- respektive Graphitelements kommen könnte.The green compacts are then slowly heated to a temperature of typically 800 to 950 °C in the absence of oxygen. During this burning process, part of the binder decomposes into gas, which has to escape from the green body. This gas development causes a slowly progressive warming, because otherwise, as a result of the gas pressure arising in the green body, cracking and associated instability of the carbon or graphite element to be produced could occur.
Abhängig vom verwendeten Bindersystem geht etwa ein Drittel der Masse des verwendeten Binders während des Brennprozesses verloren. Der aus dem Grünling entgasende Binder hinterlässt im nach dem Brennen erhaltenen Zwischenprodukt Hohlräume, durch die das Zwischenprodukt eine verringerte Dichte aufweist. Diese reicht in der Regel für die Herstellung von Kohlenstoff- bzw. Graphitelementen nicht aus, von denen eine hohe elektrische Leitfähigkeit und hohe Festigkeiten gefordert werden, wie beispielsweise von Graphitelektroden für die Stahlerschmelzung oder -behandlung. Daher wird das nach dem ersten Brennen erhaltene Zwischenprodukt vor der Weiterverarbeitung typischerweise einem so genannten "Imprägnieren" unterzogen. Hierzu wird ein erwärmtes Imprägniermittel, das eine geringere Viskosität als das ursprünglich eingesetzte Bindemittel aufweist, typischerweise Teerpech, in das Zwischenerzeugnis gepresst, um dort vorhandene Poren zu füllen. Anschließend wird das Zwischenerzeugnis erneut gebrannt. Dabei verflüchtigt sich wiederum ein Teil des zuvor eingepressten Imprägniermittels mit der Folge, dass das Zwischenprodukt auch nach einem Imprägnierschritt jeweils unvermeidbar offene, nicht mit Kohlenstoff gefüllte Poren aufweist. Dementsprechend muss der Imprägniervorgang erforderlichenfalls wiederholt werden, bis das Zwischenprodukt die für seine Weiterverarbeitung geforderte Dichte aufweist.Depending on the binder system used, about a third of the mass of the binder used is lost during the firing process. The binder degassing from the green body leaves cavities in the intermediate product obtained after firing, as a result of which the intermediate product has a reduced density. As a rule, this is not sufficient for the production of carbon or graphite elements, from which high electrical conductivity and high strength are required, such as graphite electrodes for steel melting or treatment. Therefore, the intermediate product obtained after the first firing before the Further processing typically subjected to a so-called "impregnation". For this purpose, a heated impregnating agent that has a lower viscosity than the binder originally used, typically tar pitch, is pressed into the intermediate product in order to fill the pores present there. The intermediate product is then fired again. In the process, part of the previously pressed-in impregnating agent evaporates, with the result that the intermediate product inevitably has open pores that are not filled with carbon even after an impregnation step. Accordingly, if necessary, the impregnation process must be repeated until the intermediate product has the density required for its further processing.
Für die Weiterverarbeitung zu einem Graphitelement höchster Güte wird das Zwischenprodukt einem Graphitierprozess unterzogen. Dabei wird der im Zwischenprodukt enthaltene Kohlenstoff durch Erwärmung auf ca. 2800 °C in Graphit umgewandelt, der sich durch eine zunehmend dreidimensionale Ordnung der Kohlenstoffatome auszeichnet. Üblicherweise kommen hier der so genannte "Acheson-Prozess" oder der ökonomischere "Castner-Prozess", die sogenannte Längsgraphitierung (LWG), zum Einsatz. Durch einen möglichst niedrigen Schwefel- und Stickstoffgehalt des Vormaterials und die damit reduzierte Puffing-Neigung können Ablauf und Erfolg der Graphitierung unterstützt werden. Die negative Wirkung von im Zwischenprodukt noch enthaltenem Stickstoff und Schwefel können, wie erwähnt, auch durch geeignete Zusätze wie Eisenoxid oder eine gezielte Temperaturführung während der Graphitierung gemindert werden.For further processing into a graphite element of the highest quality, the intermediate product is subjected to a graphitization process. The carbon contained in the intermediate product is converted into graphite by heating to approx. 2800 °C, which is characterized by an increasingly three-dimensional order of the carbon atoms. The so-called "Acheson process" or the more economical "Castner process", the so-called longitudinal graphitization (LWG), are usually used here. The process and success of the graphitization can be supported by the lowest possible sulfur and nitrogen content in the starting material and the resulting reduced tendency to puffing. The negative effect of nitrogen and sulfur still present in the intermediate product can, as mentioned, also be reduced by suitable additives such as iron oxide or a targeted temperature control during the graphitization.
Verfahren, die auf dem so genannten "Söderbergprozess" (siehe beispielsweise
Bei einer in der
Bei einer in der
Neben dem voranstehend erläuterten Stand der Technik ist aus der
Des Weiteren ist aus der
Aus der
Ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zu nennen, mit dem sich kostengünstig ein Verkokungsprodukt erzeugen lässt, das aufgrund seiner hohen Dichte für den unmittelbaren Einsatz bei der Erzeugung von Metallen, Metalllegierungen und metallurgischer Produkte oder als Zwischenprodukt für die Herstellung von entsprechenden Graphitelementen dienen kann, an deren Eigenschaften höchste Anforderungen gestellt werden.Based on the prior art explained above, the task was to name a process with which a coke product can be produced inexpensively which, due to its high density, can be used directly in the production of metals, metal alloys and metallurgical products or as an intermediate product For the production of Corresponding graphite elements can be used, the properties of which are subject to the highest demands.
Die Erfindung hat diese Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.The invention has solved this problem by the method specified in
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden wie der allgemeine Erfindungsgedanke nachfolgend im Einzelnen erläutert.Advantageous refinements of the invention are specified in the dependent claims and, like the general inventive concept, are explained in detail below.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Verkokungsprodukts umfasst demnach folgende Arbeitsschritte:
- a) Bereitstellen eines Behälters, der einen Innenraum umgrenzt und eine Einfüllöffnung zum Einfüllen eines fließ- oder schüttfähigen Kohlenstoffträgermaterials in den Innenraum sowie eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des in den Innenraum des Behälters gefüllten Kohlenstoffträgermaterials umfasst;
- b) Einbringen des Kohlenstoffträgermaterials über die Einfüllöffnung in den Innenraum des Behälters, wobei das Kohlenstoffträgermaterial eine verflüssigbare, verkokbare Kohlenstoffkomponente sowie optional feste, insbesondere verkokbare Kohlenstoffkomponenten und ebenso optional Additive umfasst, welche zur Einstellung der Eigenschaften des Kohlenstoffträgermaterials dienen;
- c) Erwärmen des in den Innenraum des Behälters gefüllten Kohlenstoffträgermaterials mittels der Heizeinrichtung auf eine Verkokungstemperatur, wobei das auf die jeweilige Verkokungstemperatur erwärmte Kohlenstoffträgermaterial jeweils so lange bei der Verkokungstemperatur gehalten wird, bis das auf der Verkokungstemperatur gehaltene Kohlenstoffträgermaterial durch Verkokung zu dem Verkokungsprodukt verfestigt ist;
- wobei während des Arbeitsschritts c) eine längs der Längsachse des Behälters ausgerichtete Relativbewegung zwischen dem jeweils erwärmten Kohlenstoffträgermaterial und der Heizeinrichtung stattfindet,
- indem die von der Heizeinrichtung abgegebene Wärme jeweils nur ein sich über einen bestimmten Teilabschnitt der Höhe des Innenraums des Behälters erstreckendes Teilvolumen des in den Innenraum gefüllten Kohlenstoffträgermaterials erfasst,
und - entweder das in den Innenraum des Behälters gefüllte Kohlenstoffträgermaterial stillsteht, während die Heizzone ausgehend von dem in Schwerkraftrichtung unten angeordneten Boden entgegen der Schwerkraftrichtung in Richtung des oberen Endes des Behälters bewegt wird,
oder - die Heizeinrichtung ortsfest angeordnet ist und das in den Behälter gefüllte Kohlenstoffträgermaterial relativ zur Heizeinrichtung bewegt wird, indem entweder der Behälter mit dem in ihn gefüllten Kohlenstoffträgermaterial entlang der feststehenden Heizeinrichtung bewegt wird oder im Boden des Behälters eine Abzugsöffnung vorgesehen ist, über die das Verkokungsprodukt als aus dem jeweils verfestigten Kohlenstoffträgermaterial gebildeter Strang kontinuierlich aus dem Behälter entnommen wird (Arbeitsschritt e)); und
- d) wobei Gas, welches während des Erwärmens und Haltens (Arbeitsschritt c)) aus dem Kohlenstoffträgermaterial entweicht, aus dem Behälter abgeleitet wird;
- e) Entnehmen des Verkokungsprodukts aus dem Behälter.
- a) providing a container which delimits an interior space and comprises a filling opening for filling a flowable or pourable carbon support material into the interior space and a heating device for heating the carbon support material filled into the interior space of the container;
- b) introducing the carbon carrier material into the interior of the container via the filling opening, the carbon carrier material comprising a liquefiable, carbonizable carbon component and optionally solid, in particular carbonizable carbon components and also optionally additives which are used to adjust the properties of the carbon carrier material;
- c) heating of the carbon carrier material filled into the interior of the container by means of the heating device to a coking temperature, wherein the carbon carrier material heated to the respective coking temperature is kept at the coking temperature until the carbon carrier material held at the coking temperature is solidified by coking to form the coking product;
- wherein during step c) a relative movement, aligned along the longitudinal axis of the container, takes place between the respectively heated carbon support material and the heating device,
- in that the heat given off by the heating device covers only a partial volume of the carbon carrier material filled in the interior space that extends over a specific partial section of the height of the interior space of the container,
and - either the carbon carrier material filled into the interior of the container stands still while the heating zone, starting from the bottom arranged in the direction of gravity, is moved counter to the direction of gravity in the direction of the upper end of the container,
or - the heating device is arranged in a stationary manner and the carbon carrier material filled in the container is moved relative to the heating device, either by moving the container with the carbon carrier material filled in it along the fixed heating device or by providing a vent opening in the bottom of the container through which the coke product can be removed the strand formed from the respectively solidified carbon support material is continuously removed from the container (work step e)); and
- d) wherein gas escaping from the carbon support material during heating and holding (step c)) is discharged from the container;
- e) removing the char from the container.
Um die durch Absolvieren der erfindungsgemäß notwendig durchlaufenen Arbeitsschritte a) - e) erfindungsgemäß hergestellten Verkokungsprodukte weiter zu veredeln, insbesondere die Qualität der graphitierten Produkte zu erhöhen, können sie nach dem Arbeitsschritt e) jeweils optional auch noch die folgenden Arbeitsschritte durchlaufen:
- f) Brennen des Verkokungsprodukts;
- g) Imprägnieren des Verkokungsprodukts mit einem flüssigen kohlenstoffbasierten Füllmittel und anschließendes erneutes Brennen des imprägnierten Verkokungsprodukts;
- h) Erzeugen eines Graphitprodukts durch Graphitieren des Verkokungsprodukts.
- f) burning the char;
- g) impregnating the char with a liquid carbon-based filler and then refiring the impregnated char;
- h) producing a graphite product by graphitizing the coke product.
Anders als bei den konventionellen Verfahren, bei denen ein körniges Ausgangsprodukt eingesetzt wird, das durch Vermengung mit einem Binder in eine formbare Masse überführt wird, um einen Grünling zu formen, der dann einer Verkokungsbehandlung unterzogen wird, geht das erfindungsgemäße Verfahren von einem fließfähigen Ausgangsprodukt aus, nämlich einem Kohlenstoffträgermaterial, dessen wesentliche Komponente ein flüssiger bzw. verflüssigbarer Kohlenstoffträger ist, wobei das Kohlenstoffträgermaterial auch feste Kohlenstoffkomponenten und andere feste oder flüssige Bestandteile (Additive) enthalten kann, ohne dabei jedoch seinen flüssigen Charakter zu verlieren.Unlike the conventional method, in which a granular starting material is used, which is converted into a moldable mass by mixing with a binder to form a green body, which is then subjected to a coking treatment, the method according to the invention starts from a flowable starting product , namely a carbon support material, the essential component of which is a liquid or liquefiable carbon support, the carbon support material also containing solid carbon components and other solid or liquid components (additives), but without losing its liquid character.
Als Additive kommen dabei beispielsweise Eisenoxid oder Titanoxid zur Verminderung des Puffing-Effektes, eine Bor-Quelle, wie reines Bor oderAdditives include, for example, iron oxide or titanium oxide to reduce the puffing effect, a boron source such as pure boron or
Borkarbid, zur Verbesserung der Kristallstruktur und dadurch Verminderung des Wärmeausdehnungskoeffizienten, oder Kohlenstoff- oder Graphitfasern zum Einsatz, die zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und ebenfalls zur Reduzierung des Wärmeausdehnungskoeffizienten beitragen.Boron carbide, to improve the crystal structure and thereby reduce the coefficient of thermal expansion, or carbon or graphite fibers are used, which contribute to improving the mechanical properties and also to reducing the coefficient of thermal expansion.
Um ein Verkokungsprodukt zu erzeugen, dessen mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften höchsten Anforderungen genügen, wird somit als Kohlenstoffträgermaterial ein kohlenstoffreiches, verkokbares Produkt genutzt, das bereits bei Raumtemperatur flüssig ist oder durch Erwärmung und damit einhergehender Aufschmelzung in den fließfähigen Zustand gebracht wird, jedenfalls aber während des Verkokungszugangs flüssig ist.In order to produce a coking product whose mechanical, thermal and electrical properties meet the highest requirements, a carbon-rich, coking product is used as the carbon carrier material, which is already liquid at room temperature or is brought into the flowable state by heating and the associated melting, but in any case is liquid during coke access.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Kohlenstoffträgermaterialien fallen typischerweise bei der Verarbeitung von Erdöl aus der schweren Fraktion, als Rückstände bei der Destillation von Erdöl, aus Steinkohleteerderivaten, aus der Flüssigphasenpyrolyse (andere fließfähige organische Komponenten) an. Ebenso ist der Einsatz von Produkten aus der Verarbeitung von Biomasse, wie Zellulose, Zucker oder Stärke, denkbar. Dabei sind die voranstehend genannten Materialien hier nur beispielhaft erwähnt. Es können selbstverständlich auch andere kohlenstoffhaltige Stoffe, die in flüssiger oder durch Aufschmelzen verflüssigbarer Form vorliegen und verkokbar sind, für die erfindungsgemäßen Zwecke verwendet werden. Dementsprechend besteht die flüssige oder verflüssigbare Kohlenstoffkomponente des Kohlenstoffträgermaterials insbesondere aus mindestens einer Komponente der folgenden Gruppe: "Rückstände aus der Destillation von Erdöl und der Verwertung von Kohle anfallenden Produkte wie beispielsweise Teere und deren Derivate, Pech, fließfähiges Bitumen, Harze oder Produkte aus der Verarbeitung von Biomassewie Zellulose, Zucker und Stärke".The carbon support materials used according to the invention typically arise in the processing of petroleum from the heavy fraction, as residues in the distillation of petroleum, from coal tar derivatives, from liquid-phase pyrolysis (other free-flowing organic components). The use of products from the processing of biomass, such as cellulose, sugar or starch, is also conceivable. The materials mentioned above are only mentioned here as examples. Of course, other carbon-containing substances which are present in liquid form or which can be liquefied by melting and which can be coked can also be used for the purposes according to the invention. Accordingly, the liquid or liquefiable carbon component of the carbon carrier material consists in particular of at least one component from the following group: "Residues from the distillation of petroleum and the use of coal products such as tar and its derivatives, pitch, free-flowing bitumen, resins or products from processing of biomass such as cellulose, sugar and starch".
Als feste Kohlenstoffkomponente kann mindestens eine Komponente der folgenden Gruppe im erfindungsgemäß verwendeten Kohlenstoffträgermaterial vorhanden sein: "in körniger Form vorliegender Koks, Kohle, Bitumen in fester Form, Ligniten, Anthrazitkohle, Graphit, Stoffe aus dem Recycling von Kohlenstofffasern", wobei auch diese Materialien nur beispielhaft genannt sind und selbstverständlich auch andere kohlenstoffhaltige Reststoffe, die in fester Form vorliegen und verkokbar sind, für die erfindungsgemäßen Zwecke verwendet werden können.As a solid carbon component, at least one component from the following group can be present in the carbon carrier material used according to the invention: "granular form of coke, coal, bitumen in solid form, lignites, anthracite coal, graphite, materials from the recycling of carbon fibers", although these materials are also only mentioned as examples and, of course, other carbon-containing residues that are in solid form and can be coked can also be used for the purposes according to the invention.
Erfindungsgemäß erzeugte Verkokungsprodukte können als Kohlenstofflieferanten direkt für solche Anwendungen eingesetzt werden, bei denen sie als Reaktionspartner bzw. Elektroden für chemische und elektrochemische Reaktionen dienen. Ein wichtiges Einsatzfeld hier ist die Verwendung in Anlagen zur Erzeugung von Aluminium, bei denen sich erfindungsgemäß erzeugte Verkokungsprodukte als Anoden oder Kathoden, insbesondere als Anoden, einsetzen lassen, ohne dass sie weiteren Arbeitsschritten zur Veränderung ihrer Struktur oder Dichte unterzogen werden müssen.Coking products produced according to the invention can be used directly as carbon suppliers for those applications in which they serve as reactants or electrodes for chemical and electrochemical reactions. An important field of application here is the use in plants for producing aluminum, in which coking products produced according to the invention can be used as anodes or cathodes, in particular as anodes, without having to undergo further work steps to change their structure or density.
Werden höhere mechanische, elektrische und insbesondere thermische Anforderungen an die erfindungsgemäßen Verkokungsprodukte gestellt, so können im Anschluss an die Arbeitsschritte a) - e) des erfindungsgemäßen Verfahrens die oben schon genannten optionalen Arbeitsschritte f) - h) absolviert werden. Auf diese Weise lassen sich erfindungsgemäß erzeugte Verkokungsprodukte als Zwischenprodukt für die Herstellung von qualitativ hochwertigen Graphitelementen nutzen, wie sie beispielsweise als Elektroden bei der Erschmelzung oder bei der metallurgischen Behandlung von Stählen in einem Elektrostahlwerk benötigt werden.If higher mechanical, electrical and in particular thermal requirements are placed on the carbonization products according to the invention, the optional work steps f) - h) already mentioned above can be completed after work steps a) - e) of the process according to the invention. In this way, carbonization products produced according to the invention can be used as an intermediate product for the production of high-quality graphite elements, such as are required, for example, as electrodes in melting or in the metallurgical treatment of steels in an electric steel works.
Indem die Erfindung als Ausgangsprodukt ein aus überwiegend flüssigen oder verflüssigbaren Bestandteilen bestehendes Kohlenstoffträgermaterial einsetzt, gelingt es, ein Verkokungsprodukt mit geringer Porosität herzustellen. Hierbei wird durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise sichergestellt, dass eine geringstmögliche Menge an Gasblasen in dem erhaltenen Verkokungsprodukt eingeschlossen ist. Die Abmessungen des die Form des erfindungsgemäß erzeugten Verkokungsprodukts bestimmenden Behälters können dabei so gewählt werden, dass sie unter Berücksichtigung eines gegebenenfalls erforderlichen Bearbeitungsaufmaßes dem für den jeweiligen Einsatzzweck angepassten Endmaß entsprechen.Since the invention uses a carbon carrier material consisting of predominantly liquid or liquefiable components as the starting product, it is possible to produce a coke product with low porosity. The procedure according to the invention ensures that the smallest possible amount of gas bubbles is included in the coke product obtained. The dimensions of the shape of the invention The containers that determine the coking product produced can be chosen so that they correspond to the final dimension adapted for the respective application, taking into account any machining allowance that may be required.
Der erfindungsgemäß bereitgestellte Behälter kann in an sich bekannter Weise aus einem ausreichend temperaturbeständigen Stahlblech gefertigt sein.The container provided according to the invention can be manufactured in a manner known per se from a sufficiently temperature-resistant sheet steel.
Um im Arbeitsschritt e) das Entnehmen des fertigen Verkokungsprodukts aus dem Behälter zu erleichtern, kann der Behälter an seinen den Innenraum des Behälters umgrenzenden Innenflächen zumindest abschnittsweise mit einer Gleitschicht belegt sein. Hierzu kann in den Innenraum des Behälters ein dicht an der Innenfläche des Behälters anliegender, separat vorgefertigter Liner eingebracht werden oder es kann eine aus einem geeigneten Material bestehende Beschichtung direkt auf die betreffende Innenfläche aufgebracht werden. Als Material für die Gleitfläche kommt ein Leichtmetallwerkstoff, insbesondere ein Aluminiumwerkstoff, aber auch ein dünnes Stahlblech in Frage.In order to facilitate the removal of the finished carbonized product from the container in step e), the container can be covered with a sliding layer at least in sections on its inner surfaces bordering the interior of the container. For this purpose, a separately prefabricated liner lying tightly against the inner surface of the container can be introduced into the interior of the container, or a coating consisting of a suitable material can be applied directly to the inner surface in question. A light metal material, in particular an aluminum material, but also a thin sheet steel can be used as the material for the sliding surface.
Im Arbeitsschritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das fließfähige Kohlenstoffträgermaterial über die Einfüllöffnung des Behälters in den Innenraum des Behälters eingebracht. Dabei kann die Einfüllöffnung durch ein Füllrohr oder desgleichen gebildet sein, dass durch eine Abdeckung, eine Wandung oder einen Deckel des Behälters in den von ihm umgrenzten Innenraum geführt ist.In step b) of the method according to the invention, the flowable carbon carrier material is introduced into the interior of the container via the filling opening of the container. The filling opening can be formed by a filling tube or the like, which is guided through a cover, a wall or a lid of the container into the interior space delimited by it.
Um die Fließfähigkeit der erfindungsgemäß in den Behälter gegebenen flüssigen oder aufschmelzbaren Kohlenstoffkomponente zu erhöhen, kann es zweckmäßig sein, die Kohlenstoffkomponente für sich oder das gesamte Kohlenstoffträgermaterial vor dem Einfüllen in den Innenraum des Behälters vorzuwärmen. Die Vorwärmung wird dabei vorzugsweise so ausgeführt, dass die gegebenenfalls vorhandene, der flüssigen Komponente zuzurechnende aufschmelzbare Kohlenstoffkomponente bereits verflüssigt ist, wenn sie in den Behälter gelangt. Jedoch kann auch die Erwärmung im Behälter so erfolgen, dass zunächst ein optimal flüssiger Zustand des Kohlenstoffträgermaterials hergestellt wird und dann der Verkokungsprozess einsetzt.In order to increase the flowability of the liquid or fusible carbon component placed in the container according to the invention, it may be expedient to preheat the carbon component itself or the entire carbon carrier material before filling it into the interior of the container. The preheating is preferably carried out in such a way that the liquid component, if any, is present fusible carbon component is already liquefied when it enters the container. However, the heating in the container can also take place in such a way that an optimally liquid state of the carbon carrier material is first produced and then the coking process begins.
Gemäß einer ersten Variante kann die Befüllung dabei in der Art erfolgen, dass die zu verkokende Gesamtmenge an Kohlenstoffträgermaterial zunächst in den Behälter gefüllt (Arbeitsschritt b)) und erst nach dem Befüllen die Erwärmung auf die Verkokungstemperatur und das Halten bei der Verkokungstemperatur durchgeführt wird (Arbeitsschritt c)), also die Erwärmung des Kohlenstoffmaterials erst beginnt, nachdem das Einfüllen des Kohlenstoffträgermaterials (Arbeitsschritt b)) abgeschlossen ist.According to a first variant, the filling can be carried out in such a way that the total amount of carbon carrier material to be coked is first filled into the container (step b)) and only after filling is it heated to the coking temperature and maintained at the coking temperature (step c)), ie the heating of the carbon material only begins after the filling of the carbon carrier material (step b)) has been completed.
Gemäß einer zweiten Variante ist es auch möglich, mit der Erwärmung eines in den Behälter gefüllten Teilvolumens der für die Erzeugung des Verkokungsproduktes benötigten Gesamtmenge an Kohlenstoffträgermaterial (Arbeitsschritt c)) bereits zu beginnen, während weiteres Kohlenstoffträgermaterial noch in den Innenraum eingefüllt wird (Arbeitsschritt b)).According to a second variant, it is also possible to start heating a partial volume of the total amount of carbon carrier material (step c)) that is filled into the container and required for the production of the carbonization product, while further carbon carrier material is still being filled into the interior (step b). ).
Während die erste Variante eine vereinfachte Prozessführung ermöglicht, ermöglicht die zweite Variante die Herstellung besonders dichter, qualitativ hochwertiger Verkokungsprodukte mit minimierter Porosität.While the first variant enables a simplified process control, the second variant enables the production of particularly dense, high-quality coke products with minimized porosity.
Die erfindungsgemäß während des Verkokungsprozesses (Arbeitsschritt c)) eingestellten Verkokungstemperaturen liegen typischerweise bei 450 - 900 °C, wobei bei Verkokungstemperaturen von mindestens 600 °C innerhalb einer praxisgerechten Verkokungsdauer auch bei großvolumigen Verkokungsprodukten eine im technischen Sinne vollständige Verkokung sicher erzielt werden kann.The coking temperatures set according to the invention during the coking process (step c)) are typically 450-900° C., with coking temperatures of at least 600° C. within a practical coking time, complete coking in the technical sense being able to be reliably achieved even with large-volume coking products.
Gleichzeitig wird durch Einstellung der Verkokungstemperatur im Bereich von 450 - 900 °C gewährleistet, dass im Prozess stets ausreichend fließfähiges Kohlenstoffträgermaterial zur Verfügung steht, um die in den jeweils in der Verkokung befindlichen Teilvolumina des Kohlenstoffträgermaterials durch die Entgasungsprozesse entstehenden Poren selbsttätig durch nachfließendes Kohlenstoffträgermaterial zu füllen. Durch das nachdrängende fließfähige Kohlenstoffträgermaterial, das die vom bei der Verkokung unvermeidbar entstehenden Gas zurückgelassenen Öffnungen und Hohlräume füllt, wird erfindungsgemäß eine optimal hohe Dichte des erhaltenen Verkokungsprodukts gewährleistet.At the same time, setting the coking temperature in the range of 450 - 900 °C ensures that there is always sufficient free-flowing carbon carrier material available in the process to automatically fill the pores created by the degassing processes in the partial volumes of the carbon carrier material that are in the coking process with subsequent flowing carbon carrier material . The flowable carbon carrier material that follows and fills the openings and cavities left behind by the gas unavoidably produced during coking ensures, according to the invention, an optimally high density of the coking product obtained.
Dabei hat sich gezeigt, dass beim erfindungsgemäßen Verfahren über die Einstellung der Verkokungstemperatur die elektrische Leitfähigkeit der erfindungsgemäß erzeugten Produkte direkt beeinflusst werden kann. So nimmt die elektrische Leitfähigkeit mit steigender Verkokungstemperatur zu. Durch Einstellung hoher Verkokungstemperaturen lassen sich daher schon am erfindungsgemäß erzeugten Verkokungsprodukt elektrische Leitfähigkeiten erzielen, welche eine direkte Graphitierung oder einen anderen unmittelbaren Einsatz dieser Produkte nach dem erfindungsgemäßen Verkokungsprozess erlauben. So können erfindungsgemäß erzeugte Produkte beispielsweise direkt als Anoden oder Kathoden, insbesondere als Anoden, bei der Erzeugung von Aluminium eingesetzt werden.It has been shown that in the method according to the invention, the electrical conductivity of the products produced according to the invention can be directly influenced by adjusting the coking temperature. The electrical conductivity increases with increasing coking temperature. By setting high coking temperatures, electrical conductivities can therefore already be achieved in the coking product produced according to the invention, which allow direct graphitization or another immediate use of these products after the coking process according to the invention. For example, products produced according to the invention can be used directly as anodes or cathodes, in particular as anodes, in the production of aluminum.
Bei einer Verkokungstemperatur von mindestens 650 °C, insbesondere mindestens 700 °C, tritt eine weitere signifikante Reduzierung des elektrischen Widerstands ein, wobei sich optimal niedrige Widerstände von 10-50 Ohm und eine damit einhergehend optimale elektrische Leitfähigkeit bei Verkokungstemperaturen von mindestens 800 °C ergeben. Dabei kann durch eine geeignete Einstellung der Verkokungstemperatur von üblicherweise mindestens 800 °C eine Längsgraphitierbarkeit des Verkokungsprodukts schon im Zuge des erfindungsgemäßen Prozesses erzielt werden.At a coking temperature of at least 650 °C, in particular at least 700 °C, there is a further significant reduction in the electrical resistance, with optimally low resistances of 10-50 ohms and an associated optimal electrical conductivity at coking temperatures of at least 800 °C resulting . By suitably setting the coking temperature of usually at least 800° C., longitudinal graphitization of the coke product can already be achieved in the course of the process according to the invention.
Bei einer oberhalb von einer Obergrenze von 1200 °C liegenden Verkokungstemperatur stellt sich keine Verbesserung der Leitfähigkeit mehr ein, so dass der Bereich der Verkokungstemperatur in der Praxis auf höchstens diese Obergrenze begrenzt werden kann.If the carbonization temperature is above an upper limit of 1200° C., the conductivity no longer improves, so that in practice the carbonization temperature range can be limited to at most this upper limit.
Um sicher zu stellen, dass so wenig Gasblasen wie möglich im Koks gefangen werden, sieht die Erfindung ein geeignetes Temperatur- und Mengenregime, insbesondere beim Durchlaufen des Temperaturbereichs von 450 - 600 °C, vor, um
- a) sicherzustellen, dass eine ausreichende Menge an flüssigem Kohlenstoffträgermaterial vorhanden ist, um eine automatische Nachfüllung der entstandenen Poren zur gewährleisten,
- b) gleichzeitig die Menge an flüssigem Kohlenstoffträgermaterial so gering wie möglich zu halten, um Ausgasung und Abtransport der sich bildenden Gasblasen zu begünstigen,
- c) den Verkokungsvorgang zügig ablaufen zu lassen
und - d) ein spontanes Verkoken und damit einhergehend ein "Einfrieren" von Gasblasen zu vermeiden.
- a) ensure that there is sufficient liquid carbon support material to ensure automatic refilling of the pores formed,
- b) at the same time keeping the amount of liquid carbon carrier material as low as possible in order to promote outgassing and the removal of the gas bubbles that form,
- c) to let the coking process run quickly
and - d) to avoid spontaneous coking and the associated "freezing" of gas bubbles.
Die Verkokungsdauer, über die das Kohlenstoffträgermaterial auf der jeweiligen Verkokungstemperatur gehalten wird, ist unmittelbar abhängig vom jeweils erwärmten Volumen. Jedenfalls ist die Verkokungsdauer so zu bemessen, dass das jeweils bei der Verkokungstemperatur gehaltene Kohlenstoffträgermaterial nach Ende der Verkokungsdauer im technischen Sinne vollständig verkokt ist. Die Verkokungsdauer ist vom zu verkokenden Volumen und im Fall des sukzessiven Füllens vom Fortschritt des Füllvorgangs abhängig. Typische Verkokungsdauern für großvolumigere Verkokungsprodukte, wie Elektroden, liegen hier in der Praxis bei 6 h bis 96 h. Bei der Erzeugung von Verkokungsprodukten mit kleinerem Volumen oder kleinen Querschnitten kann die Verkokungsdauer auch weniger als eine Stunde dauern.The coking time, over which the carbon support material is kept at the respective coking temperature, is directly dependent on the respective heated volume. In any case, the coking time is to be dimensioned in such a way that the carbon support material kept at the coking temperature is completely coked in the technical sense after the end of the coking time. The coking time depends on the volume to be coked and, in the case of successive filling, on the progress of the filling process. Typical In practice, coking times for large-volume coking products, such as electrodes, are between 6 hours and 96 hours. When producing coke products with smaller volumes or small cross-sections, the coke time can also be less than an hour.
Um den Austritt des bei der Verkokung entstehenden Gases aus dem Kohlenstoffträgermaterial zu unterstützen, kann die im Innenraum des Behälters vorhandene Atmosphäre abgesaugt werden. Dadurch entsteht im Innenraum des Behälters oberhalb des in ihn eingefüllten Kohlenstoffträgermaterials ein Unterdruck, der bis zum Vakuum reichen kann. Ein hierzu geeigneter Absolutdruck liegt im Bereich von 1 bis 50 hPa.The atmosphere present in the interior of the container can be sucked off in order to support the escape of the gas produced during coking from the carbon carrier material. This creates a negative pressure in the interior of the container above the carbon carrier material filled in it, which can reach as far as a vacuum. A suitable absolute pressure for this is in the range from 1 to 50 hPa.
Die Art und Weise der Formfüllung (Arbeitsschritt b)) und der Erwärmung (Arbeitsschritt c)) kann beim erfindungsgemäßen Verfahren in Abhängigkeit von den Anforderungen gewählt werden, die an die Dichteverteilung des erfindungsgemäß erzeugten Verkokungsprodukts gestellt werden. Besteht beispielsweise die Anforderung, dass in den äußeren Randbereichen der Verkokungsprodukte über eine ausreichende Dicke eine maximale Dichte vorliegen soll, wogegen im zentralen Kernbereich eine gewisse Restporosität akzeptiert wird, kann es ausreichen, wenn an einem feststehenden Behälter eine stationäre, das in den Behälter gefüllte Gesamtvolumen an fließfähigem Kohlenstoffträgermaterial erfassende Heizeinrichtung angeordnet ist. In diesem Fall schreitet der Verkokungsprozess ausgehend von dem an die Innenfläche des Behälters angrenzenden Randbereich des Kohlenstoffträgermaterials, der zuerst und am intensivsten von der von der Heizeinrichtung erzeugten Wärme erfasst wird, in Richtung des Kernbereichs des Kohlenstoffträgermaterials fort. Die bei der Verkokung entstehenden Gasblasen können dabei über den über längere Zeit noch flüssigen Kernbereich des Kohlenstoffträgermaterials entweichen. Gleichzeitig drängt aus dem flüssigen Kernbereich flüssiges Kohlenstoffträgermaterial in die von den Gasblasen im jeweils schon verkokten Randbereich hinterlassenen Poren, so dass sich beim fertig hergestellten Verkokungsprodukt ein optimal dichter Randbereich beträchtlicher Dicke einstellt. Lediglich im letzten Stadium der Verkokung, nämlich dann, wenn auch der zentrale Kernbereich verkokt wird, kann es dazu kommen, dass dort Gasblasen gefangen werden. Jedoch ist der Durchmesser des von der dadurch verursachten Porosität betroffenen Kernbereichs im Vergleich zur Dicke der optimal dichten Randschicht des so erfindungsgemäß erzeugten Verkokungsprodukts so klein, dass er bei Anwendungen, wie beispielsweise Elektroden für Reduktionsöfen, vernachlässigbar ist.The manner of filling the mold (step b)) and heating (step c)) can be selected in the process according to the invention depending on the requirements placed on the density distribution of the coke product produced according to the invention. If, for example, there is a requirement that in the outer edge areas of the coke products there should be maximum density over a sufficient thickness, while a certain residual porosity is accepted in the central core area, it can be sufficient if a stationary container, the total volume filled into the container, is sufficient is arranged on flowable carbon support material detecting heating device. In this case, the coking process proceeds from the edge area of the carbon support material adjacent to the inner surface of the container, which is affected first and most intensively by the heat generated by the heating device, towards the core area of the carbon support material. The gas bubbles formed during coking can escape through the core area of the carbon carrier material, which remains liquid for a long time. At the same time, liquid carbon carrier material pushes out of the liquid core area into the pores left by the gas bubbles in the already carbonized edge area, so that the finished coked product has an optimally sealed edge area of considerable thickness adjusts Only in the last stage of coking, namely when the central core area is also coked, can gas bubbles be trapped there. However, the diameter of the core area affected by the resulting porosity is so small compared to the thickness of the optimally dense surface layer of the coke product produced according to the invention that it is negligible in applications such as electrodes for reduction furnaces.
Eine über den gesamten Querschnitt des erfindungsgemäß hergestellten Verkokungsproduktes minimierte Porosität und damit einhergehend optimierte Dichte lässt sich dadurch erzielen, dass während des Arbeitsschritts c) eine längs der Längsachse der Form ausgerichtete Relativbewegung zwischen dem jeweils erwärmten Kohlenstoffträgermaterial und der von der Heizeinrichtung erzeugten Heizzone stattfindet. Diese Relativbewegung kann kontinuierlich oder schrittweise ablaufen. Bei einer kontinuierlichen Relativbewegung kann die Geschwindigkeit dieser Bewegung zudem in Abhängigkeit vom Fortschritt der Verkokung des Kohlenstoffträgermaterials variiert werden. Genauso kann bei einer schrittweise erfolgenden Relativbewegung, bei der die Heizzone oder der Behälter jeweils für eine bestimmte Verweildauer an einer Position verharrt, bis die Heizzone oder der Behälter sich zur nächsten Position bewegen, die Einwirkdauer der Wärme auf das jeweils von der Heizzone erfasste Volumen an Kohlenstoffträgermaterial über eine Einstellung der Verweildauer gesteuert werden.A porosity that is minimized over the entire cross section of the carbonization product produced according to the invention and, as a result, an optimized density, can be achieved in that during step c) a relative movement, aligned along the longitudinal axis of the mold, takes place between the respectively heated carbon support material and the heating zone generated by the heating device. This relative movement can take place continuously or in steps. In the case of a continuous relative movement, the speed of this movement can also be varied as a function of the progress of the coking of the carbon support material. Likewise, in the case of an incremental relative movement, in which the heating zone or container remains in one position for a certain dwell time before the heating zone or container moves to the next position, the exposure time to the heat can depend on the volume covered by the heating zone Carbon support material can be controlled by adjusting the residence time.
Indem die Heizzone relativ zum Kohlenstoffträgermaterial oder das Kohlenstoffträgermaterial relativ zur Heizzone bewegt wird, lässt sich erreichen, dass der Verkokungsprozess nicht nur wie bei der voranstehend erläuterten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vom äußeren Rand zum zentralen Kernbereich des jeweils von der Wärme der Heizeinrichtung erfassten Volumens des in den Innenraum des Behälters gefüllten Kohlenstoffträgermaterials fortschreitet, sondern gleichzeitig auch in Richtung der Relativbewegung. Auf diese Weise kann ein gleichmäßiges Anwachsen des jeweils verkokten Volumens des Kohlenstoffträgermaterials über den gesamten Querschnitt erreicht und damit einhergehend sichergestellt werden, dass auch im Kernbereich des erfindungsgemäß erhaltenen Verkokungsproduktes eine hohe Dichte vorliegt.By moving the heating zone relative to the carbon support material or moving the carbon support material relative to the heating zone, it is possible to ensure that the coking process not only moves from the outer edge to the central core area of the volume of the in the interior of the container filled carbon support material progresses, but at the same time also in the direction of relative movement. In this way, an even growth of the each coked volume of the carbon support material is achieved over the entire cross-section, and it is consequently ensured that there is also a high density in the core area of the coke product obtained according to the invention.
Gemäß einer ersten Variante dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfasst die von der Heizeinrichtung in der Heizzone abgegebene Wärme jeweils nur ein sich über einen bestimmten Teilabschnitt der Höhe des Innenraums des Behälters erstreckendes Teilvolumen des in den Innenraum gefüllten Kohlenstoffträgermaterials, wobei das in den Innenraum gefüllte Kohlenstoffträgermaterial während der Erwärmung (Arbeitsschritt c)) stillsteht, wogegen die von der jeweiligen Heizeinrichtung erzeugte Heizzone ausgehend von dem in Schwerkraftrichtung unten angeordneten Boden entgegen der Schwerkraftrichtung in Richtung des oberen Endes des Behälters bewegt wird. Die aus dem von der Heizeinrichtung auf Verkokungstemperatur erwärmten Teilvolumen des im Innenraum des Behälters enthaltenen Kohlenstoffträgermaterials austretenden Gasblasen können bei dieser Ausgestaltung durch das flüssige Kohlenstoffträgermaterial, das über dem jeweils im Verkokungsprozess (Arbeitsschritt c)) befindlichen, von der Hitze der Heizeinrichtung erfassten Teilvolumen des Kohlenstoffträgermaterials austritt, entgegen der Schwerkraftrichtung nach oben entweichen, während gleichzeitig aufgrund der Schwerkraftwirkung flüssiges Kohlenstoffträgermaterial mit gravitationsbedingtem Druck in die im bereits verkokten Kohlenstoffträgermaterial von den Gasblasen zurückgelassenen Öffnungen und Hohlräume drängt und diese füllt, so dass selbsttätig ein insgesamt dichtes, weitestgehend porenfreies Verkokungsprodukt erhalten wird.According to a first variant of this embodiment of the method according to the invention, the heat emitted by the heating device in the heating zone only covers a partial volume of the carbon carrier material filled in the interior space that extends over a specific partial section of the height of the interior space of the container, with the carbon carrier material filled in the interior space during the heating (step c)) stands still, whereas the heating zone generated by the respective heating device, starting from the bottom arranged in the direction of gravity, is moved counter to the direction of gravity in the direction of the upper end of the container. The gas bubbles escaping from the partial volume of the carbon carrier material contained in the interior of the container that has been heated to the coking temperature by the heating device can, in this embodiment, be expelled by the liquid carbon carrier material that is above the partial volume of the carbon carrier material that is in the coking process (work step c)) and is covered by the heat of the heating device escape upwards against the direction of gravity, while at the same time, due to the effect of gravity, liquid carbon carrier material presses with gravitational pressure into the openings and cavities left by the gas bubbles in the carbon carrier material that has already coked and fills them, so that an overall dense, largely pore-free coking product is automatically obtained.
Hierbei erweist es sich als besonders vorteilhaft, dass beim erfindungsgemäßen Verfahren die Befüllung des Behälters und die Erwärmung des im Behälter jeweils enthaltenen Volumens an Kohlenstoffträgermaterial zeitlich parallel erfolgen kann. Auf diese Weise lässt sich die Menge an fließfähigem Kohlenstoffträgermaterial, das während der Verkokung des jeweils von der Hitze der Heizeinrichtung erfassten Teilvolumens über diesem Teilvolumen steht, so steuern, dass einerseits die von den Gasblasen durch das noch flüssige Kohlenstoffträgermaterial zurückgelegte Strecke optimal kurz ist, andererseits aber auch die auf dem bereits verkokten Kohlenstoffträgermaterial lastende Säule von fließfähigem Kohlenstoffträgermaterial so groß ist, dass stets eine ausreichende Menge an fließfähigem Kohlenstoffträgermaterial über dem schon verkokten Kohlenstoffträgermaterialteilvolumen vorhanden ist und optimalerweise das Nachdrängen des fließfähigen Kohlenstoffträgermaterials in die Poren des schon verkokten Kohlenstoffträgermaterials durch das Eigengewicht des noch flüssigen Kohlenstoffträgermaterials unterstützt wird.It has proven to be particularly advantageous here that, in the method according to the invention, the filling of the container and the heating of the volume of carbon carrier material contained in the container can take place at the same time. In this way, the amount of flowable carbon support material during the coking of each of the heat of the heating device is above this partial volume, so that on the one hand the distance covered by the gas bubbles through the still liquid carbon carrier material is optimally short, but on the other hand the column of flowable carbon carrier material weighing on the carbon carrier material that has already coked is so large that it is always a sufficient amount of flowable carbon support material is present above the already coked carbon support material partial volume and optimally the displacement of the flowable carbon support material into the pores of the already coked carbon support material is supported by the weight of the still liquid carbon support material.
Bei ortsfest montiertem Behälter kann eine Relativbewegung zwischen der Heizzone und dem im Behälter enthaltenen Kohlenstoffträgermaterial dadurch bewerkstelligt werden, dass die die Heizzone erzeugende Heizeinrichtung längs des Behälters bewegt wird.With the container mounted in a stationary manner, a relative movement between the heating zone and the carbon support material contained in the container can be brought about by the heating device producing the heating zone being moved along the container.
Alternativ ist es aber auch möglich, eine ortsfest montierte, sich über die gesamte Länge d7es in den Behälter gefüllten Volumens an Kohlenstoffträgermaterial erstreckende Heizeinrichtung vorzusehen, die in Längsrichtung des Behälters in mehrere Heizsegmente unterteilt ist. Diese können dann aufeinanderfolgend aktiviert und deaktiviert werden, so dass eine kontinuierliche oder schrittweise Bewegung der von den Heizsegmenten der Heizeinrichtung erzeugten Heizzone entlang des Behälters erreicht wird.Alternatively, however, it is also possible to provide a stationarily mounted heating device that extends over the entire length of the volume of carbon carrier material filled in the container and is divided into a plurality of heating segments in the longitudinal direction of the container. These can then be activated and deactivated sequentially so that continuous or stepwise movement of the heating zone generated by the heating segments of the heater along the container is achieved.
Bei einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfasst die von der Heizeinrichtung in der Heizzone abgegebene Wärme ebenfalls jeweils nur ein sich über einen bestimmten Teilabschnitt der Höhe des Innenraums des Behälters erstreckendes Teilvolumen des in den Innenraum gefüllten Kohlenstoffträgermaterials, wobei hier jedoch die Heizeinrichtung ortsfest angeordnet ist, während das in den Behälter gefüllte Kohlenstoffträgermaterial relativ zur von der Heizeinrichtung erzeugten Heizzone bewegt wird. Grundsätzlich kann dazu der Behälter mit dem in ihn gefüllten Kohlenstoffträgermaterial entlang der feststehenden Heizeinrichtung bewegt werden.In another variant of the method according to the invention, the heat given off by the heating device in the heating zone also only covers a partial volume of the carbon carrier material filled in the interior space, extending over a specific partial section of the height of the interior space of the container, with the heating device being arranged stationary here, however. while the carbon support material filled in the container is moved relative to the heating zone created by the heater. In principle, the container with the filled in it can do this Carbon support material are moved along the fixed heater.
Bei einer besonders produktiven Ausgestaltung dieser auf einer feststehenden Heizeinrichtung beruhenden Verfahrensvariante, die zudem optimal beschaffene Verkokungsprodukte ergibt, ist jedoch der Behälter ortsfest montiert, wobei im Boden des Behälters eine Abzugsöffnung vorgesehen ist, über die das Verkokungsprodukt als aus dem jeweils verfestigten Kohlenstoffträgermaterial gebildeter Strang kontinuierlich aus dem Behälter entnommen wird (Arbeitsschritt e)). Bei dieser Ausgestaltung ist also der Behälter nach Art einer Gießkokille ausgebildet. Gleichzeitig ist die Heizeinrichtung so an dem Behälter montiert und die Abzugsgeschwindigkeit, mit der das fertig verkokte Verkokungsprodukt als Strang laufend aus dem Behälter entnommen wird, so gewählt, dass das im fließfähigen Zustand in den Behälter gefüllte Kohlenstoffträgermaterial auf seinem Weg zu der Abzugsöffnung im technischen Sinne vollständig verkokt und dementsprechend verfestigt ist. Neben der erhöhten Produktivität besteht auch hier der besondere Vorteil, dass das Volumen an fließfähigem Kohlenstoffträgermaterial, das jeweils über dem schon verkokten Teilvolumen des Kohlenstoffträgermaterials im Behälter steht, so eingestellt werden kann, dass einerseits der Weg, der von den aus dem im Verkokungsprozess (Arbeitsschritt c)) befindlichen Teilvolumen austretenden Gasblasen zurückgelegt werden muss, kurz ist und andererseits stets ausreichend viel flüssiges Kohlenstoffträgermaterial zur Verfügung steht, um die von den Gasblasen zurückgelassenen Poren im schon verkokten Kohlenstoffträgermaterial zu füllen. Das als Strang aus dem Behälter abgezogene Verkokungsprodukt kann optional beschleunigt abgekühlt werden, um eine zügige Weiterverarbeitung zu ermöglichen. Von dem erhaltenen Verkokungsprodukt-Strang können Verkokungsprodukte der jeweils gewünschten Länge abgeteilt werden.In a particularly productive embodiment of this variant of the process, which is based on a fixed heating device and which also produces coking products of the best possible quality, the container is installed in a stationary manner, with a vent opening being provided in the bottom of the container through which the coking product continuously flows out as a strand formed from the solidified carbon carrier material removed from the container (step e)). In this configuration, the container is designed in the manner of a casting mold. At the same time, the heating device is mounted on the container and the withdrawal speed at which the coked coke product is continuously removed from the container as a strand is selected in such a way that the carbon carrier material filled into the container in a flowable state is on its way to the withdrawal opening in the technical sense is fully coked and accordingly solidified. In addition to the increased productivity, there is also the particular advantage here that the volume of flowable carbon carrier material that is above the already coked partial volume of the carbon carrier material in the container can be adjusted in such a way that on the one hand the path leading from the in the coking process (work step c)) located partial volume emerging gas bubbles must be covered, is short and on the other hand always enough liquid carbon support material is available to fill the pores left by the gas bubbles in the already coked carbon support material. The carbonized product drawn off from the container as a strand can optionally be cooled down more quickly in order to enable speedy further processing. Coke products of the respectively desired length can be separated from the coke product strand obtained.
Bei den Ausführungsvarianten, bei denen eine Relativbewegung zwischen dem Kohlenstoffträgermaterial und der Heizquelle stattfindet, hängt die Geschwindigkeit der Relativbewegung vom Durchmesser oder Querschnitt des zu erzeugenden Produkts ab. Dabei nimmt die Geschwindigkeit mit zunehmender Durchmesser- oder Querschnittsgröße wegen der zur Verkokung des jeweils von der Heizzone erfassten Volumens an Kohlenstoffträgermaterial proportional ab. Bei der Erzeugung von zylindrischen Elektroden mit für die Praxis typischen Durchmessern liegt die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen der Heizzone und dem im Behälter enthaltenen Kohlenstoffträgermaterial typischerweise im Bereich von 0,025 - 1,5 m/h, insbesondere 0,05 - 0,5 m/h.In the embodiment variants in which there is a relative movement between the carbon support material and the heat source, the depends The speed of the relative movement depends on the diameter or cross-section of the product to be produced. The speed decreases proportionally with increasing diameter or cross-sectional size because of the coking of the volume of carbon support material covered by the heating zone. When producing cylindrical electrodes with diameters that are typical in practice, the speed of the relative movement between the heating zone and the carbon carrier material contained in the container is typically in the range of 0.025-1.5 m/h, in particular 0.05-0.5 m/h .
Das Entgasen (Arbeitsschritt d)) des im Verkokungsprozess (Arbeitsschritt c)) aus dem in Verkokung befindlichen Kohlenstoffträgermaterial entweichenden Gases kann dadurch unterstützt werden, dass das im Behälter enthaltene Kohlenstoffträgermaterial zumindest zeitweise in Bewegung versetzt wird. Hierzu kann beispielsweise eine Vibrationseinrichtung oder desgleichen vorgesehen sein, die das im Behälter enthaltene Kohlenstoffträgermaterial insgesamt oder bereichsweise zu Schwingungen anregt, die idealerweise im Bereich von 0,5 Hz bis 50 kHz liegen.The degassing (step d)) of the gas escaping from the carbon carrier material in the coking process (step c)) can be supported by the carbon carrier material contained in the container being set in motion at least temporarily. For this purpose, for example, a vibration device or the like can be provided, which excites the carbon carrier material contained in the container as a whole or in certain areas to vibrate, which are ideally in the range from 0.5 Hz to 50 kHz.
Die zur Erwärmung des Kohlenstoffträgermaterials erfindungsgemäß eingesetzte Heizeinrichtung kann so ausgelegt sein, dass sie ein bestimmtes Temperaturprofil innerhalb des im Behälter enthaltenen, von der Wärme der Heizeinrichtung jeweils erfassten Kohlenstoffträgermaterials bewirkt. So kann es insbesondere bei den Verfahrensvarianten, bei denen eine Relativbewegung zwischen der von der jeweiligen Heizeinrichtung erzeugten Heizzone und dem Kohlenstoffträgermaterial stattfindet, beispielsweise zweckmäßig sein, die Heizeinrichtung so zu betreiben, dass das jeweils neu in den Wirkbereich der Heizeinrichtung gelangende Kohlenstoffträgermaterial-Teilvolumen langsam auf die jeweilige Verkokungstemperatur gebracht wird, dass also die Heizleistung, die auf das jeweilige Teilvolumen an Kohlenstoffträgermaterial wirkt, zunimmt, je weiter das jeweilige Teilvolumen in den Wirkbereich der Heizeinrichtung einfährt und je länger es der von der Heizeinrichtung abgegebenen Wärme ausgesetzt ist.The heating device used according to the invention for heating the carbon carrier material can be designed in such a way that it causes a specific temperature profile within the carbon carrier material contained in the container and which is respectively covered by the heat of the heating device. For example, it can be expedient, particularly in the case of process variants in which there is a relative movement between the heating zone generated by the respective heating device and the carbon carrier material, to operate the heating device in such a way that the partial volume of carbon carrier material newly entering the effective range of the heating device slowly expands the respective coking temperature is brought, so that the heating power acting on the respective partial volume of carbon carrier material increases, the further the respective partial volume into the effective range of the heating device retracts and the longer it is exposed to the heat emitted by the heater.
Das erfindungsgemäße Verfahren liefert Verkokungsprodukte, die bereits beim Verkoken eine endabmessungsnahe Geometrie erhalten. Damit entfallen die bei der Herstellung von Elektroden herkömmlichen Arbeitsschritte Koksaufbereitung, Mischen, Formgebung und Erstbrand und es eröffnet sich die Möglichkeit, auch auf ein Imprägnieren und einen Zweitbrand des erfindungsgemäß erzeugten Verkokungsprodukts für die Erzeugung eines vollständig graphitisierten Endprodukts zu verzichten. So liefert das erfindungsgemäße Verfahren bereits ohne eine Imprägnierung ein Verkokungsprodukt hoher Festigkeit und Dichte. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine mittlere Dichte von mindestens 1,4 g/cm3 aufweisen, wobei Dichten von mindestens 1,5 g/cm3 regelmäßig erreicht werden.The process according to the invention provides coking products which are already given a geometry close to their final dimensions during coking. This eliminates the work steps of coke preparation, mixing, shaping and first firing that are conventional in the production of electrodes, and it opens up the possibility of also dispensing with impregnation and a second firing of the coke product produced according to the invention in order to produce a fully graphitized end product. Thus, the process according to the invention provides a coke product of high strength and density even without impregnation. These are characterized in that they have an average density of at least 1.4 g/cm 3 , densities of at least 1.5 g/cm 3 being regularly achieved.
Dadurch, dass beim erfindungsgemäßen Verfahren bereits im Verkokungsprozess eine monolithische, endabmessungsnahe Struktur realisiert wird, zeichnet sich diese durch eine hohe mechanische Festigkeit aus. Weiterhin kann durch die gezielte Wärmebringung die räumliche Ausprägung der physikalisch-chemischen Kokseigenschaften gesteuert werden. Insbesondere lassen sich damit eine hohe elektrische Leitfähigkeit in Längsrichtung sowie ein geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient einstellen.Due to the fact that a monolithic structure close to the final dimensions is already realized in the coking process in the method according to the invention, this is characterized by high mechanical strength. Furthermore, the spatial characteristics of the physico-chemical coke properties can be controlled by the targeted application of heat. In particular, a high electrical conductivity in the longitudinal direction and a low thermal expansion coefficient can be set in this way.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- Figuren 1a - 1d
- eine erste Vorrichtung zur Herstellung eines Verkokungsprodukts zu vier zeitlich in gleichen Abständen beabstandeten Betriebszeitpunkten jeweils in einem Schnitt längs der Längsachse der Vorrichtung;
- Figuren 2a - 2d
- eine zweite Vorrichtung zur Herstellung eines Verkokungsprodukts zu vier zeitlich in gleichen Abständen beabstandeten Betriebszeitpunkten jeweils in einem Schnitt längs der Längsachse der Vorrichtung;
- Fig.3
- eine dritte Vorrichtung zur Herstellung eines Verkokungsprodukts in einem Schnitt längs der Längsachse der Vorrichtung;
- Fig. 4a
- eine vierte Vorrichtung zur Herstellung eines Verkokungsprodukts in einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren in einem Schnitt längs der Längsachse der Vorrichtung;
- Fig. 4b
- ein in der in
Fig. 4a dargestellten Vorrichtung erzeugtes Verkokungsprodukt in einem Längsschnitt.
- Figures 1a - 1d
- a first device for producing a coke product in four equally spaced in time spaced operating times each in a section along the longitudinal axis of the device;
- Figures 2a - 2d
- a second device for producing a coke product at four equally spaced operating times, each in a section along the longitudinal axis of the device;
- Fig.3
- a third device for producing a coke product in a section along the longitudinal axis of the device;
- Figure 4a
- a fourth device for producing a coke product in a method not according to the invention in a section along the longitudinal axis of the device;
- Figure 4b
- one in the in
Figure 4a device shown coke product generated in a longitudinal section.
Die in den
Die schlanke, zylindrische Form des Innenraums 3 ist so gewählt, dass das in der Vorrichtung 1 erzeugte Verkokungsprodukt VK am Ende des in der Vorrichtung 1 absolvierten Verkokungsprozesses eine ebenso schlanke zylindrische Form aufweist, die optimal angenähert ist an die Form, die das Verkokungsprodukt VK oder ein daraus erzeugtes Graphitprodukt aufweisen soll. Dabei können die Abmessungen des Verkokungsprodukts VK ein Bearbeitungsaufmaß umfassen, welches für eine abschließende Bearbeitung benötigt wird, um dem Verkokungsprodukt VK oder einem daraus erzeugten Graphitprodukt seine vorgeschriebene Maßhaltigkeit oder Oberflächenbeschaffenheit zu verleihen. So entspricht hier die durch den Innenraum 3 des Behälters 2 abgebildete Zylinderform in ihrer Gestalt und in ihren Abmessungen der Form, die Graphitelektroden aufweisen müssen, um in Lichtbogenöfen von Stahlwerken eingesetzt werden zu können. Genauso können durch die Form des Innenraums 3 andere Formen von Verkokungsprodukten, wie beispielsweise aus verkoktem Kohlenstoffträgermaterialien gebildete Blöcke oder desgleichen, abgebildet werden. Deren Form kann dann beispielsweise optimal an die Gegebenheiten in Anlagen zur Erzeugung von Aluminium angepasst sein, erforderlichenfalls ebenfalls jeweils einschließlich des benötigten Bearbeitungsaufmaßes.The slender, cylindrical shape of the
Die den Innenraum 3 umgrenzenden Innenflächen des Behälters 2 können als Trennschicht mindestens abschnittsweise mit einer dünnen, beispielsweise aus einem Aluminiumwerkstoff bestehenden Gleitschicht 5 belegt sein, die in Form eines vorgefertigten und in den Innenraum 3 eingesetzten Liners oder durch ein geeignetes Beschichtungsverfahren in an sich bekannter Weise direkt auf die betreffenden Abschnitte der Innenflächen aufgebracht ist.The inner surfaces of the
Die an der Oberseite des Behälters 2 vorhandene Öffnung ist durch einen abnehmbaren Deckel 6 verschlossen.The opening present at the top of the
Durch den Deckel 6 ist ein Füllrohr 7 zum Füllen des Innenraums 3 des Behälters 2 mit einem fließfähigen Kohlenstoffträgermaterial K geführt.A filling
Zusätzlich ist durch den Deckel 6 ein Absaugrohr 8 geleitet, das an eine hier nicht gezeigte Evakuierungseinrichtung angeschlossen ist, über die im Innenraum 3 ein Unterdruck zum Absaugen von im Innenraum 3 vorhandenen Gasen erzeugt werden kann.In addition, a
Mit seiner Unterseite steht der Behälter 2 auf einem Bodenelement 9, das den Behälter 2 an dessen Unterseite verschließt.The underside of the
Die Vorrichtung 1 umfasst des Weiteren eine elektrisch betriebene, regelbare Heizeinrichtung 10, die mit ihren Heizwendeln 11 ringförmig und mit Spiel um die Außenfläche 12 des Behälters 2 gelegt ist Die Höhe H10 der Heizeinrichtung 10 entspricht einem kleinen Bruchteil der Höhe H3 des Innenraums 3 des Behälters 2. Beispielsweise kann die Höhe H3 bis zu 15 m betragen, wogegen die Höhe H10 typischerweise nur 1 m beträgt.The
Die Heizeinrichtung 10 ist von einer Stelleinrichtung 13 getragen, die in an sich bekannter Weise dazu eingerichtet ist, die Heizeinrichtung 10 in vertikaler Richtung V längs des Behälters 2 zu bewegen. Hierzu kann die Stelleinrichtung 13 eine achsparallel zur Längsachse L ausgerichtete Linearführung 14 aufweisen, entlang der die Heizeinrichtung 10 mittels eines Linearantriebs 15 der Stelleinrichtung 13 verfahrbar ist.The
Die Vorrichtung 1 umfasst darüber hinaus eine Einrichtung 16, die dazu vorgesehen ist, das in den Innenraum 3 des Behälters 2 gefüllte flüssige Kohlenstoffträgermaterial K mit Vibrationen im Bereich von 0,5 Hz bis 50 kHz zu beaufschlagen. Um eine möglichst intensive Wirkung auf das jeweils noch flüssige, unverkokte Volumen des Kohlenstoffträgermaterials K zu erzielen, kann die Vibrationseinrichtung 16 ebenfalls von der Stelleinrichtung 13 getragen und während des Verkokungsprozesses mit der Heizeinrichtung 10 entlang des Behälters 2 bewegt werden. Dabei sitzt die Vibrationseinrichtung 16 vorzugsweise oberhalb der Heizeinrichtung 10, um eine möglichst optimale Wirkung der durch sie ausgelösten Bewegung des noch fließfähigen Kohlenstoffträgermaterials K zu bewirken.The
Zur Herstellung eines säulenartigen Verkokungsproduktes VK wird der Innenraum 3 des Behälters 2 über das Füllrohr 7 mit fließfähigem Kohlenstoffträgermaterial K befüllt, bis der Spiegel SK des in dem Innenraum 3 enthaltenen Kohlenstoffträgermaterials K sich etwa im Bereich des Übergangs zwischen dem trichterförmigen oberen Abschnitt 4 und dem darunter liegenden zylindrischen Teil des Innenraums 3 befindet.To produce a columnar coke product VK, the
Die Heizeinrichtung 10 ist während des Füllvorgangs in einer Ausgangsposition am unteren Ende des Behälters nahe dem Bodenelement 9 positioniert.The
Nachdem der Behälter 2 mit dem fließfähigen Kohlenstoffträgermaterial K gefüllt ist, wird die Heizeinrichtung 10 mit beispielsweise elektrischer Energie beaufschlagt, so dass das jeweils im Wirkbereich der von der Heizeinrichtung 10 erzeugten Heizzone liegende Teilvolumen des Kohlenstoffträgermaterials K schrittweise auf eine Verkokungstemperatur von 450 - 900 °C, insbesondere 650 - 850 °C, erwärmt wird. In Folge der Erwärmung setzen im so beheizten Teilvolumen Zersetzungsprozesse ein, durch die im noch fließfähigen Kohlenstoffträgermaterial K Gase freigesetzt werden, die in Form von Gasblasen G entgegen der Wirkrichtung SR der Schwerkraft in dem Kohlenstoffträgermaterial K aufsteigen. Der durch die Zersetzungsprozesse im Kohlenstoffträgermaterial K frei werdende Raum wird durch in Folge der Schwerkraftwirkung selbsttätig nachdrängendes fließfähiges Kohlenstoffträgermaterial K der im Innenraum 3 des Behälters 2 vorhandenen Kohlenstoffträgermaterial-Säule ersetzt. Dieser Vorgang setzt sich fort, bis das von der Heizeinrichtung 10 in der von ihr erzeugten Heizzone jeweils erwärmte Teilvolumen im technischen Sinne vollständig verkokt und eine feste Form angenommen hat. Da sämtliche durch die Gasbildung frei gewordene Hohlräume jeweils unmittelbar durch nachdrängendes fließfähiges Kohlenstoffträgermaterial K gefüllt worden sind, beträgt die Dichte des so verkokten Teilvolumens des Kohlenstoffträgermaterials K mindestens 1,4 g/cm3.After the
Das Herauslösen der Gasblasen G aus dem Kohlenstoffträgermaterial K wird zum einen mechanisch unterstützt durch die Vibrationen, die über die Einrichtung 16 in das Kohlenstoffträgermaterial K induziert werden. Zum anderen wird der Abzug der Gasblasen G aus dem Kohlenstoffträgermaterial K dadurch gefördert, dass über das Absaugrohr 8 im Innenraum 3 des Behälters 2 ein Unterdruck aufrechterhalten wird, der bis zum Vakuum reichen kann.The detachment of the gas bubbles G from the carbon carrier material K is mechanically assisted on the one hand by the vibrations that are induced in the carbon carrier material K via the
Da die Verkokung durch symmetrische Erwärmung von den Seiten des Innenraums her ausgeht, läuft die Verkokung von außen nach innen ab. Bei der Verkokung der äußeren Schicht ist sowohl im Kernbereich, als auch in der darüber befindlichen Lage flüssiges, zunächst niederviskoses Kohlenstoffträgermaterial K vorhanden, über welches die Gasblasen G entweichen können und so mögliche Poren geschlossen werden. Dies ermöglicht eine hohe Dichte des erhaltenen Verkokungsprodukts. Bei der Verkokung des Kernbereichs kann Kohlenstoffträgermaterial K aus in der darüber befindlichen Lage nachfließen. Auch hier werden so die Poren geschlossen.Since the carbonization starts from the sides of the inner space due to symmetric heating, the carbonization proceeds from the outside to the inside. During coking of the outer layer, liquid, initially low-viscosity carbon carrier material K is present both in the core area and in the layer above it, through which the gas bubbles G can escape and possible pores are thus closed. This allows for a high density of the coke product obtained. During coking of the core area, carbon carrier material K can flow from the layer above. Here, too, the pores are closed.
Sollten dennoch kleinere Gasbläschen im Kernbereich KB des Verkokungsprodukts VK gefangen sein, so hat dies nur eine geringe Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften, da die neutrale Achse der jeweils säulenförmigen Verkokungsprodukte VK entlang des betreffenden Kernbereichs verläuft und dieser Bereich somit im Einsatz nicht mit erhöhten Zug- oder Druckspannungen belastet ist.Should small gas bubbles nevertheless be trapped in the core area KB of the coke product VK, this has only a minor effect on the mechanical properties, since the neutral axis of the respective columnar coke product VK runs along the relevant core area and this area is therefore not exposed to increased tensile forces during use. or compressive stresses.
Nachdem das an das Bodenelement 9 angrenzende Teilvolumen des Kohlenstoffträgermaterials K verkokt ist, werden die nach wie vor im Heizbetrieb gehaltene Heizeinrichtung 10 und mit ihr die ebenfalls weiterhin aktive Vibrations-Einrichtung 16 mittels der Stelleinrichtung 13 entgegen der Wirkrichtung SR der Schwerkraft mittels des Linearantriebs 15 in einer kontinuierlichen Bewegung entlang der Linearführung 14 in Richtung des oberen Endes des Behälters 2 verschoben.After the partial volume of the carbon carrier material K adjoining the
Die Geschwindigkeit der Aufwärtsbewegung der Heizeinrichtung 10 und der mit ihr verkoppelten Vibrations-Einrichtung 16 ist dabei so bemessen, dass das jeweils im Wirkbereich der von der Heizeinrichtung 10 erzeugten Heizzone sich befindende Teilvolumen des Kohlenstoffträgermaterials K schrittweise erwärmt und anschließend über eine Verkokungsdauer auf der jeweiligen Verkokungstemperatur gehalten wird, die für eine im technischen Sinne vollständige Verkokung und damit einhergehende vollständige Verfestigung ausreicht. In der Praxis sind hierfür Fördergeschwindigkeiten der Heizeinrichtung 10 typischerweise im Bereich von 0,025 - 1,5 m/h, insbesondere 0,05 - 0,5 m/h, vorgesehen.The speed of the upward movement of the
Die Bewegung der Heizeinrichtung 10 wird fortgesetzt, bis auch der obere, an den Spiegel SK des Kohlenstoffträgermaterials K angrenzende Abschnitt des Kohlenstoffträgermaterials K verkokt ist. Der Spiegel SK des Kohlenstoffträgermaterials K ist dabei aufgrund des aus dem Kohlenstoffträgermaterials K entwichenen Gases und des damit einhergehenden Volumenverlustes gegenüber dem Zustand bei Neubefüllung des Innenraums 3 des Behälters 2 abgesunken.The movement of the
Nachdem auch der obere, an den Spiegel SK angrenzende Bereich BP des Kohlenstoffträgermaterials K verkokt ist und eine feste Form angenommen hat, wird der Behälter 2 geöffnet und das in dessen Innenraum 3 gebildete Verkokungsprodukt VK aus dem Innenraum 3 entnommen. Die auf den Innenraum 3 begrenzenden Innenflächen des Behälters 2 vorhandene Liner- oder Gleitschicht 5 erleichtert dabei das Entnehmen des Verkokungsprodukts VK.After the upper area BP of the carbon carrier material K adjoining the mirror SK has also coked and assumed a solid form, the
Stellt sich heraus, dass im oberen Bereich BP des Verkokungsprodukts VK die geforderte Dichte von mindestens 1,4 g/cm3 nicht erreicht worden ist, weil dort während der Verkokung nicht mehr ausreichend fließfähiges Kohlenstoffträgermaterial K zur Verfügung stand, um die von den sich bildenden Gasblasen G zurückgelassenen Hohlräume zu füllen, wird der betreffende Bereich BP abgetrennt. Er kann einer Wiederverwendung zugeführt werden, indem er zu feinen Partikeln zermahlen wird, die als feste Kohlenstoffkomponenten dem Kohlenstoffträgermaterial K zugegeben werden können, die für die Herstellung weiterer Verkokungsprodukte VK in der Vorrichtung 1 bereitgestellt werden.If it turns out that the required density of at least 1.4 g/cm 3 was not achieved in the upper area BP of the carbonization product VK because there was no longer sufficient free-flowing carbon carrier material K available during the carbonization to Gas bubbles G to fill cavities left behind, the relevant area BP is separated. It can be reused by grinding it into fine particles, which are added to the carbon support material K as solid carbon components can be provided for the production of further carbonization products VK in the
Das so erhaltene Verkokungsprodukt VK wird zur Herstellung einer Graphitelektrode, wie sie in einem Elektrostahlwerk benötigt wird, einem üblichen Graphitierungsprozess unterzogen, um ihm eine graphitische Struktur zu verleihen. Aufgrund der mit der Vorrichtung 1 in der voranstehend beschriebenen Weise nach dem ersten Verkoken bereits erhaltenen monolithischen, endabmessungsnahen Geometrie, sind die beim konventionellen Verfahren üblichen Mahl-, Misch- und Formgebungsprozesse ebenso hinfällig wie der zugehörige Erstbrand. Je nach erreichter Dichte des Produktes kann auch der Imprägnierschritt entfallen. Stellt sich heraus, dass die Dichte des erhaltenen Verkokungsprodukts VK nicht ausreicht, kann vor der Weiterverarbeitung des Verkokungsprodukts VK zu dem Graphitprodukt, d.h. zu der Graphitelektrode, auch in konventioneller Weise eine Imprägnierung zur Erhöhung der Dichte durchgeführt werden.The carbonization product VK obtained in this way is subjected to a customary graphitization process to produce a graphite electrode, as is required in an electric steelworks, in order to give it a graphitic structure. Due to the monolithic, near-net shape geometry already obtained with the
Die in den
Zur Herstellung eines säulenartigen Verkokungsproduktes VK wird bei der Vorrichtung 101 der Innenraum 3 des Behälters 2 über das Füllrohr 107 mit einem Teilvolumen von fließfähigem Kohlenstoffträgermaterial K befüllt, bis der Spiegel SK des in dem Innenraum 3 enthaltenen Kohlenstoffträgermaterials K oberhalb der Höhe H10 endet, über die sich die von der Heizeinrichtung 10 in ihrer Ausgangsposition erzeugte Heizzone erstreckt (
Anschließend wird dieses den unteren Abschnitt des herzustellenden Verkokungsprodukts VK bildende Teilvolumen des Kohlenstoffträgermaterials K in der für die Vorrichtung 1 schrittweise und gesteuert auf Verkokungstemperatur gebracht.This partial volume of the carbon carrier material K, which forms the lower section of the coking product VK to be produced, is then brought to the coking temperature in a stepwise and controlled manner for the
Mit dem Einsetzen der Verkokung wird über das um einen entsprechenden Höhenbetrag angehobene Füllrohr 107 quasi-kontinuierlich weiteres fließfähiges, erforderlichenfalls zur Verflüssigung vorgewärmtes Kohlenstoffträgermaterial K zugeführt und die Heizeinrichtung 10 mit der mit ihr verkoppelten Vibrations-Einrichtung 16 mittels der Stelleinrichtung 13 in der für die Vorrichtung 1 bereits beschriebenen Weise entlang des Behälters 2 bewegt. Die Bewegung des über eine hier nicht gezeigte Stelleinrichtung höhenverstellbaren Füllrohrs 107 und der Heizeinrichtung 10 sind dabei so miteinander koordiniert, dass der vertikale Abstand zwischen der Heizeinrichtung 10 und dem freien, in das Kohlenstoffträgermaterial K ragenden Ende des Füllrohrs 107 konstant bleibt. Dabei bleibt das freie Ende des Füllrohrs 107 stets nahe des Spiegels SK des in den Behälter gefüllten Kohlenstoffträgermaterials K, bis der maximale Füllpegel im Behälter 2 erreicht ist.With the onset of coking, further flowable carbon carrier material K, which has been preheated for liquefaction if necessary, is fed in quasi-continuously via the filling
Die Höhe des Spiegels SK des Kohlenstoffträgermaterials K wird dabei so gehalten, dass oberhalb des in der Verkokung befindlichen Teilvolumens des Kohlenstoffträgermaterials K stets eine ausreichende Menge an fließfähigem Kohlenstoffträgermaterial K zur Verfügung steht, um die Hohlräume zu füllen, die von den Gasblasen G hinterlassen werden, die aus dem auf die Verkokungstemperatur erwärmten und bei der Verkokungstemperatur gehaltenen Teilvolumen des Kohlenstoffträgermaterials K austreten. Der Weg, den die Gasblasen G dabei durch das flüssige Kohlenstoffträgermaterial K zurücklegen müssen, ist kürzer als bei der Vorrichtung 1, so dass eine noch weiter optimierte Dichte des Verkokungsprodukts VK erzielt werden kann.The height of the level SK of the carbon carrier material K is maintained in such a way that there is always a sufficient quantity of free-flowing carbon carrier material K available above the partial volume of the carbon carrier material K in the coking process in order to fill the cavities left behind by the gas bubbles G. which exit from the partial volume of the carbon support material K which has been heated to the coking temperature and is kept at the coking temperature. The way, The distance that the gas bubbles G have to cover through the liquid carbon carrier material K is shorter than in the
In
Die Vorrichtung 201 weist dazu einen Behälter 202 auf, der einen Innenraum 3 umgrenzt, der sich, wie die Innenräume 3 der Vorrichtungen 1,101, in einem oberen Bereich trichterförmig erweitert und von einem Deckel 206 abgeschlossen ist. Durch den Deckel 206 sind hier, wie bei den Deckeln 6 der Vorrichtungen 1,101, ein Absaugrohr 208 und ein nach Art des Füllrohrs 7 der Vorrichtung 1 angeordnetes Füllrohr 207 geführt.For this purpose, the
Der unter dem trichterförmigen oberen Bereich angeordnete zylindrische Bereich 217 des Innenraums 203 ist nach Art einer Kokille nach unten offen ausgebildet und wesentlich kürzer als bei den Vorrichtungen 1, 101. Der den Bereich 217 umgrenzende Abschnitt des Behälters 202 sitzt dabei in der ringförmigen Heizeinrichtung 210, die sich über einen wesentlichen Teil der Höhe des Bereichs 217 erstreckt, Dabei sind die Heizwendel 211 der Heizeinrichtung 210 segmentweise regelbar, um ein optimales Temperaturprofil in dem jeweils im Wirkbereich der von der Heizeinrichtung 10 erzeugten Heizzone befindlichen Teilvolumens des Kohlenstoffträgermaterials K zu ermöglichen.The
Zum Herstellen eines Verkokungsproduktes VK wird die untere Austrittsöffnung des kokillenartigen Bereichs 217 des Innenraums 203 zunächst mit einem Stopfen verschlossen und über das Füllrohr 207 ein erstes Teilvolumen an Kohlenstoffträgermaterial K in den Innenraum 203 des Behälters 202 gefüllt.To produce a coking product VK, the lower outlet opening of the mold-
Mittels der stationären Heizeinrichtung 210 wird das im Wirkbereich der von der Heizeinrichtung 210 erzeugten Heizzone befindliche Kohlenstoffträgermaterial K schrittweise gesteuert, auf die Verkokungstemperatur erwärmt und dort so lange gehalten, bis es im technischen Sinne vollständig verkokt ist und eine feste Form angenommen hat.The carbon carrier material K located in the active area of the heating zone generated by the
Im Verlauf des Verkokungsprozesses wird das so verkokte Kohlenstoffträgermaterial K als Strang mittels des Stopfens über dessen untere Öffnung kontinuierlich aus dem kokillenartigen Bereich 217 des Innenraums 203 des Behälters 202 gezogen. Gleichzeitig wird ebenso kontinuierlich neues, ggf. vorgewärmtes Kohlenstoffträgermaterial K über das Füllrohr 207 in den Behälter 202 gefüllt. Der untere Öffnungsbereich 218 des Bereichs 217 kann sich dabei in Schwerkraftrichtung SR trichterförmig erweitern, um das Ausziehen des strangförmigen Verkokungsprodukts VK zu erleichtern. Die Auszugskräfte sind dabei so bemessen, dass das Verkokungsprodukt trotz des im Behälter 202 über dem in ihn eingefüllten Kohlenstoffträgermaterials anstehenden Unterdrucks/Vakuums kontinuierlich aus dem Behälter 202 abgezogen wird.In the course of the coking process, the carbon carrier material K coked in this way is continuously pulled out of the mold-
Der Prozess des Abziehens und des Nachfüllens erfolgt dabei synchron zueinander so langsam, dass die Verweildauer, über die das die Heizeinrichtung 210 passierende Kohlenstoffträgermaterial K bei der Verkokungstemperatur gehalten wird, der Verkokungsdauer entspricht, die für seine im technischen Sinne vollständige Verkokung erforderlich ist.The process of drawing off and refilling takes place synchronously with one another so slowly that the dwell time for which the carbon carrier material K passing the
Wie bei der Vorrichtung 101 wird dabei die Höhe des Spiegels SK des fließfähigen Kohlenstoffträgermaterials K über dem schon in Folge der Verkokung verfestigten Kohlenstoffträgermaterial K so eingestellt, dass einerseits die Gasblasen G, die aus dem sich in der Verkokung befindenden Kohlenstoffträgermaterial K austreten, nur einen kurzen Weg durch das fließfähige Kohlenstoffträgermaterial K zurücklegen müssen, bis sie nach Austritt aus dem Kohlenstoffträgermaterial K über das Absaugrohr 208 abgesaugt werden, andererseits aber auch eine stets ausreichende Menge an flüssigem Kohlenstoffträgermaterial K zur Verfügung steht, um durch in das sich verfestigende Kohlenstoffträgermaterial K nachdrängende flüssige Kohlenstoffträgermaterial K die von den Gasblasen G zurückgelassenen Poren zu füllen. Auch mit einer Vorrichtung der in
Das Ausgasen der Gasblasen G kann durch eine Vibrations-Einrichtung 216 unterstützt werden, die, wie bei den Vorrichtungen 1,101, oberhalb der Heizeinrichtung 210 angeordnet ist, jedoch hier, entsprechend der festen Anordnung der Heizeinrichtung 210, stationär montiert ist. Wie schon erwähnt, kann dabei auch der nach Art einer Kokille funktionierende Behälter 202 im Bereich oberhalb des in ihn eingefüllten Kohlenstoffträgermaterials K mit einem Unterdruck/Vakuum beaufschlagt werden, um das Ausgasen der sich im Verkokungsprozess bildenden Gase G aus dem Kohlenstoffträgermaterial K im Behälter 202 zu unterstützen.The outgassing of the gas bubbles G can be assisted by a
Das als Strang kontinuierlich aus der Vorrichtung 201 abgezogene Verkokungsprodukt VK durchläuft nach Austritt aus dem Behälter 202 eine Kühlstrecke 219, in der es beschleunigt auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Anschließend werden in einer Ablängeinrichtung 220 von dem Strang Verkokungsprodukte VK mit der jeweils gewünschten Länge in an sich bekannter Weise abgeteilt.After exiting the
Wie beim Strangguss von Metallschmelzen können an einen hier nicht gezeigten zentralen Verteiler, der die kokillenartigen Behälterbereiche 217 mit Kohlenstoffträgermaterial K speist, zwei oder mehr solcher kokillenartigen Behälterbereiche 217 mit jeweils einer daran angeordneten Heizeinrichtung 210 und einer ebenso daran montierten Vibrations-Einrichtung 216 vorgesehen sein, um eine maximale Produktivität zu erzielen.As in the case of continuous casting of molten metal, a central distributor, not shown here, which includes the chill-
Zur Herstellung eines blockförmigen Verkokungsproduktes VK (
Ist der Verkokungsprozess so weit vorgeschritten, dass auch der Kernbereich KB verkokt, so kann es dazu kommen, dass im inneren Kernbereich KB kleinere Gasblasen G gefangen werden. Die in Folge dessen dort vorhandene Porosität ist jedoch unschädlich, da Verkokungsprodukte der in der Vorrichtung 301 hergestellten Art üblicherweise für Anwendungen eingesetzt werden, bei denen insbesondere im Bereich der äußeren Randabschnitte des Verkokungsproduktes VK höchste Anforderungen an die Leitfähigkeit und Stabilität gestellt werden, während die Qualität des Kernbereichs KB nur eine untergeordnete Rolle spielt. Derartige Anforderungsprofile ergeben sich beispielsweise in Anlagen für die Erzeugung von Aluminium, wenn dort Verkokungsprodukte VK der erfindungsgemäß erzeugten Art als Anoden oder Kathoden, insbesondere als Anoden, eingesetzt werden sollen.If the coking process has progressed so far that the core area KB is also coked up, it can happen that smaller gas bubbles G are trapped in the inner core area KB. However, the resulting porosity there is harmless, since coking products of the type produced in the
Das in den Vorrichtungen 1, 101,201, 301 zur Herstellung des jeweiligen Verkokungsproduktes VK eingesetzte fließfähige Kohlenstoffträgermaterial K besteht jeweils aus bei der Destillierung von Erdölprodukten und der Verwertung von Kohle anfallenden Produkten, wie beispielsweise Teere und deren Derivate, Pech, fließfähiges Bitumen, Harze sowie Produkte aus der Verarbeitung von Biomasse, wie Zelluloseprodukte, Zucker und Stärke oder anderen Produkten, die verkokbar sind. Dieses Kohlenstoffträgermaterial K ist optional mit körnigem Koks oder Graphit mit einer Korngröße von maximal 10 mm sowie gegebenenfalls einem oder mehreren Additiven, wie Eisenoxid zur Verminderung des Puffing-Effektes, einer Bor-Quelle, wie Borkarbid, zur Verminderung des Wärmeausdehnungskoeffizienten oder zur Verbesserung der erzeugten Kristallstruktur, oder Kohlenstoff- oder Graphitfasern, die zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und ebenfalls zur Reduzierung des Wärmeausdehnungskoeffizienten beitragen, vermischt. Dabei ist das jeweils eingesetzte Kohlenstoffträgermaterial K bei Prozesstemperatur derart flüssig beschaffen, dass es unter Wirkung der Schwerkraft in den vom Behälter 2, 102, 202, 302 jeweils umgrenzten Innenraum 3, 103, 203, 303 fließt.The flowable carbon carrier material K used in the
-
Figuren 1 ,2 - 1
- Vorrichtung
- 2
- Behälter der Vorrichtung 1
- 3
- Innenraum des Behälters 2
- 4
- oberer Abschnitt des Innenraums 3
- 5
- Gleitschicht
- 6
- Deckel des Behälters 2
- 7
- Füllrohr (Einfüllöffnung)
- 8
- Absaugrohr
- 9
- Bodenelement
- 10
- Heizeinrichtung
- 11
- Heizwendel der Heizeinrichtung 10
- 12
- Außenfläche des Behälters 2
- 13
- Stelleinrichtung
- 14
- Linearführung der Stelleinrichtung 13
- 15
- Linearantrieb Stelleinrichtung 13
- 16
- Vibrations-Einrichtung
- 101
- Vorrichtung zur Herstellung eines Verkokungsproduktes
- 107
- Füllrohr
- BP
- an den Spiegel SK angrenzender Bereich des Kohlenstoffträgermaterials K
- H10
- Höhe der Heizeinrichtung 10
- H3
- Höhe des Innenraums 3
figures 1 ,2 - 1
- contraption
- 2
-
Device 1 container - 3
- Interior of the
container 2 - 4
- upper section of
interior 3 - 5
- sliding layer
- 6
- Lid of the
container 2 - 7
- filling pipe (filling opening)
- 8th
- suction pipe
- 9
- floor element
- 10
- heating device
- 11
- Heating coil of the
heating device 10 - 12
- Outer surface of the
container 2 - 13
- adjusting device
- 14
- Linear guide of the adjusting
device 13 - 15
-
Linear drive actuator 13 - 16
- vibration device
- 101
- Device for the production of a coke product
- 107
- filling tube
- bp
- Area of the carbon carrier material K adjoining the mirror SK
- H10
- Height of
heater 10 - H3
-
Interior height 3
-
Figur 3figure 3 - 201201
- Vorrichtung zur Herstellung eines VerkokungsproduktsApparatus for making a coke product
- 202202
- nach Art einer Kokille ausgebildeter Behältercontainer designed in the manner of a mould
- 203203
-
Innenraum des nach Art einer Kokille ausgebildeten Behälters 202Interior of the
container 202 designed in the manner of a permanent mold - 206206
- Deckellid
- 207207
- Füllrohr (Einfüllöffnung)filling pipe (filling opening)
- 208208
- Absaugrohrsuction pipe
- 210210
- Heizeinrichtungheating device
- 211211
-
Heizwendel der Heizeinrichtung 210Heating coil of the
heating device 210 - 216216
- Vibrations-Einrichtungvibration device
- 217217
-
unterer nach unten offener zylindrischer Bereich des Innenraums 203 des Behälters 202Lower cylindrical area of the
interior 203 of thecontainer 202, which is open at the bottom - 218218
-
unterer trichterförmig erweiterter Öffnungsbereich des Bereichs 217lower funnel-shaped expanded opening area of
area 217 - 219219
- Kühlstreckecooling line
- 220220
- Ablängeinrichtungcutting device
-
Figuren 4a,4bFigures 4a, 4b - 301301
- Vorrichtung zur Herstellung eines Verkokungsproduktes VKDevice for producing a coke product VK
- 302302
- Behältercontainer
- 303303
-
Innenraum des Behälters 302Interior of the
container 302 - 306306
- Deckellid
- 308308
- Absaugrohrsuction pipe
- 310310
- Heizeinrichtungheating device
- 311311
-
Heizwendel der Heizeinrichtung 310Heating coil of the
heating device 310 - KBKB
- Kernbereich des Kohlenstoffträgermaterials KCore area of the carbon support material K
-
Allgemein
- G
- Gasblasen
- K
- fließfähiges Kohlenstoffträgermaterial
- L
- Längsachse der Vorrichtung 1
- SR
- Wirkrichtung der Schwerkraft
- SK
- Spiegel des im Innenraum 3 des Behälters 2, 202, 302 jeweils enthaltenen Kohlenstoffträgermaterials K
- V
- vertikale Richtung
- VK
- Verkokungsprodukt
- G
- gas bubbles
- K
- flowable carbon support material
- L
- Longitudinal axis of the
device 1 - SR
- direction of gravity
- SK
- Level of the carbon carrier material K contained in the
interior 3 of the 2, 202, 302container - V
- vertical direction
- VK
- carbonization product
Claims (10)
- Method for producing a coking product (VK) formed by solidification of a carbon carrier material and intended for use in the production of metals, metal alloys and metallurgical products or as an intermediate product for the production of graphite elements, and having a near-net-shape, monolithic geometry and a density of at least 1.4 g/cm3, the method comprising the following work steps:a) providing a container (2, 202) which- delimits an interior (3) and comprises- a filling opening for pouring a flowable carbon carrier material (K) into the interior (3) and- a heating device (10, 210) for heating the carbon carrier material (K) poured into the interior (3) of the container (2, 202);b) introducing the flowable or pourable carbon carrier material (K) via the filling opening into the interior (3) of the container (2, 202), wherein the carbon carrier material (K) has at least one liquid or meltable, carbonizable carbon component and optionally at least one solid carbonizable carbon component and also optionally at least one additive, which serves to adjust the properties of the carbon carrier material (K);c) heating the carbon carrier material (K) poured into the interior (3) of the container (2, 202) to a coking temperature by means of the heating device (10, 210), wherein the carbon carrier material (K) heated to the particular coking temperature is held at the coking temperature until the carbon carrier material (K) held at the coking temperature is solidified by coking to form the coking product (VK),- wherein during work step c) a relative movement takes place between the heated carbon carrier material (K) and the heating device (10, 210) along the longitudinal axis of the container (2, 202),- by the heat emitted by the heating device (10, 210) covering only a partial volume of the carbon carrier material (K) poured into the interior (3), which partial volume extends over a specific portion of the height of the interior (3) of the container (2, 202), and- either the carbon carrier material (K) poured into the interior (3) of the container (2, 202) is at a standstill while the heating zone (10, 210) is moved from the base, arranged at the bottom in the direction of gravity, counter to the direction of gravity in the direction of the upper end of the container (2, 202), or- the heating device is stationary and the carbon carrier material (K) poured into the container (2, 202) is moved relative to the heating device (10, 210) either by moving the container with the carbon carrier material poured therein along the fixed heating device or by a discharge opening being provided in the base of the container (202), via which discharge opening the coking product (VK) is continuously removed from the container (2, 202) as a strand formed from the solidified carbon carrier material (K) (work step e)); andd) wherein gas escaping from the carbon carrier material (K) during the heating and holding (work step c)) is discharged from the container (2, 202);e) removing the coking product (VK) from the container (2, 202).
- Method according to claim 1, characterized in that the liquid or meltable carbon component of the carbon carrier material (K) consists of at least one component from the following group: "residues from the distillation of petroleum, products resulting from the processing of coal, tars and the derivatives thereof, pitch, flowable bitumen, resins and products from the processing of biomass, cellulose products, sugar and starch."
- Method according to either of the preceding claims, characterized in that the carbon carrier material (K) contains a solid carbon component consisting of at least one component from the following group: "granular coke, coal, bitumen in solid form, lignites, anthracite coal, graphite, products from the recycling of carbon fibers."
- Method according to any of the preceding claims, characterized in that the carbon carrier material (K) contains an additive from the following group: "iron oxide, titanium oxide, boron and boron compounds."
- Method according to any of the preceding claims, characterized in that the heating of the carbon carrier material (K) (work step c)) begins only after the filling of the carbon carrier material (K) (work step b)) has been completed.
- Method according to any of claims 1-4, characterized in that the heating of the carbon carrier material (K) (work step c)) begins while the carbon carrier material (K) (work step b)) is being poured into the interior (3).
- Method according to any of the preceding claims, characterized in that the coking temperature in work step c) is 450-900°C.
- Method according to any of the preceding claims, characterized in that the coking time in work step c) is up to 96 hours.
- Method according to any of the preceding claims, characterized in that the atmosphere in the interior (3) of the container (2, 202, 302) is evacuated in order to forcibly discharge (work step d)) the gas escaping out of the container (2, 202) from the carbon carrier material (K) heated to the coking temperature.
- Method according to any of the preceding claims, characterized in that the carbon carrier material (K) inside the container (2, 202) is set in motion at least occasionally.
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