JP3751020B2

JP3751020B2 - 黒鉛電極用ニードルコークス及びその製造方法

Info

Publication number: JP3751020B2
Application number: JP52624295A
Authority: JP
Inventors: 陽一川野; 勉瀬藤; 高徳西畠
Original assignee: Nippon Steel Chemical Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Priority date: 1994-04-07
Filing date: 1995-04-07
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2021-03-01
Also published as: EP0754746A1; US5900189A; CN1145089A; EP0754746B1; WO1995027766A1; CN1076044C; EP0754746A4

Description

〔技術分野〕
本発明は、電極製造時のパフィングの小さいニードルコークス及びその製造方法に関する。
〔背景技術〕
人造黒鉛電極は石炭系コークスまたは石油系コークスを粉砕し一定の粒度分布に調整したのち,バインダーピッチと捏合し、押し出し成型、焼成、含浸、２次焼成、黒鉛化して製造される。黒鉛化工程は約３０００℃で焼成電極を黒鉛質にする工程であり、従来アチソン炉が主流であったが、最近は省エネルギーと工程日数の短縮のためにＬＷＧ炉（直接通電タイプ）が主流となってきた。このＬＷＧ炉で黒鉛化すると昇温速度が早くなるため、ガスの発生速度が速くなりパフィングといわれる異常膨張現象が起きやすくなる。パフィングは電極を低密度にするほか現象が著しい場合には電極を破損させることもある。このためパフィングを小さくするためのニードルコークスの製造法や電極製造時に添加するパフィングインヒビターの検討がされてきた。
パフィング現象は黒鉛構造が生成しはじめる１７００〜２０００℃の温度で硫黄が揮発するために起こるとされることから、パフィングインヒビターとしては硫黄と反応して硫化物となり硫黄の揮発のタイミングをずらすような酸化鉄が常用されている（特開昭５５−１１０１９０）。また近年ニッケル類（特開昭６０−１９０４９１）、酸化チタン（特開平２−５１４０９）等のほか種々の化合物が提案されている。
また、パフィングインヒビターに依らない低パフィングニードルコークスの製造法として、パフィングの原因物質である原料ピッチ中の窒素分又は硫黄分を除去するため、キノリン不溶分を取り除いたピッチを水素化触媒の存在下水素化精製した後コークス化する方法が提案されている（特公昭５９−１２２５８５）。
一方、通常のか焼温度より低い温度、例えば８００℃前後で生コークスの第１段目か焼を行った後、これを一旦冷却し、再び１２００〜１５００℃の温度範囲で第２段目のか焼を行う方法も提案されている（特公昭５３−３５８０１号）。
これらの技術のうち、パフィングインヒビターに依るものについては、いずれもコークスとバインダーピッチの混練工程中にパフィングインヒビターを添加して使用するものであるが、原料として用いるコークスの種類によって効果が異なり、例えば酸化鉄は石油系コークスには優れた効果を示すが、石炭系コークスでは僅かな効果しか示さない欠点もある。一方、パフィングインヒビターに依らない方法においては、その経済性に難があり実用化に到っていない、あるいはまた必ずしも十分なパフィング低減効果が得られない等の問題を残している。
本発明者等は上記のような課題を解決するため鋭意研究したところ、黒鉛電極原料用ニードルコークス製造時に２００℃以上に加熱処理した後の軟化点もしくは融点が１８００℃を超えない物質、特に硼素化合物等をコークスに付着することにより電極製造時のパフィングが低減することを見出し、本発明を完成した。
本発明の目的は、石炭系、石油系等の電極原料コークスの種類にかかわらず、黒鉛電極製造時のパフィングを減少でき、黒鉛化工程での歩留りの向上、製品特性の向上が図れる黒鉛電極用ニードルコークスを提供することにある。
［発明の開示］
本発明の黒鉛電極用ニードルコークスは、
１．コークス１００重量部に対し、硼素化合物、燐化合物、珪素化合物、パイレックスガラスよりなる群より選んだ少なくとも一種であって２００℃以上に加熱処理した後の、軟化点もしくは融点又は残渣を残さず熱分解する温度が１８００℃を超えない物質を０．０３〜１６重量部付着させてなる黒鉛電極用ニードルコークス。
２．石油系又は石炭系重質油のうちの少なくとも１つをコークス原料とし、ディレードコーキング法によって製造した生コークスに、硼素化合物、燐化合物、珪素化合物、パイレックスガラスよりなる群より選んだ少なくとも一種の懸濁液又は溶液を噴霧又は含浸した後、か焼することを特徴とする前項１に記載の黒鉛電極用ニードルコークスの製造方法。
３．石油系又は石炭系重質油のうちの少なくとも１つをコークス原料とし、ディレードコーキング法によって製造した生コークスを多段階でか焼、冷却を繰り返す方法において、最終段か焼の前段までのか焼コークスに、硼素化合物、燐化合物、珪素化合物、パイレックスガラスよりなる群より選んだ少なくとも一種の懸濁液又は溶液を噴霧又は含浸した後、か焼することを特徴とする前項１に記載の黒鉛電極用ニードルコークスの製造方法。
４．石油系又は石炭系重質油のうちの少なくとも１つをコークス原料とし、ディレードコーキング法によって製造した生コークスをか焼後冷却する際に又は冷却後に、硼素化合物、燐化合物、珪素化合物、パイレックスガラスよりなる群より選んだ少なくとも一種の懸濁液又は溶液を噴霧又は含浸し、引き続き２００℃以上の温度で加熱処理することを特徴とする前項１に記載の黒鉛電極用ニードルコークスの製造方法。
以下、本発明を詳細に説明する。本発明で使用するコークスとしては、石油系又は石炭系重質油のいずれかひとつ又は双方を原料とし、ディレードコーキング法によって製造された揮発分が約１５％以下の一般的な生ニードルコークス、又、多段階でか焼、冷却を繰り返す場合には、最終段か焼の前段までのか焼コークス、又はか焼を完了したニードルコークスのいずれも用いることが出来る。
本発明で使用するパフィング低減を目的とするコークス付着物質としては、２００℃以上に加熱処理した後の軟化点もしくは融点又は残渣を残さず熱分解する温度が１８００℃を超えない物質を使用する。ここで軟化点とは、物質の粘度が１０^7.6ポアズ以下になる温度を示す。この物質として熱分解時炭素を残さない天然ゴム、ポリアミド樹脂、ＰＴＦＥ等の合成又は天然の高分子物質でもよいが、水に溶解したり、水に容易に分散することができたり等の細孔中への含浸の容易性の点から硼素化合物、燐化合物、珪素化合物、パイレックスガラスよりなる群から選んだ少なくとも一種を用いることが好ましく、特に硼酸、燐酸、珪酸及びそのアルカリ金属塩が好ましい。
これらの物質は生ニードルコークス、又，多段階でか焼、冷却を繰り返す場合には、最終段か焼の前段までのか焼コークス、又はか焼を完了したニードルコークスのいずれに付着させても良い。コークス類に付着させる手段としては、懸濁液を噴霧又は含浸することによりコークス表面又はコークス内部細孔表面に付着させる方法を用いる。水又は油に溶解するものを用いる場合は、適用な溶媒の溶液として噴霧又は含浸する方法も用いることができる。噴霧又は含浸する方法としては、スプレー等で均一に噴霧するだけでもよく、又減圧装置でコークスへ含浸させる等の方法を用いても良い。懸濁液として使用する場合においてはこれらの物質の粒径はコークスの内部まで浸入しうる程度に小さいほうが良く、通常１００μm以下好ましくは５０μm以下のものを用いる。
コークス類に対するこれらの物質の付着量は、コークス１００重量部に対して、０．０３〜１６重量部であり、硼素化合物、燐化合物、珪素化合物、パイレックスガラスよりなる群より選んだ少なくとも一種の場合は、０．０５〜５重量部、より好ましくは０．１〜２重量部とするのが良い。これらの範囲を外れて付着量が不足する場合はパフィング低減効果が実用上十分では無く、一方付着量が過剰な場合は増量効果が顕著でなくなるとともに、その用途によっては残存する灰分が製品電極品質上好ましくない影響を与える。
これらの物質の懸濁液又は溶液を生ニードルコークスに噴霧または含浸した後は引き続きそのままか焼して黒鉛電極原料コークスとして用いることができる。その際、か焼方法は、通常通り１段で、例えば１２００℃〜１６００℃でか焼しても良いし、通常のか焼温度より低い温度、例えば８００℃前後で生ニードルコークスを第１段目のか焼を行った後、これを一旦冷却し、再び１２００〜１６００℃の温度範囲で第２段目のか焼を行なう等の多段か焼を行っても良い。また、これらの物質の懸濁液又は溶液を噴霧又は含浸していない生ニードルコークスを、多段階でか焼冷却を繰り返す方法において、最終段か焼の前段までの中間か焼ニードルコークスに、これらの物質の懸濁液又は溶液を噴霧又は含浸しても良い。さらにまた、か焼後ニードルコークスを冷却する際または冷却後にこれらの物質の懸濁液又は溶液を噴霧又は含浸しても良いがこの場合においては、その後さらに２００℃以上で加熱処理することが必要である。
上記の方法により得られた原料コークス類を用いて電極を調製する際に、通常パフィングインヒビターとして用いる鉄化合物類についてはその使用を省略しても良いが、使用すれば一層のパフィング低減効果を得ることが出来るためより好ましく、要求品質と経済性とを勘案して適宜選定すれば良い。
コークスへの付着物質によるパフィングへの作用機構を以下に説明する。これらの物質の懸濁液または溶液を生ニードルコークスまたはか焼ニードルコークスに噴霧または含浸することにより、コークスのポアーの中に付着、浸入させることができる。その後、これらの物質を２００℃以上で加熱処理またはか焼することにより、水分の蒸発またはある物質においては脱水反応または溶融が起こり、ポアーの中にこれらの物質又は反応生成物が残存付着する。
このようにして調整されたニードルコークスで電極を製造する。
電極の製造は、捏合工程、焼成工程、含浸工程、２次焼成工程、黒鉛化工程で行われる。これらの物質を付着したニードルコークスをバインダーピッチと捏合すると、ポアーの中に残存、付着した物質によりバインダーピッチはポアーの奥まで浸入出来なくなる。従って、この物質としては、２００℃以上且つバインダー及び含浸ピッチ混練温度で固体として残存し得るもので、１８００℃迄に融解するか、軟化するか、熱分解して残渣を残さないものであればよい。焼成後の含浸時にも、含浸ピッチはバインダーピッチと同様、ポアー内物質によりポアーの奥まで浸入できない。
次に２次焼成を行い、黒鉛化を行う。
黒鉛化時にはまず、ポアー内物質の蒸気圧による逸散または溶融による変形が起こり、ポアー内に通気孔が確保されて、黒鉛化時にコークス基質より発生するガスの通路を確保することができる。
パフィングの原因となるガスは１７００℃付近から発生しはじめ１８００℃付近で発生割合が増大するため、ポアー内物質の軟化点もしくは融点又は残渣を残さず熱分解する温度は１８００℃以下であることが必要である。
このようにしてパフィングの原因となる細孔内密閉空間でのガスの発生圧力を減少させることが出来るためパフィングを減少させることができる。
〔発明を実施するための最良の形態〕
以下に本発明の内容を実施例及び比較例にて具体的に説明するが、これは本発明の範囲を制限するものではない。
実施例１
石炭系重質油を原料とし、ディレードコーキング法によって製造した生ニードルコークスをか焼したニードルコークスを使用した。３Ｋｇのか焼ニードルコークスに１０重量％濃度の燐酸二ナトリウム水溶液を１．５ｋｇ噴霧し、３０分放置した後１５０℃で乾燥しその後さらに９００℃で加熱処理した。後記の方法でパフィングおよび熱膨張係数（以下、ＣＴＥと呼ぶ）を測定した結果を表１に示した。
実施例２
石炭系重質油を原料とし、ディレードコーキング法によって製造した生ニードルコークスをか焼したニードルコークスを使用した。３Ｋｇのか焼ニードルコークスに１０重量％濃度の珪素ナトリウム水溶液を１．５ｋｇ噴霧し、３０分放置した後１５０℃で乾燥しその後さらに９００℃で加熱処理した。後記の方法でパフィングおよびＣＴＥを測定した結果を表１に示した。
実施例３
石炭系重質油を原料とし、ディレードコーキング法によって製造した生ニードルコークスをか焼したニードルコークスを使用した。３Ｋｇのか焼ニードルコークスに１０重量％濃度の燐酸二ナトリウム水溶液を１．５ｋｇ噴霧し、３０分放置した後１５０℃で乾燥し、９００℃で加熱処理した。これを原料コークスとして用いた定法による電極調製方法において、捏合時にコークス１００重量部及びバインダーピッチ３０重量部に対し、酸化鉄を１重量部添加後電極を調製した。別記する方法でパフィングおよびＣＴＥを測定し結果を表１に示した。
実施例４
石炭系重質油を原料とし、ディレードコーキング法によって製造した生ニードルコークスをか焼したニードルコークスを使用した。パイレックスガラス（組成ＳｉＯ₂：Ｂ₂Ｏ₃：Ａｌ₂Ｏ₃：Ｎａ₂Ｏ＝８１：１３：２：４）を粉砕機で粉砕し、２００メッシ篩下以下の粒度としたものを１０重量％パイレックスガラス懸濁液とし３ｋｇのか焼ニードルコークスに１．０ｋｇ噴霧し、３０分放置した後１５０℃で乾燥し、１２００℃で加熱処理した。
後記の方法で、パフィング及びＣＴＥを測定した結果を表１に示した。
実施例５
石炭系重質油を原料とし、ディレードコーキング法によって製造した生ニードルコークスを使用した。３Ｋｇの生ニードルコークスに１０重量％濃度の硼酸水を１．５Ｋｇ噴霧し、３０分放置した後１５０℃で乾燥し１４００℃でか焼した。後記の方法でパフィングおよびＣＴＥを測定した結果を表２に示した。
実施例６
石炭系重質油を原料とし、ディレードコーキング法によって製造した生ニードルコークスをか焼したニードルコークスを使用した。３Ｋｇのか焼ニードルコークスに１０重量％濃度の硼酸水を１．５Ｋｇ噴霧し、３０分放置した後１５０℃で乾燥し、その後さらに９００℃で加熱処理した。後記の方法でパフィングおよびＣＴＥを測定した結果を表２に示した。
実施例７
石油系重質油を原料とし、ディレードコーキング法によって製造した生ニードルコークスをか焼したニードルコークスを使用した。３Ｋｇのか焼ニードルコークスに１０重量％濃度の硼酸水を１．５Ｋｇ噴霧し、３０分放置した後１５０℃で乾燥し、９００℃で熱処理した。後記の方法でパフィングおよびＣＴＥを測定した結果を表２に示した。
実施例８
石炭系重質油を原料とし、ディレードコーキング法によって製造した生ニードルコークスをか焼したニードルコークスを使用した。３Ｋｇのか焼ニードルコークスに１０重量％濃度の硼酸水を１．５Ｋｇを噴霧し、３０分放置した後１５０℃で乾燥し、その後さらに９００℃で加熱処理した。これを原料コークスとして用いた常法による電極調製方法において、捏合時にコークス１００重量部及びバインダーピッチ３０重量部に対し、酸化鉄を１重量部添加後電極を調製した。後記の方法でパフィングおよびＣＴＥを測定した結果を表２に示した。
比較例１、２
本発明によらない通常の石炭系か焼ニードルコークスを用いた常法による電極調製方法において、捏合時にコークス１００重量部及びバインダーピッチ３０重量部に対し、酸化鉄を１重量部添加および無添加後電極を調製した。後記の方法でパフィングおよびＣＴＥを測定した結果を表１に示した。
比較例３、４
本発明によらない通常の石油系か焼ニードルコークスを用いた常法による電極調製方法において、捏合時にコークス１００重量部及びバインダーピッチ３０重量部に対し、酸化鉄を無添加及び１重量部添加後電極を調製した。後記の方法でパフィングおよびＣＴＥを測定した結果を表２に示した。
比較例５
本発明によらない通常の石炭系ニードルコークスを用いた常法による電極調製方法において、捏合時にコークス１００重量部及びバインダーピッチ３０重量部に対し、ホウ酸を、１重量部添加後、電極を調製した。後記の方法でパフィングおよびＣＴＥを測定した結果を表２に示した。
比較例６
本発明によらない通常の石炭系ニードルコークスを用いた常法による電極調製方法において、捏合時にコークス１００重量部及びバインダーピッチ３０重量部に対し、酸化ホウ素を、１重量部添加後、電極を調製した。
後記の方法でパフィングおよびＣＴＥを測定した結果を表２に示した。
比較例７
石炭系重質油を原料とし、ディレードコーキング法によって製造した生ニードルコークスをか焼したニードルコークスを使用した。
金属ホウ素を粉砕機で粉砕して２００メッシュ篩下以下の粒度としたものを５重量％の水懸濁液とし、３kgのか焼ニードルコークスに１．０kgを噴霧し、３０分放置した後、１５０℃で乾燥し、９００℃で加熱処理した。
後記の方法で、パフィングおよびＣＴＥを測定した結果を表２に示した。
パフィング及びＣＴＥの測定は次の様に行った。
（パフィング測定法）コークスを粉砕後、粒度調製（８〜１６メッシュ４０％、４８〜２００メッシュ３５％、２００メッシュ以下２５％）を行い、１６０℃でバインダーピッチ３０％（外割）と２０分間混合する。これを２０ｍｍφ×１００ｍｍの大きさにモールド成型する。成型したテストピースは焼成炉を用い、９００℃まで焼成し、含浸ピッチを含浸したのち再び９００℃で２次焼成する。これをパフィング測定用のサンプルとした。パフィング測定は昇温速度１０℃／ｍｉｎで２５００℃まで昇温し、１５００℃から２５００℃における最大の伸び率で表わす。
（ＣＴＥ測定法）コークスを粉砕後、粒度調製（１６〜６０メッシュ２０％、６０〜２００メッシュ４５％、２００メッシュ以下３５％）を行い、１６０℃でバインダーピッチと２０分間混合する。バインダーピッチの添加量は成型ＢＤが最大になるように選ぶ。これを２０ｍｍφ×１００ｍｍの大きさに押し出し成型する。成型後、９００℃で焼成を行い、その後２５００℃で黒鉛化し、ＣＴＥ用サンプルとする。ＣＴＥの測定はＲＴ〜５００℃の平均熱膨張係数を測定する。
（軟化点測定法）
回転円筒法によりガラス粘度測定装置の外筒をある角度だけ回転した位置で停止させ、それに伴って回転した内筒が最初の位置まで戻る時間を測定したときの換算粘度が１０^7.6poiseとなる温度を軟化点とした。
〔「ガラス工学」成瀬省著共立出版（株）発行〕
（融点測定方法）
熱電対を挿入したるつぼにサンプルを入れ、昇温した際の温度〜時間曲線の温度の停滞又は屈曲点を融点とした。
〔「熱分析の基礎」斉藤安俊著共立出版（株）発行〕
（黒鉛化ＢＤ測定法）
テストピースの直径と長さとから体積を測定し、一方重量を測定し、重量を体積で除して嵩密度を計算する。
各実施例は各々それに対応する比較例に比し、パフィングが大幅に改善されている。尚両者の間のＣＴＥに有意な差は見られない。

〔産業上の利用可能性〕
本発明の黒鉛電極原料用ニードルコークス製造時に細孔中に２００℃以上に加熱処理した後で測定した軟化点又は融点又は残渣を残さず熱分解する温度が１８００℃を超えない物質、例えば硼素化合物、燐酸二ナトリウム、珪酸ナトリウム、パイレックスガラス等を付着させたコークスを用いることにより、黒鉛化過程のパフィングを効果的に抑制し、電極の歩留りを向上させ、製品特性を向上させることができ、多大な工業的利益を提供できる。

Claims

コークス１００重量部に対し、硼素化合物、燐化合物、珪素化合物、パイレックスガラスよりなる群より選んだ少なくとも一種であっって２００℃以上に加熱処理した後の、軟化点もしくは融点又は残渣を残さず熱分解する温度が１８００℃を超えない物質を０．０３〜１６重量部付着させてなる黒鉛電極用ニードルコークス。
石油系又は石炭系重質油のうちの少なくとも１つをコークス原料とし、ディレードコーキング法によって製造した生コークスに、硼素化合物、燐化合物、珪素化合物、パイレックスガラスよりなる群より選んだ少なくとも一種の懸濁液又は溶液を噴霧又は含浸した後、か焼することを特徴とする請求の範囲１に記載の黒鉛電極用ニードルコークスの製造方法。
石油系又は石炭系重質油のうちの少なくとも１つをコークス原料とし、ディレードコーキング法によって製造した生コークスを多段階でか焼、冷却を繰り返す方法において、最終段か焼の前段までのか焼コークスに、硼素化合物、燐化合物、珪素化合物、パイレックスガラスよりなる群より選んだ少なくとも一種の懸濁液又は溶液を噴霧又は含浸した後、か焼することを特徴とする請求の範囲１に記載の黒鉛電極用ニードルコークスの製造方法。
石油系又は石炭系重質油のうちの少なくとも１つをコークス原料とし、ディレードコーキング法によって製造した生コークスをか焼後冷却する際に又は冷却後に、硼素化合物、燐化合物、珪素化合物、パイレックスガラスよりなる群より選んだ少なくとも一種の懸濁液又は溶液を噴霧又は含浸し、引き続き２００℃以上の温度で加熱処理することを特徴とする請求の範囲１に記載の黒鉛電極用ニードルコークスの製造方法。