炭素材料の生産プロセスは、厳密に制御されたシステムエンジニアリングであり、グラファイト電極、特殊炭素材料、アルミニウム炭素、新しい高級炭素材料の生産は、原材料の使用、設備、技術、管理の4つの生産要素と関連する独自の技術と切り離せません。
原材料は炭素材料の基本特性を決定する重要な要素であり、原材料の性能が製造される炭素材料の性能を決定づけます。UHPおよびHPグラファイト電極の製造には、高品質のニードルコークスが第一選択ですが、高品質のアスファルトバインダーやアスファルト含浸剤も必要です。しかし、高品質の原材料だけでは、設備、技術、管理要因、そして関連する独自技術の不足により、高品質のUHP、HPグラファイト電極を生産することはできません。
本稿では、高品質のニードルコークスの特性に焦点を当て、ニードルコークス製造業者、電極製造業者、科学研究機関が議論するための個人的な見解を解説します。
中国のニードルコークスの工業生産は外国企業に比べて遅れているものの、近年急速に発展し、形を整え始めています。総生産量で見ると、国内の炭素企業が生産するUHPおよびHP黒鉛電極用ニードルコークスの需要をほぼ満たすことができます。しかし、ニードルコークスの品質は外国企業と比較して依然として一定の差があります。バッチパフォーマンスの変動は、大型UHPおよびHP黒鉛電極の生産における高品質ニードルコークスの需要に影響を与えており、特に黒鉛電極ジョイントの生産を満たすことができる高品質のジョイントニードルコークスがまだありません。
海外の炭素企業が生産する大型規格のUHP、HP黒鉛電極は、多くの場合、高品質の石油系ニードルコークスを主原料コークスの第一選択であり、日本の炭素企業も一部の石炭系ニードルコークスを原料として使用していますが、φ600 mm以下の規格の黒鉛電極生産に限られています。現在、中国のニードルコークスは主に石炭系ニードルコークスです。炭素企業による高品質の大型UHP黒鉛電極の生産は、多くの場合、輸入石油系ニードルコークスに依存しており、特に輸入日本の水島石油系ニードルコークスとイギリスのHSP石油系ニードルコークスを原料コークスとして高品質ジョイントを生産しています。
現在、各企業が生産するニードルコークスは、灰分、真密度、硫黄分、窒素分、粒度分布、熱膨張係数といった従来の性能指標を用いて、外国産ニードルコークスの市販性能指標と比較されることが多い。しかし、海外と比較すると、ニードルコークスのグレード区分は依然として不足している。そのため、いわゆる「統一品」と呼ばれるニードルコークスの生産は、高品質のプレミアムニードルコークスのグレードを反映することができない。
炭素企業は、従来の性能比較に加え、ニードルコークスの特性にも注目すべきです。例えば、熱膨張係数（CTE）の分類、粒子強度、異方性度、非抑制状態と抑制状態の膨張データ、膨張と収縮の間の温度範囲などです。ニードルコークスのこれらの熱特性は、黒鉛電極の製造プロセスにおける黒鉛化プロセス制御にとって非常に重要であるため、バインダーと含浸剤であるアスファルトの焙焼後に形成されるアスファルトコークスの熱特性の影響も排除できません。
1. ニードルコークスの異方性の比較
（A）試料：国内Aカーボン工場のφ500mm UHP電極体
原料ニードルコークス：日本新化学工業製 LPC-U グレード、比率：100% LPC-U グレード。分析：SGL グリースハイム工場。性能指標は表 1 に示されています。
（B）サンプル：国内カーボン工場のφ450mmHP電極体。原料ニードルコークス：国内工場の石油ニードルコークス、比率：100％。分析：山東バザンカーボン工場。性能指標は表2に示す。
表1と表2の比較からわかるように、新日化工LPC-U級炭層ニードルコークスは熱特性の異方性が大きく、熱膨張係数（CTE）の異方性は3.61～4.55に達し、抵抗率の異方性も大きく、2.06～2.25に達しています。また、国産石油ニードルコークスの曲げ強度は、新日化工LPC-U級炭層ニードルコークスよりも優れています。異方性の値は、新日化工LPC-U炭層ニードルコークスよりもはるかに低いです。
超高出力グラファイト電極製造における異方性度性能分析は、ニードルコークス原料の品質を推定する上で重要な分析方法の一つであり、異方性度の大きさは、当然のことながら、電極製造プロセスにも一定の影響を与え、異方性度が小さい電極の平均出力よりも、電気の異方性度が極めて高い熱衝撃性能が優れています。
現在、中国における石炭ニードルコークスの生産量は石油ニードルコークスの生産量を大幅に上回っています。原料コストと炭素企業の価格高騰により、UHP電極の製造に100%国産ニードルコークスを使用することは困難であり、一定量の石油コークスと黒鉛粉末を添加して電極を製造しています。そのため、国産ニードルコークスの異方性を評価することは困難です。
2. ニードルコークスの線形特性と体積特性
ニードルコークスの線形および体積変化性能は、主に電極によって生成されるグラファイトプロセスに反映されます。温度変化に伴い、ニードルコークスはグラファイトプロセスの加熱過程で線形および体積の膨張と収縮を起こし、それがグラファイトプロセスにおける電極焙焼ビレットの線形および体積変化に直接影響を及ぼします。これは、異なる特性を持つ生コークスを使用する場合、異なるグレードのニードルコークスを使用する場合でも同様です。さらに、異なるグレードのニードルコークスと焼成石油コークスの線形および体積変化の温度範囲も異なります。生コークスのこの特性を理解することによってのみ、グラファイトの化学シーケンスの製造をより適切に制御および最適化することができます。これは、特に連続グラファイト化プロセスで顕著です。
表3は、英国コノコフィリップス社が生産する3種類の石油ニードルコークスの線膨張と体積変化および温度範囲を示しています。石油ニードルコークスは加熱が始まると最初に線膨張が起こりますが、線収縮開始温度は通常、最高焼成温度より遅れます。1525℃から1725℃で線膨張が始まり、線収縮全体の温度範囲は狭く、わずか200℃です。通常の遅延石油コークスの全線収縮の温度範囲はニードルコークスよりもはるかに広く、石炭ニードルコークスは両者の中間に位置し、石油ニードルコークスよりわずかに大きいです。日本の大阪工業技術試験所の試験結果によると、コークスの熱性能が悪いほど、線収縮温度範囲が広くなり、500〜600℃までの線収縮温度範囲に達し、線収縮開始温度が低く、1150〜1200℃で線収縮が発生し始めました。これは、一般的な遅延石油コークスの特徴でもあります。
ニードルコークスの熱特性が優れ、異方性が大きいほど、線収縮の温度範囲は狭くなります。一部の高品質石油ニードルコークスの線収縮温度範囲はわずか100～150℃です。炭素企業にとって、各種原料コークスの線膨張、収縮、再膨張の特性を理解した上で黒鉛化プロセス生産を指導することは非常に有益であり、従来の経験的手法を用いることで発生する不要な品質ロスを回避できます。
3 結論
原材料のさまざまな特性を習得し、適切な設備の組み合わせを選択し、技術をうまく組み合わせ、企業管理をより科学的かつ合理的にすることで、この一連のプロセス全体のシステムが厳密に制御され、安定し、高品質の超高出力、高出力グラファイト電極を生産する基礎を備えていると言えます。
投稿日時: 2021年12月30日