炭素材料の製造プロセスは厳密に管理されたシステムエンジニアリングであり、黒鉛電極、特殊炭素材料、アルミニウム炭素、新しいハイエンド炭素材料の製造は、原材料、設備、技術、管理という4つの生産要素の使用と関連する独自技術と切り離すことはできません。
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します。UHPおよびHPグラファイト電極の製造においては、高品質のニードルコークスが第一の選択肢ですが、高品質のバインダーアスファルトや含浸剤アスファルトも重要です。しかし、高品質の原材料だけでは、設備、技術、管理要因、および関連する独自技術が不足しているため、高品質のUHP、HPグラファイト電極を製造することはできません。
本稿では、高品質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、研究機関の方々が議論できるよう、筆者の個人的な見解を述べる。
中国におけるニードルコークスの工業生産は、海外企業に比べて遅れて始まったものの、近年急速に発展し、その形態が確立されつつある。総生産量で見ると、国内炭素企業が生産する超高圧（UHP）および高圧（HP）黒鉛電極用のニードルコークスの需要をほぼ満たすことができる。しかしながら、ニードルコークスの品質は海外企業に比べて依然として一定の差がある。バッチ性能の変動は、大型超高圧（UHP）および高圧（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、特に黒鉛電極接合部の生産を満たす高品質の接合ニードルコークスが存在しない。
大型仕様のUHP、HP黒鉛電極を製造する海外の炭素企業は、主原料として高品質の石油ニードルコークスを第一に選択することが多い。日本の炭素企業も石炭系ニードルコークスを原料として使用しているが、φ600mm仕様の黒鉛電極の製造に限られる。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ある。炭素企業による高品質の大型UHP黒鉛電極の製造は、輸入石油系ニードルコークスに依存することが多く、特に高品質の製造では、輸入された日本の水島石油系ニードルコークスと英国のHSP石油系ニードルコークスを原料として使用している。
現在、様々な企業が生産するニードルコークスは、灰分、真密度、硫黄含有量、窒素含有量、粒度分布、熱膨張係数などの従来の性能指標を用いて、海外のニードルコークスの商業的性能指標と比較されるのが一般的です。しかし、海外と比較すると、ニードルコークスの等級分類がまだ十分に確立されていません。そのため、ニードルコークスの生産は一般的に「統一品」として扱われ、高品質のプレミアムニードルコークスの等級を適切に反映できていません。
従来の性能比較に加えて、炭素関連企業は、ニードルコークスの特性評価にも注意を払う必要があります。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における膨張データ、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、黒鉛電極の製造工程における黒鉛化プロセスの制御に非常に重要であるため、バインダーと含浸剤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当然排除できません。
1. ニードルコークスの異方性の比較
（A）サンプル：国内炭素工場製のφ500mm UHP電極本体。
原料ニードルコークス：日本新化学LPC-Uグレード、比率：LPC-Uグレード100％；分析：SGLグリースハイム工場；性能指標は表1に示す。
（B）サンプル：国内炭素工場製のφ450mmHP電極本体。原料ニードルコークス：国内工場製油ニードルコークス、比率：100％。分析：山東巴山炭素工場。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、新日化学炭業のLPC-Uグレードのニードルコークスは熱特性の異方性が大きく、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に達します。また、国内石油ニードルコークスの曲げ強度は新日化学炭業のLPC-Uグレードの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学炭業のLPC-Uグレードのニードルコークスよりもはるかに低くなっています。
超高出力黒鉛電極の製造異方性度性能分析は、針状コークス原料の品質を評価する重要な分析方法であり、異方性度の大きさも電極製造プロセスに一定の影響を与え、電気の異方性度が極度に高いほど、平均出力の小型電極の異方性度よりも優れた熱衝撃性能を発揮します。
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よりもはるかに多い。原料コストと炭素企業の価格が高いため、UHP電極の製造に国産ニードルコークスを100%使用することは難しく、一定割合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る。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ある。
2. ニードルコークスの線形特性および体積特性
ニードルコークスの線膨張および体積膨張特性は、電極から生成される黒鉛製造工程に主に反映されます。温度変化に伴い、ニードルコークスは黒鉛製造工程の加熱過程で線膨張および体積膨張と収縮を起こし、これが黒鉛製造工程における電極焼成ビレットの線膨張および体積膨張に直接影響を与えます。これは、原料コークスの特性やニードルコークスのグレードによって変化の仕方が異なります。さらに、ニードルコークスと焼成石油コークスのグレードによって、線膨張および体積膨張の温度範囲も異なります。原料コークスのこの特性を把握することによってのみ、黒鉛製造工程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、特に一連の黒鉛化工程において顕著です。
表3は、英国のConocophillips社が製造した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を開始するとまず線膨張を起こしますが、線収縮が始まる温度は通常、最大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線収縮全体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その中間で、石油ニードルコークスよりわずかに広くなっています。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、最大で500～600℃の線収縮温度範囲に達し、線収縮開始温度は低く、1150～1200℃で線収縮が発生し始める。これは、通常の遅延石油コークスの特徴でもある。
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。高品質の石油ニードルコークスの中には、線収縮温度範囲がわずか100～150℃のものもあります。様々な原料コークスの線膨張、収縮、再膨張の特性を理解することで、炭素関連企業が黒鉛化プロセス生産を適切に管理できるようになり、従来の経験的な方法を用いることで発生する不要な品質不良品の発生を回避できるため、非常に有益です。
3. 結論
原材料の様々な特性を把握し、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、企業経営をより科学的かつ合理的に行うことで、この一連のプロセスシステム全体を厳密に管理し安定させることができ、高品質の超高出力、高出力黒鉛電極を生産するための基礎を築いていると言えるでしょう。
投稿日時：2021年12月30日