碳體、生產碳體的方法及其用途技術

本發明專利技術涉及通過燃燒至少含有焦炭的混合物而產生的碳體。根據本發明專利技術，所述焦炭是具有低石墨化能力的焦炭。另外，本發明專利技術涉及用于生產碳體的方法，所述方法包括以下步驟：將以下物質混合：無煙煤、石墨和/或焦炭或其混合物，至少一種選自石油基或煤基粘合劑以及還有合成的樹脂基粘合劑和所述粘合劑的任何混合物的粘合劑，以及任選的添加劑；將該混合物成形為預先確定的形狀；使成形的混合物燃燒；以及任選地使燃燒后的成形體石墨化，其中所述焦炭是具有低石墨化能力的焦炭。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及碳體、用于生產碳體的方法及其用途。
技術介紹
碳體被用作化學工業中的組件，在這種情況下，它們往往暴露于腐蝕性化學品和高溫。對這些組件的要求是高的，并且它們具有有限的壽命。例如，由非石墨碳和石墨制成的陰極被用作鋁電解槽的 底部內襯。這些材料結合了非常好的電傳導性與高熱穩定性和耐化學性。石墨化的陰極因其優異的電傳導性而特別適用于現代的高安培槽。然而，作為例如無煙煤基陰極，這些槽在操作期間經歷嚴重的腐蝕。所述腐蝕集中在高電流密度占優勢的陰極端部，導致發展成W形輪廓。機械影響發揮了并非無關緊要的作用，因為陰極表面上的熔融鋁層因高磁場而不斷移動。此外，由于電解液的成分而發生了化學攻擊。這兩種類型的腐蝕都限制了陰極塊的壽命并由此限制了電解槽的壽命。在FR 2，821，365中描述了一種其中避免了該問題的陰極。該陰極包含即使在超過2400°C的溫度下處理后仍可與鈉反應的碳產物。所述鈉來自于冰晶石，所述冰晶石通常被添加到電解液中。鼓風爐磚也是由非石墨碳或石墨制成的。優先發生在鼓風爐的放出口區域中的鼓風爐磚的腐蝕是用于生產鐵的鼓風爐的一個技術問題。在這一點上，具體地，熔融的粗鐵在化學和機械兩方面上過度地攻擊石墨和碳內襯。由此造成的問題是，碳體受到了化學和機械腐蝕的攻擊，因此，化學和機械腐蝕縮短了碳體的壽命。因此，本專利技術的目的是提供具有長壽命的碳體。
技術實現思路
根據本專利技術，通過權利要求1的碳體以及通過權利要求10的方法來實現該目的。根據本專利技術，提供了通過燃燒至少含有焦炭的混合物而產生的碳體，所述焦炭是具有低石墨化能力的焦炭。具有低石墨化能力的焦炭即使在生廣過程中暴露于例如聞達3000 C的聞溫之后，仍具有高硬度和耐磨損性。根據本專利技術，由于添加了具有低石墨化能力的焦炭，因此，與未添加石墨化能力差的焦炭的傳統碳體相比，碳體表面的耐磨損性提高。具體地，具有低石墨化能力的焦炭起到用于產生高耐磨損性的試劑的作用。優選地，具有低石墨化能力的焦炭產生的碳體的堆密度比傳統碳體高。所述焦炭優選為具有球形形態的焦炭。由于其近似球形的幾何形狀，因此，所述焦炭在使碳體成形的過程中提高了物質的可流動性。因此，碳體有利地具有比傳統碳體高的堆密度。因此，所述碳體優選還具有高耐磨性。根據本專利技術，除了具有低石墨化能力的焦炭之外，優選地，還使用以下物質來生產碳體無煙煤、石墨和/或傳統焦炭例如石油焦炭或煤焦油浙青焦炭；至少一種粘合劑，例如選自石油基或碳基粘合劑例如焦油、石油浙青、煤焦油浙青、柏油或酚醛樹脂或呋喃樹脂；以及任選的添加劑例如碳纖維。上面所列的起始材料可具有不同的晶粒尺寸。用于傳統碳體例如陰極塊或鼓風爐的包含上述起始材料的配方是已知的。對于傳統上含有石油焦炭和/或煤焦油浙青焦炭的碳體來說，優選地，用具有低石墨化能力的焦炭代替至少一部分石油焦炭和/或煤焦油浙青焦炭。在優選實施方案中，在2800°C下將石墨化能力差的焦炭熱處理后，根據Maire和Mehring從平均層間距c/2計算得到的石墨化程度的最大值為O. 5或更低。在高達3000°C的溫度下將所述碳體石墨化期間，焦炭形成非常少的石墨結構或不形成石墨結構并因此保持了其耐磨損性及其高硬度。在另一個優選實施方案中，具有低石墨化能力的焦炭的晶粒大于O. 2mm,優選大于 O.5_。如果要使碳體具有預先確定的傳導性，則具有低石墨化能力的焦炭以基于干燥混合物的至多25重量％的量存在于碳體中。更優選地，所述焦炭以基于干燥混合物的10重量％至20重量％的量存在于碳體中。由于具有低石墨化能力的焦炭具有球形形態，因此，所述焦炭是成型助劑，用該成型助劑能夠實現比傳統碳體高的碳體堆密度。在優選實施方案中，焦炭具有球形至略微橢圓形的形狀。此外，其優選具有洋蔥皮結構，這符合其低石墨化能力。在本專利技術的意義上，術語“洋蔥皮結構”是指包含具有球形至橢圓形形狀的內層的多層結構，所述內層被至少一個中間層和一個外層全部或部分覆蓋。特別優選地，用于產生高堆密度和高耐磨損性的試劑是具有低石墨化能力、高硬度和像洋蔥皮一樣構成的球形結構的焦炭。具有球形至橢圓形形狀的焦炭優選具有I至10、優選I至5、更優選I至3的長度/直徑比率。焦炭的形狀越接近球形結構，該物質的可流動性越好，并且碳體的機械性能越好。特別優選地，根據本專利技術所使用的焦炭是硬且高度各向同性的、難以石墨化至不可石墨化的，并具有低孔隙率和低比表面積例如在10至40m2/g、更優選20至30m2/g的范圍內。然而，在2800°C下熱處理后，焦炭的平均層間距CU優選為O. 340至O. 344nm (這相當于根據Maire和Mehring的石墨化程度為O. O至O. 5)并且不小于O. 339nm,所述平均層間距可通過X射線衍射來確定。在2800°C下熱處理后，表觀堆積高度L。優選小于20nm。這種具有低石墨化能力的焦炭的具體代表性實例是在不飽和烴、特別是乙炔的生產過程中作為副產物獲得的焦炭。具體地，根據本專利技術所使用的具有低石墨化能力的焦炭可以從被用于在不飽和烴(乙炔)的合成中使反應氣體淬火的原油餾分或蒸汽裂化殘余物中獲得，其中淬火油/炭黑混合物被送到加熱至約500°C的焦化設備中。淬火油的揮發性組分在焦化設備中蒸發，可從焦化設備的底部取出焦炭。以此方式獲得了細晶粒的具有洋蔥皮結構的焦炭，所述焦炭除了具有上面所描述的特性之外，還具有高純度并且具有少到無的灰和礦物質含量。所述焦炭優選具有至少96重量％的碳含量和至多O. 05重量％、優選至多O. 01重量％的灰含量。例如，DE 2947005A1中描述了用于生產乙炔的方法，其中作為副產物獲得了這種焦炭。在該方法中，從淬火油生產如上所述的具有低石墨化能力的焦炭。根據本專利技術，為了形成本專利技術的碳體，具體地，在包含石油焦炭的碳體的傳統組合物中，用具有低石墨化能力的焦炭至少部分代替石油焦炭。具體地，具有低石墨化能力的焦炭具有高純度并含有少到無的灰和礦物質含量。然而，具有低石墨化能力的焦炭也可能含有灰和礦物質并且可能是不太純的。焦炭的純度取決于所使用的淬火油的純度。焦炭通常為具有高碳含量并處于非石墨化狀態的固體，并且是通過有機材料的熱解而產生的，所述有機材料在碳化過程期間至少部分經歷了液體或液體結晶狀態。據推測，炭黑粒子阻止了未受干擾的液相(中間相)的發展并提供了具有高硬度和弱石墨化能力的焦炭。因此，通過在超過2200°C的溫度下熱處理，從氣體淬火過程獲得的焦炭僅能被輕度石墨化。在2800°C下熱處理后，平均層間距c/2為O. 34nm或更高，所述平均層間距是從X射線衍射干涉確定的‘2，并且c方向上的微晶尺寸L。小于20nm，并且微晶尺寸Lalltl小于50nm，優選小于40nm。特別優選地，根據本專利技術所使用的焦炭具有高硬度和弱石墨化能力，并且在2800°C下熱處理后，平均層間距c/2大于或等于O. 34nm。通常，以這種方式生產的焦炭是以幾微米到幾毫米的球形粒子獲得的。根據本專利技術所使用的具有低石墨化能力的焦炭優選具有大于O. 2mm、優選大于O. 5mm的晶粒。例如可以通過對焦炭進行篩分以及在其后進行適當的分級來確定優選的晶粒。在優選實施方案 中，具有球形形態的焦炭具有20至40m2/g的BET表面積。所述焦炭具有非常低的孔隙本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.05.31 DE 102010029538.81.通過燃燒至少含有焦炭的混合物而產生的碳體，其特征在于，所述焦炭是具有低石墨化能力的焦炭。2.權利要求1所述的碳體，其特征在于，所述焦炭具有球形形態。3.權利要求1或2所述的碳體，其特征在于，在280(TC下將所述焦炭熱處理后，所述焦炭根據Maire和Mehring從平均層間距c/2計算得到的石墨化程度為O. 5或更低。4.權利要求1至3中任一項或多項所述的碳體，其特征在于，所述焦炭的晶粒大于O.2mm,優選大于O. 5mm。5.權利要求1至4中任一項或多項所述的碳體，其特征在于，所述焦炭的含量為基于干燥混合物的至多25重量％，優選10重量％至20重量％。6.權利要求1至5中任一項或多項所述的碳體，其特征在于，所述焦炭具有洋蔥皮結構。7.權利要求1至6中任一項或多項所述的碳體，其特征在于，所述焦炭具有20至40m2/ g的BET表面積。8.權利要求1至7中任一項或多項所述的碳體，其特征在于，所述碳體是陰極塊或鼓風爐磚。9.權利要求8所述的碳體，其特征在于，所述陰極塊是石墨化的陰極塊。10.用于生產碳體的方法，所述方法包括以下步驟將以下物質混合無煙煤、石墨和/ 或焦炭或其混合物，至少一種選自石油基或碳基粘合劑以及合成的樹脂基粘合劑和上述粘合劑的任何混合物的粘合劑，以及任選的添加劑；將該混合物成形為預先確定的形狀；使成形的混合物燃燒；以及任選地使燃燒后的成形體石墨化，所述方法的特征在于，所述焦炭是具有低石墨化能力的焦炭。11.權利要求10所述的方法，其特征在于，所述焦炭具有球形形態。12.權利要求10或11所述的方法，其特征在于，在2800°C下將所述焦炭熱處理后，所述焦炭根據Maire和Mehring從平均層間距c/...

【專利技術屬性】
技術研發人員：維爾姆·弗羅斯，弗蘭克·希爾特曼，詹努茲·圖馬拉，
申請(專利權)人：西格里碳素歐洲公司，
類型：
國別省市：