Hoe wordt gegrafiteerde petroleumcokes gebruikt in de aluminiumelektrolyse-industrie voor de productie van kathodeblokken en anodepasta's? Welke voordelen biedt het ten opzichte van gecalcineerde petroleumcokes?

Toepassings- en voordelenanalyse van gegrafiteerde petroleumcokes in de aluminiumelektrolyse-industrie

I. Toepassing van gegrafiteerde petroleumcokes in kathodeblokken en anodepasta

1. Productie van kathodeblokken
Gegrafiteerde petroleumcokes vormen de belangrijkste grondstof voor de productie van gegrafiteerde kathodekoolstofblokken. Na een grafitisatiebehandeling bij een hoge temperatuur van circa 3000 °C bedraagt ​​de koolstofzuiverheid meer dan 98% en neemt de werkelijke dichtheid aanzienlijk toe, waardoor een zeer geordende grafietkristalstructuur ontstaat. Deze structuur verleent de kathodeblokken de volgende eigenschappen:

• Verbeterde weerstand tegen natriumerosie: De zeer zuivere, gegrafiteerde structuur weerstaat effectief de indringing van natrium tijdens de elektrolyse van aluminium, waardoor de levensduur van de kathode wordt verlengd.
• Verbeterde elektrische geleidbaarheid: Grafietvorming verlaagt de soortelijke weerstand aanzienlijk, waardoor de spanningsval aan de onderkant van de cel afneemt en het energieverbruik voor de aluminiumproductie met ongeveer 5%–10% daalt.
• Geoptimaliseerde thermische stabiliteit: De geringe volumetoename bij hoge temperaturen minimaliseert het risico op scheurvorming als gevolg van thermische spanning.

2. Voorbereiding van de anodepasta
In anodepasta dient gegrafiteerde petroleumcokes voornamelijk als koolstofadditief en geleidend raamwerkmateriaal, met de volgende effecten:

• Verbeterde elektrische geleidbaarheid: De gegrafiteerde structuur bevordert een gelijkmatige stroomverdeling, waardoor de overspanning aan de anode wordt verminderd.
• Verbeterde oxidatieweerstand: Een laag zwavelgehalte (doorgaans <0,06%) minimaliseert gasgeïnduceerde scheurvorming tijdens reacties met CO₂, waardoor het anodeverbruik per ton staal afneemt (bijvoorbeeld een reductie van 12% in de specifieke toepassing van een bedrijf).
• Geoptimaliseerde poriënstructuur: Grafitisatie vermindert de porositeit van pekcokes, waardoor de dichtheid en mechanische sterkte van de anode toenemen.

II. Belangrijkste voordelen van gegrafiteerde petroleumcokes ten opzichte van gecalcineerde petroleumcokes

Specifieke voordelen:
1. Optimalisatie van de elektrochemische prestaties

• De soortelijke weerstand van gegrafiteerde petroleumcokes is 30%–50% lager dan die van gecalcineerde cokes, waardoor het energieverbruik van elektrolysecellen aanzienlijk wordt verminderd. In naaldvormige cokeselektroden van 750 mm is de geleidbaarheid bijvoorbeeld driemaal hoger dan die van standaardcokes, wat de efficiëntie van de staalproductie verhoogt tot 25 minuten per oven.
• Een laag zwavelgehalte vermindert reacties tussen anodes en fluoridehoudende elektrolyten, waardoor gasgeïnduceerde zwelling wordt geminimaliseerd en de levensduur van de anode wordt verlengd.

2. Verbetering van de mechanische eigenschappen

• Grafietvorming verhoogt de hardheid van het materiaal en de thermische schokbestendigheid. In aluminiumelektrolyseomgevingen met hoge temperaturen is de thermische uitzettingscoëfficiënt van gegrafiteerde kathodeblokken 30% lager dan die van gecalcineerde cokes, waardoor structurele schade door temperatuurschommelingen wordt verminderd.
• Een verhoogde werkelijke dichtheid (≥2,18 g/cm³) verbetert de compactheid van het materiaal, waardoor de indringing van vloeibaar aluminium en de erosie door natrium worden geminimaliseerd.

3. Milieu- en economische voordelen

• Een lager zwavelgehalte verlaagt de SO₂-uitstoot en voldoet daarmee aan de milieuregelgeving. Zo verlaagde een aluminiumfabriek die gebruikmaakte van grafietcokes met een laag zwavelgehalte de SO₂-uitstoot per ton aluminium met 15%.
• Ondanks de hogere kosten (ongeveer 1,5 tot 2 keer zo hoog als die van gecalcineerde cokes) compenseren de langere levensduur en het lagere energieverbruik de initiële investeringen. Zo nam de levensduur van het kathodeblok toe van 5 naar 8 jaar, waardoor de totale kosten met 20% daalden.

III. Toepassingsvoorbeelden en gegevensondersteuning

• Aluminiumelektrolyse-industrie: Wereldwijd wordt 70% van de gecalcineerde cokes gebruikt voor anodes in aluminiumelektrolyse-installaties, maar in de hogere segmenten (bijvoorbeeld voor gegrafiteerde kathodes) wordt steeds vaker gegrafiteerde cokes gebruikt. Eén bedrijf wist het anodeverbruik te verlagen van 420 kg/t-Al naar 370 kg/t-Al na de overstap naar gegrafiteerde kathodes, wat een jaarlijkse besparing van 200 miljoen RMB opleverde.
• Staalindustrie: Naaldcokeselektroden van 750 mm met een stroomsterkte van 100.000 A bereikten een staalproductie-efficiëntie van 25 minuten per oven, met een geleidbaarheid die drie keer hoger was dan die van standaardcokes.
• Energieopslagsector: Met asfalt gemodificeerde gecalcineerde cokes verlengden de levensduur van harde koolstofanodes met 400 cycli, waardoor het materiaal aan populariteit wint op de markt voor natrium-ionbatterijen.

IV. Conclusie

Gegrafiteerde petroleumcokes, verkregen door grafitisatie bij hoge temperaturen, vertoont een superieure zuiverheid, elektrische geleidbaarheid en thermische stabiliteit in vergelijking met gecalcineerde petroleumcokes. Dit maakt het ideaal voor hoogwaardige kathodeblokken voor aluminiumelektrolyse en de productie van speciale anodepasta's. Ondanks de hogere kosten maken de langere levensduur, energie-efficiëntie en milieuvoordelen het tot een cruciaal materiaal voor de modernisering van de aluminiumindustrie. Toekomstige ontwikkelingen in de grafitisatietechnologie (bijvoorbeeld ultrahoge temperatuurbehandeling bij 3000 °C) zullen de toepassingen verder uitbreiden naar grafiet van nucleaire kwaliteit, anodes voor lithium-ionbatterijen en andere geavanceerde gebieden.