[发明专利]由煤焦油馏出物制成的降低了膨化的针状焦

说明书

由煤焦油馏出物制成的降低了膨化的针状焦。形成降低了膨化的针状焦，在该焦炭内包含降低的氮含量以使焦粒在由此类焦炭在加热至石墨化温度后制成的石墨化碳制品的形成过程中不发生太多膨化。

技术领域

本申请是国际申请号为PCT/US2009/044055、国际申请日为2009年5月15日、发明名称为“由煤焦油馏出物制成的降低了膨化的针状焦”的发明专利申请的分案申请，原申请进入中国国家阶段获得的国家申请号为200980130331.4。本发明涉及可用于包括形成石墨电极在内的各种用途的针状焦。更特别地，本发明涉及由煤焦油馏出物原材料制造表现出降低的膨化特征的针状焦的方法。本发明还包括降低了膨化的针状焦。

背景技术

在钢铁工业中使用碳电极，尤其是石墨电极，熔化在电热炉中形成钢用的金属和辅助成分。通过使电流经过多个电极并在电极和金属之间形成电弧来生成熔化基质金属所需的热。通常使用超过100,000安培的电流。

电极典型由针状焦（具有针状的各向异性微结构的焦炭等级）制成。为了制造可承受超高功率吞吐量的石墨电极，该针状焦必须具有低电阻率和低热膨胀系数（CTE），同时也能在石墨化后制成相对高强度的制品。

可以通过控制将适当的碳原料转化成针状焦的焦化法的性质来控制该针状焦的具体性质。典型地，针状焦的等级是在指定温度范围内的CTE的函数。例如，针状焦通常被归类为在大约30℃至大约100℃的温度范围内具有大约0.00至大约5.00x10^-6/Cº的平均CTE。

为评测焦炭的CTE，首先将其煅烧至大约1,000至1,400℃的温度。随后将其与熔融沥青粘合剂混合并将该沥青/焦炭混合物挤出以形成生坯电极。随后将该电极焙烧至大约800-900℃，随后加热至2,800-3,400℃以实现石墨化。使用膨胀计或电容法在该石墨化电极上测量CTE（在1986 International Conference on Carbon at Baden-Baden Germany上发布的标题为“Capacitance Bridge Measurements of Thermal Expansion”的出版物中描述了该电容法。用于评测焦炭CTE的程序见于E.A. Heintz著的出版物, CarbonVolume 34, 第699-709页 (1996)，其全文经此引用并入本文）。

除低CTE外，适用于制造石墨电极的针状焦必须具有极低的硫和氮含量。该焦炭中的硫和氮通常在煅烧后留下并仅在高温石墨化过程中才完全除去。

如果针状焦含有太高的氮或硫浓度，该电极会在石墨化时发生“膨化”。膨化是焦粒的不可逆膨胀，其在电极内造成裂纹或空隙，从而降低电极的结构完整性以及显著改变其强度和密度。更具体地，由石墨化过程中的温度梯度产生来自膨化的宏观应力，因为电极的外部和内部在不同时间通过膨化范围。在膨化过程中在焦粒/粘合剂焦炭界面处出现微应力，因为焦粒显著膨胀且周围的粘合剂焦炭由于正常膨胀而以低得多的速率膨胀。宏观应力和微应力都降低电极的物理性质并在极端情况下会造成裂化。

膨化程度典型地与该针状焦中存在的氮和硫的百分比相关。氮和硫原子都可能通过环排列中常见的共价键合作用键合到原料内的碳上。氮-碳和硫-碳键合在高温环境中明显不如碳-碳键合稳定并在加热时断裂。这种键断裂导致在高温加热过程中迅速释放含氮和硫的气体，从而造成针状焦的物理膨化。

已尝试各种方法降低石墨化过程中的针状焦膨化，大多着眼于硫的作用。所用方法涉及在焦化之前用催化剂和氢处理针状焦原料以除去硫或向该焦炭中引入抑制膨化过程的化学添加剂。

一种这样的方法是在初始原料或石墨化成电极体之前的焦炭混合物中使用抑制剂添加剂。美国专利No. 2,814,076教导添加碱金属盐以抑制该膨化。在正要将电极石墨化之前添加此类盐。值得一提的是通过用碳酸氢钠溶液浸渍该制品来添加碳酸钠。