グラファイト電極の製造プロセス

黒鉛電極の原材料と製造工程

グラファイト電極は、石油を原料とし、ニードルコークスを骨材、石炭瀝青を結合剤として、混練、成形、焙焼、含浸、黒鉛化、機械加工などの一連の工程を経て製造される、耐熱性に優れたグラファイト系導電材料です。

グラファイト電極は、電気製鋼において重要な高温導電材料です。グラファイト電極は電気炉に電気エネルギーを供給するために使用され、電極端と装入物との間のアーク放電によって発生する高温を熱源として装入物を溶融し、製鋼を行います。黄リン、工業用シリコン、研磨材などの材料を製錬する他の鉱石炉でも、導電材料としてグラファイト電極が使用されています。グラファイト電極の優れた特殊な物理化学的特性は、他の産業分野でも幅広く活用されています。

黒鉛電極の製造に使用される原料は、石油コークス、ニードルコークス、およびコールタールピッチである。

石油コークスは、石炭残渣と石油ピッチをコークス化して得られる可燃性の固体製品です。色は黒色で多孔質であり、主成分は炭素で、灰分含有量は非常に低く、一般的に0.5%以下です。石油コークスは、容易に黒鉛化する炭素に分類されます。石油コークスは、化学工業や冶金工業において幅広い用途があり、人工黒鉛製品や電解アルミニウム用の炭素製品の製造における主要原料となっています。

石油コークスは、熱処理温度によって生コークスと焼成コークスの2種類に分けられる。前者の遅延コークス化によって得られる石油コークスは揮発性物質を多く含み、機械的強度が低い。焼成コークスは生コークスを焼成して得られる。中国の製油所のほとんどはコークスのみを生産しており、焼成工程は主に炭素工場で行われている。

石油コークスは、高硫黄コークス（硫黄含有量1.5%以上）、中硫黄コークス（硫黄含有量0.5%～1.5%）、低硫黄コークス（硫黄含有量0.5%未満）に分類される。黒鉛電極やその他の人工黒鉛製品の製造には、一般的に低硫黄コークスが用いられる。

ニードルコークスは、繊維状構造が明瞭で、熱膨張係数が非常に低く、黒鉛化しやすい高品質のコークスの一種です。コークスを破砕すると、その構造に応じて細長い帯状に切断できます（アスペクト比は一般的に1.75以上）。偏光顕微鏡下では異方性の繊維状構造が観察されるため、ニードルコークスと呼ばれています。

ニードルコークスの物理機械的特性の異方性は非常に顕著である。粒子長軸方向に平行な電気伝導性と熱伝導性に優れ、熱膨張係数も低い。押出成形時には、ほとんどの粒子の長軸が押出方向に整列する。そのため、ニードルコークスは高出力または超高出力グラファイト電極の製造における重要な原料となる。製造されたグラファイト電極は、低抵抗率、小さな熱膨張係数、優れた耐熱衝撃性を有する。

ニードルコークスは、石油残渣を原料とする油性ニードルコークスと、精製された石炭ピッチを原料とする石炭性ニードルコークスに分けられる。

コールタールは、コールタール深加工の主要製品の一つです。様々な炭化水素の混合物で、高温では黒色、高温では半固体または固体で、一定の融点はなく、加熱後に軟化して溶融し、密度は1.25～1.35 g/cm3です。軟化点によって、低温、中温、高温アスファルトに分類されます。中温アスファルトの収率は、コールタールの54～56%です。コールタールの組成は非常に複雑で、コールタールの特性やヘテロ原子の含有量に関係し、コークス化プロセスシステムやコールタール加工条件にも影響されます。コールタールピッチを特徴付ける指標は数多くあり、例えば、ビチューメン軟化点、トルエン不溶物（TI）、キノリン不溶物（QI）、コークス化値、コールタールピッチのレオロジーなどがあります。

コールタールは炭素産業において結合剤および含浸剤として使用され、その性能は炭素製品の製造工程および製品品質に大きな影響を与える。結合剤アスファルトとしては、一般的に、中温性または中温性改質アスファルトが用いられ、適度な軟化点、高いコークス化価、および高いβ樹脂含有量を有​​する。含浸剤としては、低軟化点、低いQI値、および良好なレオロジー特性を有する中温性アスファルトが用いられる。