Zasadnicze różnice w procesie kalcynacji między koksem na bazie oleju a koksem na bazie węgla wynikają z odmiennych ścieżek reakcji, wynikających z różnic w składzie chemicznym surowców, co z kolei prowadzi do znacznych różnic w ewolucji struktury krystalicznej, zmian właściwości fizycznych i trudności w kontroli procesu. Szczegółowa analiza przedstawia się następująco:
1. Różnice w składzie chemicznym surowców stanowią podstawę zachowania się kalcynacji
Koks na bazie ropy naftowej powstaje z ciężkich destylatów, takich jak pozostałości po przeróbce ropy naftowej i klarowany olej z krakingu katalitycznego. Jego skład chemiczny charakteryzuje się przede wszystkim krótkimi, liniowo połączonymi wielopierścieniowymi węglowodorami aromatycznymi o łańcuchach bocznych, o stosunkowo niskiej zawartości siarki, azotu, tlenu i heteroatomów metali, a także minimalnej zawartości zanieczyszczeń stałych i substancji nierozpuszczalnych w chinolinie. W procesie kalcynacji dominują reakcje pirolizy, charakteryzujące się stosunkowo prostą ścieżką reakcji i dokładnym usuwaniem zanieczyszczeń.
Natomiast koks węglowy jest produkowany z paku węglowego i jego destylatów, które zawierają większą ilość długołańcuchowych i skondensowanych wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, a także znaczne ilości siarki, azotu, heteroatomów tlenu i zanieczyszczeń stałych. Złożony skład koksu węglowego prowadzi nie tylko do reakcji pirolizy, ale także do licznych reakcji kondensacji podczas kalcynacji, co skutkuje bardziej złożoną ścieżką reakcji i większymi trudnościami w usuwaniu zanieczyszczeń.
2. Różnice w ewolucji struktury krystalicznej wpływają na właściwości materiału
Podczas kalcynacji, mikrokryształy węgla w koksie na bazie ropy naftowej stopniowo zwiększają średnicę (La), wysokość (Lc) i liczbę warstw w kryształach (N). Zawartość idealnych mikrokryształów grafitu (Ig/Iall) również znacząco wzrasta. Chociaż Lc doświadcza „punktu przegięcia” z powodu ucieczki substancji lotnych i kurczenia się surowego koksu, ogólna struktura krystaliczna staje się bardziej regularna, z wyższym stopniem grafityzacji. Ta ewolucja strukturalna nadaje koksowi na bazie ropy naftowej doskonałe właściwości, takie jak niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, niska rezystywność elektryczna i wysoka przewodność elektryczna po kalcynacji, co czyni go szczególnie odpowiednim do produkcji dużych elektrod grafitowych o ultrawysokiej mocy.
Podobnie, struktura mikrokrystaliczna węgla w koksie węglowym ewoluuje wraz ze wzrostem zawartości La, Lc i N podczas kalcynacji. Jednakże, ze względu na wpływ zanieczyszczeń i reakcji kondensacji w surowcu, występuje więcej defektów krystalicznych, a wzrost idealnej zawartości mikrokryształów grafitu jest ograniczony. Ponadto, zjawisko „punktu przegięcia” dla Lc jest wyraźniejsze w koksie węglowym, a nowo dodane warstwy wykazują losowe „błędy ułożenia” w stosunku do warstw pierwotnych, co prowadzi do znacznych wahań odstępów międzywarstwowych (d002). Te cechy strukturalne powodują, że koks węglowy ma niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej i rezystywność elektryczną niż koks na bazie ropy naftowej po kalcynacji, ale gorszą wytrzymałość i odporność na ścieranie, co czyni go bardziej odpowiednim do produkcji elektrod dużej mocy i elektrod ultrawysokiej mocy średniej wielkości.
3. Różnice w zmianach właściwości fizycznych determinują obszary zastosowań
Podczas kalcynacji koks na bazie oleju ulega całkowitemu uwolnieniu części lotnych i równomiernemu skurczowi objętości, co skutkuje znacznym wzrostem gęstości rzeczywistej (do 2,00–2,12 g/cm³) i znaczną poprawą wytrzymałości mechanicznej. Jednocześnie przewodność elektryczna, odporność na utlenianie i stabilność chemiczna kalcynowanego materiału ulegają znacznej poprawie, spełniając rygorystyczne wymagania dotyczące wydajności dla wysokiej jakości produktów grafitowych.
Natomiast koks węglowy, ze względu na wyższą zawartość zanieczyszczeń, doświadcza lokalnej koncentracji naprężeń podczas ucieczki części lotnych, co prowadzi do nierównomiernego skurczu objętościowego i stosunkowo mniejszego wzrostu gęstości rzeczywistej. Ponadto, niższa wytrzymałość i gorsza odporność na ścieranie koksu węglowego po kalcynacji, a także jego tendencja do rozszerzania się podczas grafityzacji wysokotemperaturowej, wymagają ścisłej kontroli tempa wzrostu temperatury. Te właściwości ograniczają zastosowanie koksu węglowego w zaawansowanych dziedzinach, chociaż jego niski współczynnik rozszerzalności cieplnej i rezystywność elektryczna nadal sprawiają, że jest on niezastąpiony w niektórych obszarach.
4. Różnice w trudnościach związanych z kontrolą procesów wpływają na wydajność produkcji
Ze względu na stosunkowo prosty skład chemiczny, koks na bazie oleju charakteryzuje się przejrzystymi ścieżkami reakcji podczas kalcynacji, co przekłada się na mniejsze trudności w kontroli procesu. Optymalizacja parametrów, takich jak temperatura kalcynacji, szybkość nagrzewania i kontrola atmosfery, pozwala na skuteczną poprawę jakości i wydajności kalcynowanych produktów. Ponadto, wysoka zawartość części lotnych w koksie na bazie oleju zapewnia samowystarczalność energetyczną podczas kalcynacji, co obniża koszty produkcji.
Z kolei złożony skład chemiczny koksu węglowego prowadzi do zróżnicowanych ścieżek reakcji podczas kalcynacji, co utrudnia kontrolę procesu. Aby zapewnić stabilną jakość produktu po kalcynacji, wymagana jest ścisła obróbka wstępna surowca, precyzyjna kontrola szybkości nagrzewania oraz specjalna regulacja atmosfery. Ponadto koks węglowy wymaga dodatkowego uzupełniania energii cieplnej podczas kalcynacji, co zwiększa koszty produkcji i zużycie energii.
Czas publikacji: 07-04-2026