В чем разница между кальцинированным коксом, полученным при быстром нагреве, и медленным нагревом? 

При условии достижения одной и той же типичной температуры конечной точки обжига – 1250-1350°C – обожженный кокс, полученный при быстром и медленном нагреве, демонстрирует систематические различия в выходе, плотности, электрическом сопротивлении, реакционной способности и микроструктуре. Это не просто вопрос того, “полностью ли он прокален” — скорее, термическая история процесса нагрева существенно меняет качество углеродного материала.

1. Выход: Медленный нагрев значительно улучшает качество углеродного материала.

Экспериментальные данные ясно показывают, что при медленном нагреве до температуры 900°C выход заметно выше, чем при быстром нагреве. Причина в том, что при медленном нагреве летучие вещества имеют достаточно времени для постепенного удаления, поэтому внутренняя часть частиц кокса не разрушается и не разлетается из-за резкого расширения газа. Быстрый нагрев, напротив, приводит к выделению летучих веществ в больших количествах в течение короткого периода времени, что делает частицы кокса склонными к крошению и измельчению в порошок, что снижает выход продукта. Более того, переломный момент наступает примерно при температуре 1150°C — выход всех четырех видов нефтяного кокса резко падает после этой температуры, но потери при медленном нагреве неизменно меньше. Для сырья с высоким содержанием влаги и большим количеством мелкодисперсного кокса недостаток выхода при быстром нагреве еще более очевиден.

2. Истинная плотность и насыпной вес: Быстрый нагрев на самом деле более эффективен, но требует больших затрат

Быстрый нагрев (порядка 103 К/с) требует чрезвычайно короткого времени нагрева, поэтому кокс подвергается меньшей термической обработке, сохраняет больше активных участков, а его микроструктура полностью не перестраивается и не уплотняется — отсюда его более высокая реакционная способность. Однако с точки зрения показателей плотности истинная плотность и объемный вес, полученные при быстром нагреве после 900°C, часто выше — поскольку степень структурной упорядоченности “замораживается” на относительно высоком уровне. Хотя медленный нагрев позволяет структуре полностью перестроиться в сторону уплотнения, длительное воздействие высокой температуры также приводит к окислению и выгоранию части углерода, поэтому, несмотря на снижение выхода, показатели плотности не обязательно улучшаются.

Стоит отметить, что соответствующее снижение скорости нагрева в диапазоне высоких температур (900-1300°C) на самом деле помогает улучшить плотность и стойкость к окислению. Это показывает, что быстрее не всегда лучше — ритмичность нагрева на стадии высоких температур также важна.

3. Электрическое сопротивление: Медленный нагрев в большей степени способствует снижению удельного сопротивления

Удельное электрическое сопротивление уменьшается с повышением температуры прокаливания, резко снижаясь в диапазоне 1050-1100°C, а затем выравниваясь. Медленный нагрев позволяет углеродной структуре полностью графитизироваться и становиться более упорядоченной, создавая более полные проводящие пути, и, таким образом, приводит к снижению удельного сопротивления. Быстрый нагрев также может снизить удельное сопротивление, но поскольку структурная перестройка происходит менее тщательно, эффект не такой хороший, как при медленном нагреве. Из сырья с низким содержанием серы и золы в сочетании с медленным нагревом легче всего получить кальцинированный кокс с низким удельным сопротивлением (удельное сопротивление порошка можно регулировать на уровне ниже 650 Мкомоль·м).

4. Реакционная способность: кокс с быстрым нагревом более “живой”.

Это самое принципиальное различие между ними. Кокс, получаемый при быстром нагреве, сохраняет большое количество активных центров, поскольку после нагревания он не выдерживается при определенной температуре достаточно долго, поэтому его реакционная способность как по CO₂, так и по воздуху выше. Эксперименты показывают, что при различных скоростях нагрева реакционная способность распределяется следующим образом: кокс для быстрого нагрева > кокс для быстрого нагрева с выдержкой 3 с > кокс для медленного нагрева. Особенно для видов угля с хорошей реакционной способностью (таких как мелкосерийный уголь), скорость нагрева влияет еще сильнее — разница в реакционной способности между быстрым и медленным нагревом может достигать нескольких раз.

Но это палка о двух концах: хотя быстрорастворимый кокс обладает высокой реакционной способностью, он более подвержен дезактивации из-за окисления при хранении и транспортировке. Медленно нагревающийся кокс обладает более низкой реакционной способностью, но лучшей химической стабильностью, что делает его более подходящим для длительного хранения и последующего применения со строгими требованиями к реакционной способности (например, для предварительно обожженных анодов).

5. Микроструктура и поведение примесей

Медленный нагрев способствует образованию микропор — более длительное время выдержки позволяет образоваться большому количеству микропор диаметром менее 8 нм. Удельная поверхность при низких температурах (например, 500°C) на самом деле может быть меньше, чем при быстром нагреве, но при температуре выше 800°C увеличение удельной поверхности при медленном нагреве более значительно. С другой стороны, быстрый нагрев приводит к быстрому увеличению диаметра пор в диапазоне менее 2,5 нм, в результате чего структура пор становится более склонной к более крупным порам.

На каталитическое действие примесных элементов также влияет скорость нагрева: Ca и Na оказывают сильное каталитическое действие на реакционную способность Co₂, S может ингибировать этот катализ, а V сильно катализирует реакционную способность воздуха. При быстром нагревании каталитические эффекты этих примесей легче “активируются”, что приводит к более высокой реакционной способности.

В одном предложении: Медленный нагрев снижает выход продукта в ущерб качеству — более высокий выход, более низкое удельное сопротивление, лучшая стабильность; быстрый нагрев сохраняет выход, но повышает реакционную способность и снижает стабильность. Оптимальной промышленной стратегией часто является “сначала медленно, потом быстро”: медленный нагрев до температуры 900 °C для сохранения урожая, затем соответствующее увеличение температуры после 900 °C для повышения плотности, выбор конечной температуры 1200°C вместо 1300°C для достижения наилучшего баланса между потреблением энергии, урожайность и качество.