Matières premières et procédé de fabrication des électrodes en graphite
L'électrode en graphite est un matériau conducteur en graphite résistant aux hautes températures, produit à partir de pétrole, de coke d'aiguille comme agrégat et de bitume de charbon comme liant, et obtenu par une série de procédés tels que le malaxage, le moulage, le grillage, l'imprégnation, la graphitisation et le traitement mécanique.
L'électrode en graphite est un matériau conducteur haute température essentiel pour la production d'acier électrique. Elle sert à alimenter le four électrique en énergie électrique, et la haute température générée par l'arc électrique entre l'extrémité de l'électrode et la charge est utilisée comme source de chaleur pour la fusion de cette dernière. D'autres fours de traitement de minerais, utilisés pour la fusion de matériaux tels que le phosphore jaune, le silicium industriel et les abrasifs, emploient également des électrodes en graphite. Les excellentes propriétés physico-chimiques des électrodes en graphite leur confèrent également de nombreuses applications dans d'autres secteurs industriels.
Les matières premières pour la production d'électrodes en graphite sont le coke de pétrole, le coke d'aiguilles et le brai de goudron de houille.
Le coke de pétrole est un produit solide inflammable obtenu par cokéfaction des résidus de charbon et du brai de pétrole. De couleur noire et poreux, il est principalement composé de carbone et sa teneur en cendres est très faible, généralement inférieure à 0,5 %. Le coke de pétrole appartient à la famille des carbones facilement graphitisables. Il trouve de nombreuses applications dans les industries chimiques et métallurgiques. C'est la principale matière première pour la production de graphite artificiel et de produits carbonés destinés à l'électrolyse de l'aluminium.
Le coke de pétrole se divise en deux catégories : le coke brut et le coke calciné, selon la température de traitement thermique. Le coke brut, obtenu par cokéfaction différée, contient une grande quantité de matières volatiles et sa résistance mécanique est faible. Le coke calciné est obtenu par calcination du coke brut. La plupart des raffineries chinoises produisent uniquement du coke, et les opérations de calcination sont généralement réalisées dans des usines de production de carbone.
Le coke de pétrole se divise en trois catégories : coke à haute teneur en soufre (plus de 1,5 %), coke à teneur moyenne en soufre (0,5 % à 1,5 %) et coke à faible teneur en soufre (moins de 0,5 %). La fabrication d’électrodes en graphite et d’autres produits en graphite artificiel se fait généralement à partir de coke à faible teneur en soufre.
Le coke aciculaire est un coke de haute qualité présentant une texture fibreuse marquée, un coefficient de dilatation thermique très faible et une graphitisation aisée. Lorsqu'il est cassé, il se divise en fines lamelles selon sa texture (le rapport d'aspect est généralement supérieur à 1,75). Une structure fibreuse anisotrope est observable au microscope polarisant, d'où son appellation de coke aciculaire.
L'anisotropie des propriétés physico-mécaniques du coke d'aiguilles est très marquée. Il présente une bonne conductivité électrique et thermique parallèle à l'axe longitudinal des particules, et son coefficient de dilatation thermique est faible. Lors du moulage par extrusion, l'axe longitudinal de la plupart des particules est orienté dans le sens de l'extrusion. De ce fait, le coke d'aiguilles est une matière première essentielle à la fabrication d'électrodes en graphite haute ou très haute puissance. L'électrode en graphite ainsi produite présente une faible résistivité, un faible coefficient de dilatation thermique et une bonne résistance aux chocs thermiques.
Le coke d'aiguille se divise en coke d'aiguille à base d'huile, produit à partir de résidus pétroliers, et en coke d'aiguille à base de charbon, produit à partir de matières premières raffinées de brai de charbon.
Le goudron de houille est l'un des principaux produits de la transformation du goudron de houille. C'est un mélange de divers hydrocarbures, noir à haute température, semi-solide ou solide à haute température, sans point de fusion fixe. Il ramollit après chauffage, puis fond, avec une densité de 1,25 à 1,35 g/cm³. Selon son point de ramollissement, on distingue les asphaltes basse température, moyenne température et haute température. Le rendement en asphalte moyenne température représente 54 à 56 % du goudron de houille. La composition du goudron de houille est extrêmement complexe ; elle est liée à ses propriétés et à sa teneur en hétéroatomes, et est également influencée par le système de cokéfaction et les conditions de transformation. De nombreux indicateurs permettent de caractériser le brai de goudron de houille, tels que le point de ramollissement du bitume, les insolubles dans le toluène (TI), les insolubles dans la quinoléine (QI), l'indice de cokéfaction et la rhéologie du brai.
Le goudron de houille est utilisé comme liant et imprégnant dans l'industrie du carbone, et ses performances influent fortement sur le procédé de fabrication et la qualité des produits carbonés. Le liant bitumineux est généralement un bitume moyen-température ou un bitume moyen-température modifié, présentant un point de ramollissement modéré, un indice de cokéfaction élevé et une forte teneur en résine β. L'agent d'imprégnation est un bitume moyen-température à bas point de ramollissement, à faible indice de qualité et aux bonnes propriétés rhéologiques.
Date de publication : 23 septembre 2019