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.
L'image suivante illustre le processus de production d'électrodes en graphite dans une entreprise spécialisée dans le carbone.
Calcination : La matière première carbonée est traitée thermiquement à haute température afin d’éliminer l’humidité et les matières volatiles qu’elle contient. Ce procédé de production, qui permet d’améliorer les performances de cuisson initiales, est appelé calcination. Généralement, la matière première carbonée est calcinée en utilisant du gaz et ses propres composés volatils comme source de chaleur, à une température maximale de 1 250 à 1 350 °C.
La calcination modifie profondément la structure et les propriétés physico-chimiques des matières premières carbonées, notamment en améliorant la densité, la résistance mécanique et la conductivité électrique du coke, en améliorant sa stabilité chimique et sa résistance à l'oxydation, jetant ainsi les bases du processus ultérieur.
L'équipement de calcination comprend principalement des fours à calcination à cuve, des fours rotatifs et des fours à calcination électriques. Les critères de contrôle qualité de la calcination sont les suivants : la densité réelle du coke de pétrole doit être supérieure ou égale à 2,07 g/cm³ et sa résistivité inférieure ou égale à 550 µΩ·m ; la densité réelle du coke d'aiguilles doit être supérieure ou égale à 2,12 g/cm³ et sa résistivité inférieure ou égale à 500 µΩ·m.
Broyage des matières premières et ingrédients
Avant le dosage, le coke de pétrole calciné en vrac et le coke en aiguilles doivent être concassés, broyés et tamisés.
Le concassage moyen est généralement effectué à l'aide d'équipements de concassage d'environ 50 mm, tels qu'un concasseur à mâchoires, un concasseur à marteaux, un concasseur à rouleaux, etc., afin de concasser davantage le matériau de taille 0,5-20 mm requis pour le dosage.
Le broyage est un procédé de broyage d'un matériau carboné en une petite particule pulvérulente de 0,15 mm ou moins et une taille de particule de 0,075 mm ou moins au moyen d'un broyeur à anneaux à suspension (broyeur Raymond), d'un broyeur à boulets ou similaire.
Le tamisage est un procédé qui consiste à séparer une grande variété de matériaux, après concassage, en plusieurs classes granulométriques, avec un écart de taille étroit, grâce à une série de tamis à ouvertures uniformes. La production d'électrodes nécessite généralement 4 à 5 granulés et 1 à 2 poudres de même granulométrie.
Les ingrédients correspondent aux procédés de production permettant de calculer, peser et concentrer les différents composants (granulats, poudres et liants) conformément aux exigences de la formulation. La pertinence scientifique de la formulation et la stabilité du dosage sont parmi les facteurs les plus importants influençant la qualité et les performances du produit.
La formule doit déterminer 5 aspects :
1. Sélectionnez le type de matières premières ;
2 déterminer la proportion des différents types de matières premières ;
3. Détermination de la composition granulométrique de la matière première solide ;
4. Déterminer la quantité de liant ;
5 Déterminer le type et la quantité d'additifs.
Pétrissage : Mélange et quantification de granules et de poudres carbonées de différentes tailles de particules avec une certaine quantité de liant à une certaine température, et pétrissage de la pâte plastique dans un processus appelé pétrissage.
Processus de pétrissage : mélange à sec (20-35 min) mélange humide (40-55 min)
Le rôle du pétrissage :
1 Lors du mélange à sec, les différentes matières premières sont mélangées uniformément, et les matériaux carbonés solides de différentes tailles de particules sont mélangés et remplis uniformément pour améliorer la compacité du mélange ;
2 Après l'ajout de brai de goudron de houille, le matériau sec et l'asphalte sont mélangés uniformément. L'asphalte liquide enrobe et mouille uniformément la surface des granulés pour former une couche de liaison asphaltique, et tous les matériaux sont liés entre eux pour former une pâte plastique homogène. Favorise le moulage ;
3 parts de brai de goudron de houille pénètrent dans l'espace intérieur du matériau carboné, augmentant ainsi la densité et la cohésion de la pâte.
Moulage : Le moulage de matériaux carbonés désigne le processus de déformation plastique de la pâte de carbone malaxée sous la force externe appliquée par l'équipement de moulage pour finalement former un corps vert (ou produit brut) ayant une certaine forme, taille, densité et résistance.
Types de moulage, équipements et produits fabriqués :
Méthode de moulage
Équipements communs
principaux produits
Moulage
Presse hydraulique verticale
carbone électrique, graphite à structure fine de faible qualité
Presser
extrudeuse hydraulique horizontale
extrudeuse à vis
Électrode en graphite, électrode carrée
moulage par vibration
machine de moulage par vibration
brique de carbone d'aluminium, brique de carbone de haut fourneau
Pressage isostatique
machine de moulage isostatique
graphite isotrope, graphite anisotrope
Opération de compression
1. Matériaux de refroidissement : matériaux de refroidissement pour disques, matériaux de refroidissement pour cylindres, matériaux de refroidissement pour mélange et pétrissage, etc.
Éliminer les composés volatils, abaisser la température à un niveau approprié (90-120 °C) pour améliorer l'adhérence, afin que la structure de la pâte soit uniforme pendant 20 à 30 minutes.
2 Chargement : déflecteur de levage de presse —– 2 à 3 coupes —- compactage de 4 à 10 MPa
3. Pré-pression : pression 20-25 MPa, durée 3-5 min, sous vide
4. Extrusion : presser le déflecteur (5-15 MPa) et le découper dans le dissipateur de refroidissement.
Paramètres techniques d'extrusion : taux de compression, température de la chambre de presse et de la buse, température de refroidissement, durée de la précontrainte, pression d'extrusion, vitesse d'extrusion, température de l'eau de refroidissement
Inspection des pièces brutes : masse volumique apparente, aspect, analyse
Calcination : Il s’agit d’un procédé dans lequel le corps cru de produit carboné est introduit dans un four de chauffage spécialement conçu à cet effet, sous la protection d’un matériau de remplissage, afin de réaliser un traitement thermique à haute température pour carboniser le brai de charbon contenu dans le corps cru. Le coke de bitume formé après la carbonisation solidifie les agrégats carbonés et les particules de poudre, et le produit carboné calciné présente une résistance mécanique élevée, une faible résistivité électrique, une bonne stabilité thermique et une bonne stabilité chimique.
La calcination est un procédé essentiel dans la production de produits carbonés et constitue une étape importante des trois principaux traitements thermiques nécessaires à la fabrication d'électrodes en graphite. Le cycle de calcination est long (22 à 30 jours pour la cuisson, 5 à 20 jours pour les fours à double cuisson) et énergivore. La qualité de la calcination à cru influe sur la qualité du produit fini et sur le coût de production.
Lors du grillage, le brai de charbon vert contenu dans le corps cru se cokéfie, entraînant l'élimination d'environ 10 % des matières volatiles. Le volume diminue de 2 à 3 % par retrait, et la perte de masse atteint 8 à 10 %. Les propriétés physico-chimiques du lingot de carbone sont également significativement modifiées. La porosité diminue de 1,70 g/cm³ à 1,60 g/cm³, et la résistivité chute de 10 000 μΩ·m à 40-50 μΩ·m, du fait de l'augmentation de la porosité. La résistance mécanique du lingot calciné reste élevée. Des améliorations sont possibles.
La cuisson secondaire est un procédé consistant à immerger le produit calciné puis à le calciner à nouveau afin de carboniser le brai présent dans ses pores. Les électrodes nécessitant une densité apparente plus élevée (toutes les variétés sauf RP) et les ébauches de joints doivent subir une cuisson secondaire. Ces dernières sont également soumises à un traitement en trois bains et quatre cuissons, ou en deux bains et trois cuissons.
Type de four principal du torréfacteur :
Fonctionnement en continu — four annulaire (avec ou sans couvercle), four tunnel
Fonctionnement intermittent — four inversé, torréfacteur sous plancher, torréfacteur à caisson
Courbe de calcination et température maximale :
Torréfaction unique — 320, 360, 422, 480 heures, 1250 °C
Torréfaction secondaire — 125, 240, 280 heures, 700-800 °C
Inspection des produits de boulangerie : aspect au toucher, résistivité électrique, masse volumique apparente, résistance à la compression, analyse de la structure interne
L'imprégnation est un procédé qui consiste à placer un matériau carboné dans un récipient sous pression et à immerger le brai liquide dans les pores de l'électrode, sous certaines conditions de température et de pression. Ce procédé vise à réduire la porosité du produit, à augmenter sa densité apparente et sa résistance mécanique, et à améliorer sa conductivité électrique et thermique.
Le procédé d'imprégnation et les paramètres techniques associés sont les suivants : grillage de la billette – nettoyage de surface – préchauffage (260-380 °C, 6-10 heures) – chargement du réservoir d'imprégnation – mise sous vide (8-9 kPa, 40-50 min) – injection de bitume (180-200 °C) – pressurisation (1,2-1,5 MPa, 3-4 heures) – retour à l'asphalte – refroidissement (à l'intérieur ou à l'extérieur du réservoir).
Contrôle des produits imprégnés : taux de prise de poids par imprégnation G=(W2-W1)/W1×100 %
Un taux de prise de poids descendant ≥14%
Taux de prise de poids du produit imprégné secondaire ≥ 9 %
Trois produits de trempage présentent un taux de prise de poids ≥ 5 %
La graphitisation désigne un procédé de traitement thermique à haute température dans lequel un produit carboné est chauffé à une température de 2300 °C ou plus dans un milieu protecteur, dans un four électrique à haute température, afin de convertir un carbone à structure lamellaire amorphe en une structure cristalline de graphite ordonnée tridimensionnelle.
Objectif et effets de la graphitisation :
1 améliorer la conductivité et la conductivité thermique du matériau en carbone (la résistivité est réduite de 4 à 5 fois et la conductivité thermique est augmentée d'environ 10 fois) ;
2 améliorer la résistance aux chocs thermiques et la stabilité chimique du matériau en carbone (coefficient de dilatation linéaire réduit de 50 à 80 %) ;
3 pour conférer au matériau en carbone des propriétés lubrifiantes et une résistance à l'abrasion ;
4. Éliminer les impuretés, améliorer la pureté du matériau carboné (la teneur en cendres du produit est réduite de 0,5-0,8 % à environ 0,3 %).
Réalisation du processus de graphitisation :
La graphitisation des matériaux carbonés s'effectue à haute température (2300-3000 °C). De ce fait, elle ne peut être réalisée industriellement que par chauffage électrique : le courant traverse directement le produit calciné chauffé, lequel est introduit dans le four et porté à haute température par ce courant. Le conducteur est lui-même chauffé à haute température.
Les fours actuellement les plus utilisés comprennent les fours de graphitisation Acheson et les fours à cascade thermique interne (LWG). Les premiers offrent un rendement élevé, un écart de température important et une forte consommation d'énergie. Les seconds, quant à eux, présentent un temps de chauffe court, une faible consommation d'énergie et une résistivité électrique uniforme, mais ne sont pas adaptés à l'installation de systèmes de chauffage.
Le contrôle du processus de graphitisation est assuré par la mesure de la courbe de puissance électrique adaptée à la montée en température. La durée d'alimentation est de 50 à 80 heures pour le four Acheson et de 9 à 15 heures pour le four LWG.
La consommation d'énergie de la graphitisation est très importante, généralement de 3200 à 4800 kWh, et le coût du procédé représente environ 20 à 35 % du coût total de production.
Contrôle des produits graphitisés : aspect, tapotements, essais de résistivité
Usinage : L'usinage mécanique des matériaux en graphite de carbone a pour but d'obtenir les dimensions, la forme, la précision, etc. requises en découpant le corps de l'électrode et les joints conformément aux exigences d'utilisation.
Le traitement des électrodes en graphite est divisé en deux processus de traitement indépendants : le corps de l’électrode et le joint.
L'usinage du corps comprend trois étapes : alésage et ébauche de la face d'extrémité plane, ébauche de la face d'extrémité plane et fraisage du filetage. L'usinage du joint conique se divise en six étapes : découpe, ébauche de la face d'extrémité plane, ébauche de la face du cône, fraisage du filetage, perçage du boulon et rainurage.
Raccordement des joints d'électrodes : raccordement conique (trois boucles et une boucle), raccordement cylindrique, raccordement à bosse (connexion mâle et femelle)
Contrôle de la précision d'usinage : écart de conicité du filetage, pas du filetage, écart du grand diamètre du joint (alésage), coaxialité et verticalité des alésages, planéité de la face d'extrémité de l'électrode, écart de contrôle en quatre points du joint. Vérifier à l'aide de calibres annulaires et de calibres plats spécifiques.
Contrôle des électrodes finies : précision, poids, longueur, diamètre, densité apparente, résistivité, tolérance de pré-assemblage, etc.
Date de publication : 31 octobre 2019