Processus de production d'électrodes de graphite

L'électrode de graphite est un matériau conducteur de graphite résistant aux hautes températures produit par pétrissage de pétrole, de coke d'aiguille comme agrégat et de bitume de charbon comme liant, qui sont produits par une série de processus tels que le pétrissage, le moulage, la torréfaction, l'imprégnation, la graphitisation et le traitement mécanique. matériel.

L'électrode de graphite est un matériau conducteur à haute température important pour la fabrication de l'acier électrique. L'électrode de graphite est utilisée pour alimenter le four électrique en énergie électrique, et la température élevée générée par l'arc entre l'extrémité de l'électrode et la charge est utilisée comme source de chaleur pour faire fondre la charge pour la fabrication de l'acier. D'autres fours à minerai qui fondent des matériaux tels que le phosphore jaune, le silicium industriel et les abrasifs utilisent également des électrodes en graphite comme matériaux conducteurs. Les excellentes propriétés physiques et chimiques particulières des électrodes en graphite sont également largement utilisées dans d’autres secteurs industriels.
Les matières premières pour la production d'électrodes de 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 de résidus de charbon et de brai de pétrole. La couleur est noire et poreuse, l'élément principal est le carbone et la teneur en cendres est très faible, généralement inférieure à 0,5 %. Le coke de pétrole appartient à la classe des carbones facilement graphitables. Le coke de pétrole a un large éventail d'utilisations dans les industries chimiques et métallurgiques. C'est la principale matière première pour la production de produits en graphite artificiel et de produits en carbone pour l'aluminium électrolytique.

Le coke de pétrole peut être divisé en deux types : le coke brut et le coke calciné selon la température de traitement thermique. L'ancien coke de pétrole obtenu par cokéfaction retardée contient une grande quantité de matières volatiles et la résistance mécanique est faible. Le coke calciné est obtenu par calcination de coke brut. La plupart des raffineries chinoises ne produisent que du coke et les opérations de calcination sont principalement réalisées dans des usines de charbon.

Le coke de pétrole peut être divisé en coke à haute teneur en soufre (contenant plus de 1,5 % de soufre), coke à soufre moyen (contenant 0,5 à 1,5 % de soufre) et coke à faible teneur en soufre (contenant moins de 0,5 % de soufre). La production d'électrodes de graphite et d'autres produits en graphite artificiel est généralement réalisée à partir de coke à faible teneur en soufre.

Le coke aiguilleté est une sorte de coke de haute qualité avec une texture fibreuse évidente, un très faible coefficient de dilatation thermique et une graphitisation facile. Lorsque le coke est brisé, il peut être divisé en fines bandes selon sa texture (le rapport hauteur/largeur est généralement supérieur à 1,75). Une structure fibreuse anisotrope peut être observée au microscope polarisant et est donc appelée coke d'aiguille.

L’anisotropie des propriétés physico-mécaniques du coke aiguilleté est très évidente. Il a une bonne conductivité électrique et thermique parallèle à la direction de l'axe long de la particule et le coefficient de dilatation thermique est faible. Lors du moulage par extrusion, le grand axe de la plupart des particules est disposé dans le sens de l'extrusion. Par conséquent, le coke d’aiguilles est la matière première clé pour la fabrication d’électrodes de graphite de haute ou ultra-haute puissance. L'électrode de graphite produite présente une faible résistivité, un faible coefficient de dilatation thermique et une bonne résistance aux chocs thermiques.

Le coke d'aiguilles est divisé en coke d'aiguilles à base de pétrole produit à partir de résidus pétroliers et en coke d'aiguilles à base de charbon produit à partir de matières premières de brai de charbon raffiné.

Le goudron de houille est l’un des principaux produits issus du traitement en profondeur du goudron de houille. C'est un mélange de divers hydrocarbures, noirs à haute température, semi-solides ou solides à haute température, sans point de fusion fixe, ramollis après chauffage, puis fondus, d'une densité de 1,25 à 1,35 g/cm3. Selon son point de ramollissement, il est divisé en asphalte à basse température, à température moyenne et à haute température. Le rendement de l'asphalte à température moyenne est de 54 à 56 % du goudron de houille. La composition du goudron de houille est extrêmement complexe, car elle est liée aux propriétés du goudron de houille et à la teneur en hétéroatomes, et est également affectée par le système de processus de cokéfaction et les conditions de traitement du goudron de houille. Il existe de nombreux indicateurs pour 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), les valeurs de cokéfaction et la rhéologie du brai de houille.

Le goudron de houille est utilisé comme liant et imprégnant dans l'industrie du carbone, et ses performances ont un impact important sur le processus de production et la qualité des produits à base de carbone. L'asphalte liant utilise généralement un asphalte modifié à température moyenne ou à température moyenne ayant un point de ramollissement modéré, un indice de cokéfaction élevé et une résine β élevée. L'agent d'imprégnation est un asphalte à température moyenne ayant un faible point de ramollissement, un faible QI et de bonnes propriétés rhéologiques.

L'image suivante montre le processus de production d'électrodes de graphite dans une entreprise de carbone.
Calcination : La matière première carbonée est traitée thermiquement à haute température pour évacuer l'humidité et les matières volatiles qu'elle contient, et le processus de production correspondant à l'amélioration des performances de cuisson d'origine est appelé calcination. Généralement, la matière première carbonée est calcinée en utilisant du gaz et ses propres substances volatiles comme source de chaleur, et la température maximale est de 1 250 à 1 350 °C.

La calcination modifie profondément la structure et les propriétés physicochimiques des matières premières carbonées, principalement en améliorant la densité, la résistance mécanique et la conductivité électrique du coke, en améliorant la stabilité chimique et la résistance à l'oxydation du coke, jetant ainsi les bases du processus ultérieur. .

L'équipement calciné comprend principalement le calcinateur à cuve, le four rotatif et le calcinateur électrique. L'indice de contrôle de qualité de la calcination est que la densité réelle du coke de pétrole n'est pas inférieure à 2,07 g/cm3, la résistivité n'est pas supérieure à 550 μΩ.m, la densité réelle du coke aiguilleté n'est pas inférieure à 2,12 g/cm3 et la la résistivité n'est pas supérieure à 500μΩ.m.
Concassage de matières premières et ingrédients

Avant le dosage, le coke de pétrole calciné en vrac et le coke aiguilleté doivent être broyés, broyés et tamisés.

Le concassage moyen est généralement effectué par un équipement de concassage d'environ 50 mm à travers un concasseur à mâchoires, un concasseur à marteaux, un concasseur à rouleaux et autres pour broyer davantage le matériau de taille 0,5 à 20 mm requis pour le dosage.

Le broyage est un processus de broyage d'un matériau carboné en une petite particule pulvérulente de 0,15 mm ou moins et d'une taille de particule de 0,075 mm ou moins au moyen d'un broyeur à rouleaux annulaires de type suspension (broyeur Raymond), d'un broyeur à boulets ou similaire. .

Le criblage est un processus dans lequel une large gamme de matériaux, après un concassage, est divisé en plusieurs plages granulométriques avec une gamme étroite de tailles à travers une série de tamis à ouvertures uniformes. La production actuelle d’électrodes nécessite généralement 4 à 5 pastilles et 1 à 2 qualités de poudre.

Les ingrédients sont les processus de production permettant de calculer, peser et concentrer les différents agrégats de granulats et de poudres et liants selon les exigences de formulation. L'adéquation scientifique de la formulation et la stabilité de l'opération de dosage sont parmi les facteurs les plus importants affectant l'indice de qualité et les performances du produit.

La formule doit déterminer 5 aspects :
1Sélectionnez le type de matières premières ;
2 déterminer la proportion de différents types de matières premières ;
3 déterminer la composition granulométrique de la matière première solide ;
4 déterminer la quantité de liant ;
5 Déterminez le type et la quantité d'additifs.

Pétrissage : Mélanger et quantifier des granulés et poudres carbonés de différentes tailles de particules avec une certaine quantité de liant à une certaine température, et malaxer la pâte de plasticité dans un processus appelé pétrissage.

Processus de pétrissage : mélange sec (20-35 min) mélange humide (40-55 min)

Le rôle du pétrissage :
1 Lors du mélange à sec, les différentes matières premières sont uniformément mélangées et les matériaux carbonés solides de différentes tailles de particules sont uniformément mélangés et remplis pour améliorer la compacité du mélange ;
2 Après avoir ajouté du brai de goudron de houille, le matériau sec et l'asphalte sont uniformément mélangés. L'asphalte liquide recouvre et mouille uniformément la surface des granulés pour former une couche de couche de liaison asphaltique, et tous les matériaux sont liés les uns aux autres pour former un frottis plastique homogène. Propice au moulage ;
3 parties de brai de goudron de houille pénètrent dans l'espace interne du matériau carboné, augmentant encore la densité et la cohésion de la pâte.

Moulage : Le moulage d'un matériau carboné fait référence au 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. processus.

Types de moulage, équipements et produits fabriqués :
Méthode de moulage
Équipement commun
principaux produits
Moulage
Presse hydraulique verticale
Carbone électrique, graphite à structure fine de faible qualité
Presser
Extrudeuse hydraulique horizontale
Extrudeuse à vis
Électrode de graphite, électrode carrée
Moulage vibratoire
Machine de moulage par vibration
Brique de carbone en aluminium, brique de carbone de haut fourneau
Pressage isostatique
Machine de moulage isostatique
Graphite isotrope, graphite anisotrope

Opération de compression
1 matériau frais : matériau de refroidissement à disque, matériau de refroidissement à cylindre, mélange et pétrissage des matériaux de refroidissement, etc.
Évacuer les substances volatiles, réduire à une température appropriée (90-120°C) pour augmenter l'adhérence, de sorte que le caractère collant de la pâte soit uniforme pendant 20-30 min.
2 Chargement : déflecteur de levage par presse –– coupe 2 à 3 fois – compactage de 4 à 10 MPa
3 pré-pression : pression 20-25MPa, temps 3-5min, pendant l'aspiration
4 extrusion : appuyez sur le déflecteur — extrusion 5-15 MPa — coupé — dans l'évier de refroidissement

Paramètres techniques de l'extrusion : taux de compression, température de la chambre de presse et de la buse, température de refroidissement, temps de pression de précharge, pression d'extrusion, vitesse d'extrusion, température de l'eau de refroidissement

Contrôle des corps crus : densité apparente, taraudage d'aspect, analyse

Calcination : Il s'agit d'un processus dans lequel le corps vert du produit carboné est rempli dans un four de chauffage spécialement conçu sous la protection de la charge pour effectuer un traitement thermique à haute température afin de carboniser le brai de charbon dans le corps vert. Le coke de bitume formé après la carbonisation du bitume de charbon solidifie ensemble l'agrégat carboné et les particules de poudre, et le produit de carbone calciné présente une résistance mécanique élevée, une faible résistivité électrique, une bonne stabilité thermique et une stabilité chimique. .

La calcination est l'un des principaux processus de production de produits carbonés et constitue également une partie importante des trois principaux processus de traitement thermique de la production d'électrodes en graphite. Le cycle de production de calcination est long (22 à 30 jours pour la cuisson, 5 à 20 jours pour les fours pour 2 cuissons) et une consommation d'énergie plus élevée. La qualité de la torréfaction verte a un impact sur la qualité du produit fini et sur le coût de production.

Le brai de charbon vert dans le corps vert est cokéfié pendant le processus de torréfaction, et environ 10 % des matières volatiles sont évacuées, le volume est produit par un retrait de 2 à 3 % et la perte de masse est de 8 à 10 %. Les propriétés physiques et chimiques de la billette de carbone ont également changé de manière significative. La porosité a diminué de 1,70 g/cm3 à 1,60 g/cm3 et la résistivité a diminué de 10 000 μΩ·m à 40-50 μΩ·m en raison de l'augmentation de la porosité. La résistance mécanique de la billette calcinée était également importante. Pour amélioration.

La cuisson secondaire est un procédé dans lequel le produit calciné est immergé puis calciné pour carboniser le brai immergé dans les pores du produit calciné. Les électrodes qui nécessitent une densité apparente plus élevée (toutes les variétés sauf RP) et les ébauches de joint doivent être bicuites, et les ébauches de joint sont également soumises à trois cuissons à quatre cuissons ou à trois cuissons à deux trempages.

Type de four principal de torréfacteur :
Fonctionnement continu : four annulaire (avec couvercle, sans couvercle), four tunnel
Fonctionnement intermittent : four inversé, torréfacteur sous le sol, torréfacteur en boîte

Courbe de calcination et température maximale :
Rôtissage unique : -320, 360, 422, 480 heures, 1 250 °C
Torréfaction secondaire : 125, 240, 280 heures, 700-800 °C

Contrôle des produits cuits : aspect taraudage, résistivité électrique, densité apparente, résistance à la compression, analyse de la structure interne

L'imprégnation est un processus dans lequel un matériau carboné est placé dans un récipient sous pression et le brai liquide d'imprégnation est immergé dans les pores de l'électrode produit dans certaines conditions de température et de pression. Le but est de réduire la porosité du produit, d'augmenter la densité apparente et la résistance mécanique du produit et d'améliorer la conductivité électrique et thermique du produit.

Le processus d'imprégnation et les paramètres techniques associés sont : torréfaction de la billette – nettoyage de la surface – préchauffage (260-380 °C, 6-10 heures) – chargement du réservoir d'imprégnation – aspiration (8-9KPa, 40-50min) – Injection de bitume (180 -200 °C) – Pressurisation (1,2-1,5 MPa, 3-4 heures) – Retour sur asphalte – Refroidissement (à l'intérieur ou à l'extérieur du réservoir)

Contrôle des produits imprégnés : taux de gain de poids d'imprégnation G=(W2-W1)/W1×100%
Un taux de gain de poids en baisse ≥14 %
Taux de gain de poids du produit imprégné secondaire ≥ 9%
Taux de gain de poids de trois produits de trempage ≥ 5 %

La graphitisation fait référence à un processus de traitement thermique à haute température dans lequel un produit carboné est chauffé à une température de 2 300 °C ou plus dans un milieu protecteur dans un four électrique à haute température pour convertir un carbone à structure en couches amorphe en un carbone tridimensionnel ordonné. structure cristalline de graphite.

Le but et l'effet de la graphitisation :
1 améliorer la conductivité et la conductivité thermique du matériau carboné (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 carboné (coefficient de dilatation linéaire réduit de 50 à 80 %) ;
3 pour rendre le matériau en carbone lubrifiant et résistant à l'abrasion ;
4 Impuretés d'échappement, améliorent la pureté du matériau carboné (la teneur en cendres du produit est réduite de 0,5 à 0,8 % à environ 0,3 %).

La réalisation du procédé de graphitisation :

La graphitisation du matériau carboné est effectuée à une température élevée de 2 300 à 3 000 °C, elle ne peut donc être réalisée que par chauffage électrique dans l'industrie, c'est-à-dire que le courant traverse directement le produit calciné chauffé et le produit calciné est chargé. dans le four est généré par le courant électrique à haute température. Le conducteur est à nouveau un objet chauffé à haute température.

Les fours actuellement largement utilisés comprennent les fours de graphitisation Acheson et les fours à cascade de chaleur interne (LWG). Le premier a un rendement élevé, une grande différence de température et une consommation d’énergie élevée. Ce dernier a un temps de chauffage court, une faible consommation d'énergie, une résistivité électrique uniforme et n'est pas adapté au montage.

Le contrôle du processus de graphitisation est contrôlé en mesurant la courbe de puissance électrique adaptée aux conditions d'augmentation de la température. Le temps d'alimentation électrique 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 3 200 à 4 800 kWh, et le coût du processus représente environ 20 à 35 % du coût de production total.

Contrôle des produits graphités : taraudage d'aspect, test de résistivité

Usinage : le but de l'usinage mécanique des matériaux en graphite de carbone est d'obtenir la taille, la forme, la précision, etc. requises par découpe pour fabriquer le corps de l'électrode et les joints conformément aux exigences d'utilisation.

Le traitement des électrodes de graphite est divisé en deux processus de traitement indépendants : le corps d'électrode et le joint.

Le traitement du corps comprend trois étapes d'alésage et de face d'extrémité plate rugueuse, de cercle extérieur et de face d'extrémité plate et de filetage de fraisage. Le traitement du joint conique peut être divisé en 6 processus : coupe, face d'extrémité plate, face conique de voiture, filetage de fraisage, boulon de perçage et rainurage.

Connexion des joints d'électrodes : connexion à joint conique (trois boucles et une boucle), connexion à joint cylindrique, connexion à bosse (connexion mâle et femelle)

Contrôle de la précision d'usinage : déviation du cône du filetage, pas du filetage, déviation du grand diamètre du joint (trou), coaxialité du trou de joint, verticalité du trou de joint, planéité de la face d'extrémité de l'électrode, déviation à quatre points du joint. Vérifiez avec des jauges annulaires et des jauges à plaques spéciales.

Contrôle des électrodes finies : précision, poids, longueur, diamètre, densité apparente, résistivité, tolérance de pré-assemblage, etc.