L'électrode en graphite est un matériau conducteur en graphite résistant aux hautes températures produit par malaxage de pétrole, coke d'aiguilles comme agrégat et bitume de charbon comme liant, qui sont produits par une série de processus tels que le malaxage, le moulage, la torréfaction, l'imprégnation, la graphitisation et le traitement mécanique.
L'électrode en graphite est un matériau conducteur haute température important pour la fabrication de l'acier électrique. Elle sert à alimenter le four électrique en énergie électrique, et la température élevée générée par l'arc électrique entre l'extrémité de l'électrode et la charge sert de source de chaleur pour la fusion de la charge et 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 en graphite sont le coke de pétrole, le coke en 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. De couleur noire et poreuse, il est principalement constitué de carbone et sa teneur en cendres est très faible, généralement inférieure à 0,5 %. Il appartient à la classe des carbones facilement graphitisables. Il est largement utilisé dans les industries chimique et métallurgique. Il constitue la principale matière première pour la production de graphite artificiel et de produits carbonés pour l'électrolyse de l'aluminium.
Le coke de pétrole peut être divisé en deux types : 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 composés volatils et présente une faible résistance mécanique. Le coke calciné est obtenu par calcination du 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 se divise en coke à haute teneur en soufre (plus de 1,5 %), coke à teneur moyenne en soufre (entre 0,5 et 1,5 %) et coke à faible teneur en soufre (moins de 0,5 %). La production d'électrodes en graphite et d'autres produits en graphite artificiel est généralement réalisée à partir de coke à faible teneur en soufre.
Le coke en aiguilles est un coke de haute qualité présentant une texture fibreuse marquée, un très faible coefficient de dilatation thermique et une graphitisation aisée. Une fois brisé, le coke peut être fractionné en fines lamelles selon sa texture (le rapport d'aspect est généralement supérieur à 1,75). Une structure fibreuse anisotrope peut être observée au microscope polarisant, d'où son nom de coke en aiguilles.
L'anisotropie des propriétés physico-mécaniques du coke en aiguilles est évidente. Il présente une bonne conductivité électrique et thermique parallèlement à l'axe longitudinal de la particule, et son coefficient de dilatation thermique est faible. Lors du moulage par extrusion, l'axe longitudinal de la plupart des particules est disposé dans le sens de l'extrusion. Le coke en aiguilles est donc la matière première essentielle pour la fabrication d'électrodes en graphite de haute et très haute puissance. L'électrode en graphite produite présente une faible résistivité, un faible coefficient de dilatation thermique et une bonne résistance aux chocs thermiques.
Le coke en aiguilles est divisé en coke en aiguilles à base de pétrole produit à partir de résidus de pétrole et en coke en 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 de la transformation en profondeur du goudron de houille. Il s'agit d'un mélange de divers hydrocarbures, noir à haute température, semi-solide ou solide à haute température, sans point de fusion fixe, ramolli après chauffage puis fondu, avec une masse volumique de 1,25 à 1,35 g/cm³. Selon son point de ramollissement, il est divisé en asphalte basse température, moyenne température et haute température. Le rendement en asphalte moyenne température est de 54 à 56 % du goudron de houille. La composition du goudron de houille est extrêmement complexe, liée à ses propriétés et à sa teneur en hétéroatomes, et est également influencée par le système de cokéfaction et les conditions de traitement du goudron de houille. 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), les valeurs de cokéfaction et la rhéologie du brai de houille.
Le goudron de houille est utilisé comme liant et agent d'imprégnation dans l'industrie du carbone. Ses performances ont un impact considérable sur le processus de production et la qualité des produits à base de carbone. L'asphalte liant est généralement un asphalte moyenne température ou modifié moyenne température présentant un point de ramollissement modéré, un indice de cokéfaction élevé et une résine β élevée. L'agent d'imprégnation est un asphalte moyenne température présentant un point de ramollissement bas, un faible QI et de bonnes propriétés rhéologiques.
L'image suivante montre le processus de production d'électrodes en graphite dans une entreprise de carbone.
Calcination : La matière première carbonée est traitée thermiquement à haute température pour éliminer l'humidité et les matières volatiles qu'elle contient. Le processus de production, qui améliore les performances de cuisson initiales, est appelé calcination. Généralement, la matière première carbonée est calcinée en utilisant du gaz et ses propres matières volatiles comme source de chaleur, à une température maximale de 1 250 à 1 350 °C.
La calcination apporte des changements profonds dans la structure et les propriétés physico-chimiques 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, en jetant les bases du processus ultérieur.
Les équipements de calcination comprennent principalement un calcinateur à cuve, un four rotatif et un calcinateur électrique. Le contrôle qualité de la calcination exige que la masse volumique réelle du coke de pétrole soit supérieure à 2,07 g/cm³, la résistivité supérieure à 550 μΩ.m, la masse volumique réelle du coke en aiguilles supérieure à 2,12 g/cm³ et la résistivité inférieure 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'un équipement de concassage d'environ 50 mm à travers un concasseur à mâchoires, un concasseur à marteaux, un concasseur à rouleaux et similaires pour écraser davantage le matériau de taille 0,5 à 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 d'une taille de particule de 0,075 mm ou moins au moyen d'un broyeur à anneaux de type suspension (broyeur Raymond), d'un broyeur à boulets ou similaire.
Le criblage est un procédé qui consiste, après broyage, à diviser une large gamme de matériaux en plusieurs granulométries, dont une plus petite est disponible, à travers une série de tamis à ouvertures uniformes. La production actuelle d'électrodes nécessite généralement 4 à 5 granulés et 1 à 2 qualités de poudre.
Les ingrédients sont les procédés de production permettant de calculer, de peser et de concentrer les différents agrégats, poudres et liants, conformément aux exigences de la formulation. La pertinence scientifique de la formulation et la stabilité du dosage comptent parmi les facteurs les plus importants qui influencent 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 des différents types de matières premières ;
3 déterminer 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 granulés et de poudres carbonés de différentes granulométries 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 matières carbonées solides de différentes tailles de particules sont mélangées et remplies uniformément pour améliorer la compacité du mélange ;
2 Après l'ajout de brai de houille, le matériau sec et l'asphalte sont mélangés uniformément. L'asphalte liquide recouvre et mouille uniformément la surface des granulés pour former une couche de liaison asphaltique. Tous les matériaux sont liés les uns aux autres pour former un film plastique homogène. Favorise le moulage ;
3 parties de brai de goudron de houille pénètrent dans l'espace intérieur du matériau carboné, augmentant encore la densité et la cohésion de la pâte.
Moulage : Le moulage de matériaux en carbone 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 qualité inférieure
Presser
Extrudeuse hydraulique horizontale
Extrudeuse à vis
Électrode en graphite, électrode carrée
Moulage par vibration
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 de refroidissement : matériau de refroidissement de disque, matériau de refroidissement de cylindre, matériaux de refroidissement de mélange et de malaxage, etc.
Évacuer les matières volatiles, réduire à une température appropriée (90-120 °C) pour augmenter l'adhérence, de sorte que le blocage de la pâte soit uniforme pendant 20 à 30 min
2 Chargement : presse, levage, déflecteur —– 2 à 3 fois la coupe —-4 à 10 MPa de compactage
3 pré-pressions : pression 20-25 MPa, temps 3-5 min, pendant la mise sous vide
4 extrusion : appuyez sur le déflecteur — extrusion 5-15 MPa — coupé — 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, temps de pression de précharge, pression d'extrusion, vitesse d'extrusion, température de l'eau de refroidissement
Inspection du corps vert : masse volumique apparente, aspect, tapotement, analyse
Calcination : Procédé consistant à placer le produit carboné cru dans un four de chauffage spécialement conçu, sous la protection de la charge, afin de réaliser un traitement thermique à haute température pour carboniser le brai de charbon. Le coke de bitume formé après la carbonisation solidifie les agrégats carbonés et les particules de poudre. Le produit carboné calciné présente une résistance mécanique élevée, une faible résistivité électrique, une bonne stabilité thermique et chimique.
La calcination est l'un des principaux procédés de production de produits en carbone et constitue également une étape importante des trois principaux procédés de traitement thermique des électrodes en graphite. Le cycle de production de la calcination est long (22 à 30 jours pour la cuisson, 5 à 20 jours pour les fours à deux cuissons) et consomme beaucoup d'énergie. 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 contenu dans le corps vert est cokéfié pendant le processus de grillage, ce qui libère environ 10 % de matières volatiles. Le volume est généré 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 considérablement changé. La porosité est passée de 1,70 g/cm³ à 1,60 g/cm³ et la résistivité est passée 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 élevée. À améliorer.
La cuisson secondaire est un procédé au cours duquel le produit calciné est immergé puis calciné pour carboniser le brai immergé dans ses pores. Les électrodes nécessitant une masse volumique apparente plus élevée (toutes variétés sauf RP) et les ébauches de joints doivent être cuites deux fois, et les ébauches de joints sont également soumises à une cuisson trois fois quatre fois ou deux fois trois fois.
Type de four principal du torréfacteur :
Fonctionnement continu — four à anneau (avec couvercle, sans couvercle), four tunnel
Fonctionnement intermittent : four inversé, torréfacteur sous le 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, tapotement, 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 d'imprégnation dans les pores de l'électrode produite, sous certaines conditions de température et de pression. L'objectif est de réduire la porosité du produit, d'augmenter sa masse volumique apparente et sa résistance mécanique, et d'améliorer sa conductivité électrique et thermique.
Le processus d'imprégnation et les paramètres techniques associés sont : grillage de la billette – nettoyage de surface – préchauffage (260-380 °C, 6-10 heures) – chargement du réservoir d'imprégnation – mise sous vide (8-9KPa, 40-50min) – 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 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 prise de poids des trois produits de trempage ≥ 5 %
La graphitisation fait référence à un processus de traitement thermique à haute température dans lequel un produit de carbone est chauffé à une température de 2300 °C ou plus dans un milieu protecteur dans un four électrique à haute température pour convertir une structure stratifiée de carbone amorphe en une structure cristalline de graphite ordonnée tridimensionnelle.
Le but et l'effet 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 rendre le matériau en carbone lubrifiant et résistant à l'abrasion ;
4 Éliminer les impuretés, améliorer la pureté du matériau en carbone (la teneur en cendres du produit est réduite de 0,5-0,8% à environ 0,3%).
La réalisation du procédé de graphitisation :
La graphitisation du carbone s'effectue à une température élevée de 2 300 à 3 000 °C. Elle ne peut donc être réalisée industriellement que par chauffage électrique. Autrement dit, le courant traverse directement le produit calciné chauffé, lequel est ensuite chargé dans le four par le courant électrique à haute température. Le conducteur est lui-même un objet chauffé à haute température.
Les fours de graphitisation Acheson et les fours à cascade de chaleur interne (LWG) sont actuellement largement utilisés. Les premiers présentent un rendement élevé, une grande différence de température et une consommation électrique élevée. Les seconds, quant à eux, présentent un temps de chauffe court, une faible consommation électrique et une résistivité électrique uniforme, et ne sont donc pas adaptés à l'installation.
Le contrôle du processus de graphitisation est assuré par la mesure de la courbe de puissance électrique adaptée à la montée en température. Le temps 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 3 200 à 4 800 kWh, et le coût du processus représente environ 20 à 35 % du coût total de production.
Contrôle des produits graphités : aspect, tapotement, 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 en découpant pour fabriquer 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 plane, du cercle extérieur et de la face plane, ainsi que le fraisage du filetage. L'usinage des joints coniques peut être divisé en six étapes : usinage, face plane, face conique, fraisage du filetage, perçage du boulon 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 : écart de conicité du filetage, pas du filetage, écart de grand diamètre du joint (trou), coaxialité et verticalité du trou, planéité de la face d'extrémité de l'électrode, écart de quatre points du joint. Vérification à l'aide de bagues et de plaques de calibrage spéciales.
Contrôle des électrodes finies : précision, poids, longueur, diamètre, masse volumique apparente, résistivité, tolérance de pré-assemblage, etc.
Date de publication : 31 octobre 2019