Introducción a la antracita calcinada
La antracita es una de las formas de carbono de mayor calidad, utilizada para una variedad de aplicaciones. Se encuentra comúnmente en todo el mundo y se beneficia de un régimen de minería y
distribución
altamente desarrollado. Los procesos de mejora de la ya baja ceniza y la antitracita orgánica baja y baja volátil como la calcinación se han utilizado durante mucho tiempo para modificar la antracita para convertirla en un material refractario, con una estructura porosa.
La calcinación es un proceso por el cual un material se calienta significativamente pero no se deja peinar. A menudo se utiliza para mejorar las propiedades de resistencia de un material, para mejorar la dureza, o simplemente para proporcionar un material más duradero mejor resistente a la erosión o la caries.
La antracita es un material a menudo calcinado, con antracita calcinada que tiene un amplio ramo de usos en aplicaciones de fundición y producción de metales(2,3). Para aplicaciones como en electrodos, la calcinación disminuye las propiedades de resistividad eléctrica del material y elimina cualquier compuesto orgánico volátil residual. La antracita no calcinada es un aislante eléctrico (es decir, se conduce mal). Los estudios han demostrado que CA/ECA calcinado tan bajo como 900 oC muestra un impulso sustancial a su conductividad eléctrica; alcanzando sólo 1.000o de resistencia a temperaturas de calcinación de 1.300 oC(4,5).
Antes de cualquier proceso de calcinación, cabe destacar que una antracita de alta calidad debe utilizarse como material de partida(6).
Aplicaciones
Tal vez sea contraintuitivo que la antracita se haya utilizado durante mucho tiempo como refractaria - con el argumento de que como forma de carbón, fácilmente se combustaría. Es un ejemplo de material refractario neutro, lo que significa que no hay reactividad con atmósferas o escorias ácidas o básicas. Como las versiones tratadas térmicamente de antracita, CA y ECA son más fuertes, más porosas y mejores conductores eléctricos que la antracita no tratada.
En todo el mundo, las principales aplicaciones para ECA son la fabricación de electrodos, pasta de electrodos y en la producción de acero y aluminio. Normalmente, el ECA se puede utilizar dondequiera que se utilice CA. Una consideración vital a la hora de elegir entre CA y ECA es el medio ambiente: el uso de hornos de gas para producir CA convencional produce cantidades significativas de gases de efecto invernadero en el lugar. Por otro lado, el TCE puede producirse utilizando energías «limpias» o renovables si el suministro procede de una fuente adecuada.
Para la producción de aluminio, el TCE se utiliza en el revestimiento de la fundición de macetacomo como aislante además de electrodos (ver más abajo). Para la producción de acero y otros metales ferrosos, se utiliza como electrodo para procesos de fundición eléctrica(11). ECA/CA también se puede utilizar en cúpulas de fundición(12).
En este documento, se discutirán las aplicaciones primarias del TCE, que son la producción de electrodos y pastas de embestida. Con respecto a los electrodos, los ejemplos modernos son típicamente basados en carbono o grafito, siendo el carbono CA/ECA. Ca/ECA se utilizan debido a su naturaleza relativamente barata y propiedades de resistencia eléctrica muy adecuadas(13).
Durante la calcinación la antracita comienza a someterse a la grafita a aproximadamente 2.200 °C(14). En efecto, debido a la grafitaización, el grafito sintético se forma como parte del proceso de producción del TCE(15). La calcinación eléctrica es más eficiente energéticamente que lograr la calcinación mediante calefacción de gas. El grafito en sí es un material refractario. CA tiene poros pequeños y de tamaño consistente. La antracita calcinada encuentra un uso extensivo en refractarios grafáticos moldeables monolíticos que es de gran utilidad para la producción de metales ferrosos y no ferrosos. La amplia aplicabilidad, los buenos niveles de pureza y bajo costo hacen de ECA una opción popular en entornos refractarios.
Específicamente para aplicaciones de fundición, ECA tiene una interesante resistencia eléctrica que es significativamente menor que la antracita(16); El TCE es un buen director. Esto lo hace ideal para su uso como electrodo para fundición de aluminio (más tarde) y además, los electrodos basados en ECA para fundición tienen una velocidad lenta de oxidación. Combinado con un alto nivel de resistencia mecánica y compresiva y baja conductividad térmica, ECA es una opción ideal. Los electrodos pueden formarse a partir de monolitos de TCE, semi-monolitos o una princesa compuesta donde las resinas se utilizan para pegar pequeños monolitos o TCE en polvo.
Electrodos-cátodos
CA y ECA se han utilizado durante mucho tiempo para que la porción catódica de una célula electroquímica produzca/extraiga una variedad de elementos de soluciones y/o para la fundición de metales no ferrosos. CA/ECA se utilizan con mayor frecuencia como cátodo (el "fin" cargado positivamente) y dependen de las excelentes propiedades de conducción eléctrica de CA/ECA, además de la estabilidad a granel a largo plazo.
En un horno electrotérmico, el calor se proporciona pasando corriente a través de electrodos carbonáceos, tales electrodos pueden ser compuestos principalmente o únicamente de ECA. Los electrodos para esta aplicación deben tener una alta capacidad de conductividad eléctrica, una tasa lenta de oxidación, alta resistencia mecánica y baja conductividad térmica. EL ECA de alta calidad tiene estas propiedades. Los electrodos se pueden formar a partir de monolitos de ECA, semimonolitos (ver pastas de embestida abajo) o a través de un proceso mediante el cual el ECA triturado y una resina se forman en un electrodo a través de compresión y calentamiento(13).
Cuando se utilizan para la fundición de aluminio, los electrodos basados en ECA contienen alrededor de 70 ECA en peso que ha sido tratado térmicamente a más de 1.200 oC, con la balanza compuesta de alquitrán y grafito fresado. Curiosamente, la investigación ha demostrado que la resistencia eléctrica aumenta con la expansión térmica del cátodo, y esta expansión aumenta con un mayor contenido de azufre en la CA/ECA. Por lo tanto, un factor crucial en la producción de cátodos es la selección de antracita de la más alta calidad(14).
Electrodos-anodes
Aunque es menos popular, es posible utilizar el TCE como ánodo en la producción de aluminio. Requiriendo las mismas propiedades que para un cátodo, el TCE ha sustituido en gran medida el coque de petróleo como identidad del ánodo(19). Las investigaciones mostraron que los ánodos con tan solo 20 en peso de contenido de TCE son factibles, pero se idealiparan alrededor de 40. Una vez más, el carbón de alta pureza con bajo contenido de cenizas debe utilizarse en primera instancia, ya que el alto contenido de cenizas es en parte responsable de electrodos de baja duración y baja eficiencia(20).
Como ya se ha mencionado, una de las cualidades superiores del TCE es su naturaleza altamente conductora, por lo que es apropiado que una aplicación de rápido crecimiento para el TCE esté en la producción de anodes para las células de batería modernas. La estructura molecular claramente definida y la baja densidad significan que tales anodes son ligeros además de ser altamente conductores. Los casos de uso incluyen en células de iones de litio de alta gama(21) y en matrices de baterías de vehículos eléctricos(22). Algunos de los ejemplos de mayor rendimiento se encuentran en las células de sodio-vanadio-fosfato donde el despliegue del TCE como electrodo mejora las propiedades de las baterías en términos de niveles mejorados de densidad de energía y capacidad para cargarse rápidamente(23). Como electrodo, el TCE se puede utilizar como toda o parte de la masa de electrodos, a menudo superando el 50%, o incluso como recubrimiento.
Pastas electrodos/embestidas
Los anodes y cátodos cuando se componen de TCE son conocidos por su estabilidad a largo plazo, pero a veces ocurren incidentes que causan grietas u otros daños similares a ellos. En tales casos, la reparación es a menudo preferible a la sustitución, por lo que las pastas de embestida se utilizan para la reparación de la losa de electrodos de una manera similar al relleno de yeso utilizado en las paredes domésticas. Las pastas embestidas de la más alta calidad están hechas principalmente de TCE.
Además, los electrodos ECA semi-monolíticos se pueden formar mediante el uso de pastas embestidas para unir monolitos ECA más pequeños juntos, donde la pasta de embestida se comporta similar al pegamento - los monolitos se colocan junto con la pasta de embestida y todo el sistema se compacta para formar un gran semi-monolito(24). Aunque el rendimiento no es tan bueno como para un solo electrodo monolito, el costo se reduce significativamente, y la fuerza de la pasta de embestida que contiene el TCE es más fuerte que aquellas pastas hechas de CA o grafito sintético según la literatura secundaria(25). El mismo trabajo sugirió que el material de aglutinante utilizado en la pasta, que estaba basado en quinolina, no tenía ningún impacto en la densidad o resistencia a la compresión de la pasta.
Las pastas de embestida basadas en ECA se utilizan preferentemente como pastas de embestida en frío, es decir, se aplican y se les permite curar a temperatura ambiente. Esto por sí solo confiere una ventaja en que la calefacción no es necesaria. Estas pastas de embestida gozan de propiedades de baja resistencia eléctrica y altos valores de resistencia a la compresión. Los datos de estudios en China indican que la pasta embestida ECA utilizando resina de formaldehído fenol como aglutinante tiene resistencia en la región de 50 μΩ con alrededor de 30 MPa de fuerza(26). Según la literatura de patentes, las pastas de embestida contienen aproximadamente 80 en peso de agregado carbonáceo en polvo y hasta 5 en aglutinante de peso. El balance suele ser pitch(27). Además, la pasta embestida en frío basada en el TCE puede considerarse un material «ecológico» debido a una baja medición de toxicidad de los gases escapados desde que se calienta la pasta(28). El TCE se puede producir a partir de antracita astillada/en polvo y es el "agregado en polvo carbonáceo" aquí. Las pastas de embestida de ECA son conocidas por su estabilidad a largo plazo, y no sólo como una "solución rápida" para los electrodos monolíticos dañados.
Consideraciones al utilizar el TCE
En algunos hornos de arco de generación anterior, podría haber un gradiente de temperatura radial, lo que puede resultar en una falta de homogeneidad en el proceso de calcinación. Aliviado por los elementos calefactores modernos, esto ya no se considera un problema. El efecto Rappoport es un fenómeno por el cual la estructura poro de CA/ECA se expande debido a compuestos que contienen sodio y flúor que los penetran(29), dicha expansión causa ineficiencia en la conductividad eléctrica.
En muchas aplicaciones de TCE (y CA) como en electrodos y pastas embestidas, parte de la composición comúnmente incluye algún tipo de aglutinante resinoso o carbonáceo y/o material de relleno. La investigación ha observado la importancia de estos materiales y sus interacciones con los materiales calcinados - con estos materiales también contribuyendo a la estabilidad a largo plazo del electrodo o pasta de embestida en cuestión. Cuando los rellenos de electrodos se habían hecho a sí mismos de TCE, su resistencia mecánica general estaba menos relacionada con las variaciones en la estructura del poro en comparación con cuando se había utilizado coque simple como relleno(30). En la sustitución continua de la coque en estas situaciones, se utiliza TCE de alta calidad. Los estudios con el objetivo de optimizar para el TCE han demostrado que cuando el contenido de ceniza se establece en 0,95% en peso y se puede alcanzar una densidad de volumen de 1.452 g cm-3,valores de resistencia a la compresión suprema de 37,59 MPa y valores de resistencia eléctrica de 54,72 μΩ m-1(31).
Otras aplicaciones
Debido a la naturaleza del TCE de alta calidad sometido a un proceso de grafitización bajo calentamiento, el grafito sintético puede eventualmente formarse a partir del TCE(23); la antracita comienza a someterse a una grafitización a aproximadamente 2.200 oC(24). Aunque es un uso menor, el EcA en polvo se puede utilizar como un carburiser de alto rendimiento en la producción de hierro gris a partir de desechos de acero(25). El ECA se percibe como un producto de calidad significativamente mayor que la CA convencional, y como tal no se utiliza en aplicaciones comunes de CA, como en moldes de fundición y como revestimientos de alto horno.
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