Guarniciones
En el diseño de los altos hornos a partir de la década de 1960, los refractarios a base de antracita se utilizan para relinear la chimenea (es decir, la parte inferior) del horno(4). Tales revestimientos se encuentran típicamente en el orden de 3 m de espesor, y algunos son agua o aire enfriado, estos refractarios proporcionaron una resistencia de alrededor de siete años - mejorado significativamente sobre los anteriores hogares refractarios de sílice /alúmina cuyas campañas no duraron más de dos años(5). Los diseños modernos de horno utilizan un enfoque en el que se utiliza una copa de cerámica en contacto con el metal fundido, con un refractario antracita-grafito en contacto con las paredes y la chimenea del horno. La vida útil del horno para la combinación de cerámica y antracita-grafito se estima en 15 años.
El desgaste del horno se concentra particularmente en la chimenea, donde las temperaturas a menudo alcanzan su mayor y el caudal de metal líquido es alto. Monolitos basados en antracita se han utilizado en chimeneas, proporcionando resiliencia sobre múltiples ciclos de calentamiento-enfriamiento.
En partes del alto horno, se ha demostrado un monolito compuesto por 80 CA para su uso en el hogar(6). Aquí, el caudal de metal líquido es alto, lo que significa turbulencia y un nivel desigual de desgaste a través del forro. CA, en pruebas experimentales, es resistente a los golpes térmicos, la oxidación y el ataque químico a temperaturas superiores a 1.000 oC durante la vida útil del funcionamiento del horno. Monolito CA es volumen a granel estable en condiciones de horno(7).
Cuando se utiliza como aislamiento convencional lejos de la chimenea, los revestimientos de tipo carbono suelen estar en el espesor de menos de un metro(8) y están en forma de ladrillo refractario en lugar de monolitos. En términos generales, el estrés térmico/choque hacia revestimientos a base de carbono ha sido históricamente un problema, pero con el uso de CA(9) y rellenos adecuados en juntas(10), combinado con la dispersión de temperatura a través de una gran masa térmica, el choque térmico no se ve como una preocupación significativa durante las operaciones normales en un entorno de horno contemporáneo. Los propios rellenos pueden tener proporciones significativas de antracita en su composición(11). El ataque alcalino sigue siendo una preocupación, especialmente en las temperaturas más altas, pero algunos estudios han demostrado que con el uso de CA microporosa, los efectos del ataque alcalino se minimizan(12). Esto allana el camino para el uso de CA a largo plazo en revestimientos.
Aplicaciones de tanques de retención de metal fundido y fundido
Las aplicaciones de fundición y retención de tanques requieren resistencia a largo plazo a la temperatura y al choque térmico : CA se valora por su resistencia a estos y a la corrosión química. La fundición de aluminio, en particular, ha permitido el uso de forros y electrodos de fundición a base de carbono durante muchos años(12), con ejemplos de electrodos de principios de la década de 1980 empleando hasta un 75% de CA en masa y teniendo un rendimiento igual a aquellos con electrodos puramente grafito(13). Incluso teniendo en cuenta los procesos de calcinación de alta calidad, CA es más rentable que el grafito puro, al tiempo que conserva altos niveles de rendimiento. Como revestimiento, la CA está presente principalmente para el aislamiento de la olla y / o tanque de retención, es decir, para evitar que el ajuste de metal fundido in situ. Los electrodos y revestimientos se pueden formar de la manera convencional como ladrillos, como monolitos o incluso de pastas que son en gran parte CA (y pequeñas cantidades de otros tipos de carbono) a base de(14). Como electrodos, una breve discusión sobre por qué CA es adecuado para esta aplicación se puede encontrar a continuación.
Como CA es una de las opciones más populares de revestimiento de fundiciones de aluminio, con intervalos de fundición que duran hasta seis años, cerrando sólo para reemplazar los cátodos(15), CA se utiliza en algunos escenarios como un componente catódico y como un revestimiento. El cierre es necesario debido a la acumulación significativa de carburo de aluminio y mientras que la formación de carburo se favorece en estructuras de carbono desordenadas (como CA)(16), CA es más resistente al desgaste electroquímico(17), ya que la adhesión de carburos puede ser más fuerte para las estructuras más ordenadas. Por lo tanto, CA se puede utilizar junto con otros materiales de tipo carbono como el grafito para proporcionar un revestimiento y un cátodo que cumple con las propiedades idealizadas para la conductividad y la resistencia química, mientras que el equilibrio de los problemas de costo. La antracita sin calcinar no se utilizaría de forma rutinaria.
Antracita calcinada eléctricamente como electrodos
Además de forro de macetas de fundición, se puede utilizar antracita calcinada eléctricamente (ECA) como los propios electrodos, así como pastas embestidas. El TCE también es conocido por su rendimiento superior a la temperatura y su mayor conductividad eléctrica. Los electrodos pueden estar hechos de antracita monolítica (o calcinada eléctricamente), semi-monolitos sostenidos junto con pastas embestidas o mediante la compresión de CA o ECA y resina en una forma con calefacción(18).
Electrodos-anodes
A pesar de la mayoría de las instalaciones para la producción de aluminio a partir de su mineral utilizando un cátodo de antracita, hay algunos ejemplos en los que el TCE se ha utilizado como ánodo. Las instalaciones clásicas que pueden haber utilizado coque de petróleo en el ánodo han sido sustituidas en algunos casos por el TCE(19). Los anodes derivados del TCE pueden ser eficaces cuando se utiliza tan solo el 20% en peso de la antracita, sin embargo se logra una mayor eficiencia cuando se utiliza al menos un 40% en peso. La antracita es particularmente favorecida debido a su bajo contenido de ceniza - fuentes de carbono de alto contenido de ceniza están asociadas con electrodos de baja eficiencia que no duran la prueba del tiempo (20) - lejos de ser ideal en una situación que requiere un alto rendimiento constante durante períodos alargados.
Electrodos-cátodos
El cátodo ha sido el hogar más tradicionalmente asociado para los materiales ca y TCE en el sector de fundición de aluminio y otros metales no ferrosos. El cátodo es el "final" cargado positivamente. Como electrodos, se valora la conductividad eléctrica superior de la CA y el TCE. Como materiales que estarán sujetos a altas temperaturas, se valora la estabilidad térmica a largo plazo de CA y TCE. Los cátodos contemporáneos basados en CA o TCE se componen de alrededor del 70% de antracita en peso, siendo el resto grafito y algún tipo de aglutinante tarrio. El uso de antracita de calidad superior es crucial, ya que incluso niveles modestos de impurezas como el azufre pueden aumentar la expansión térmica del cátodo; expansión térmica conduce a un aumento de la resistencia eléctrica; haciendo que el proceso electroquímico sea menos eficiente y requiriendo más entrada de energía(21). Otros beneficios para el uso de CA o ECA en electrodos son alta resistencia mecánica, baja conductividad térmica y una buena resistencia a la oxidación.
Pastas electrodos/embestidas
Las pastas de embestida son mezclas complejas utilizadas por los fundidores para reparar cualquier grieta que pueda formarse en electrodos o revestimientos de hornos , o incluso para unir monolitos para formar el revestimiento del horno en primer lugar. Las pastas embestidas se pueden considerar como un "cemento" que mantiene los revestimientos refractarios juntos, así como un "yeso pegado" para reparaciones rápidas, aunque una reparación que dura mucho tiempo. El uso de pastas embestidas es útil, ya que significa que un electrodo entero no necesita ser reemplazado, por ejemplo, o un monolito altamente intrincado necesita ser producido como más pequeño, más fácil de hacer monolitos se puede arreglar juntos en su lugar. Este último procedimiento se conoce como la formación de un «semi monolito»(22) y, aunque el rendimiento no es tan bueno como para un monolito único y continuo, el coste y la complejidad se reducen significativamente.
Las pastas embestidas de la más alta calidad están hechas de antracita calcinada o eléctricamente calcinada. Al igual que el material utilizado para los electrodos, es fuerte y valorado para la estabilidad a largo plazo. Según la investigación, las pastas embestidas basadas en TCE son más fuertes que las hechas de antracita convencionalmente calcinada o grafito sintético(23). Los materiales de aglutinante utilizados en la formación de la pasta no juegan un papel en la fuerza general de la pasta - es decir, que la fuerza se debe en gran medida a la presencia de TCE. Alrededor del 80% en peso de la pasta es típicamente agregado carbonaáceo como el TCE, con alrededor del 5% de peso siendo el aglutinante y el equilibrio siendo pitch(24).
Las pastas de embestida basadas en cualquiera de las variantes de la antracita se utilizan como pastas embestidas frías. El 'frío' se refiere al hecho de que se aplican a temperatura ambiente y se permiten enfriar a temperatura ambiente. Mientras que esto significa que se requiere algún tiempo para permitir que los electrodos o revestimientos de la olla se enfríen, significa que no se requiere un calentamiento adicional para curar la pasta. Las pastas embestidas en frío se valoran por su alta resistencia a la compresión y sus bajas características de resistencia eléctrica(25). Los bajos niveles de gases expulsados cuando la pasta embestida fría finalmente se calienta in situ sugieren que las pastas embestidas frías basadas en TCE son una opción mucho más respetuosa con el medio ambiente que otras opciones más bituminosas(26).
Efecto rappoport
El efecto Rappoport en aplicaciones de fundición y electrodos se refiere a la tendencia de los cátodos de tipo carbono o bloques de cátodo a expandirse a temperatura debido a la penetración de compuestos fluorados y de tipo sódico, que se relacionan en gran medida a partir de impurezas en el metal. El efecto Rappoport es un fenómeno físico, no químico. Dicha expansión reduce la eficiencia del cátodo(19) y disminuye su superficie disponible para procesos de electrólisis. La temperatura de calcinación y la estructura del material calcinado original son los principales árbitros de si se observará el efecto Rappoport(20). El tamaño de los poros pequeños y consistentes en CA se considera ventajoso para mitigar el efecto Rappoport. Se ha informado de que la expansión de Rappoport es inversamente proporcional a la temperatura de calcinación de hasta 2.000 oC(21).
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