Anthracite calciné électriquement

Le marché mondial de l’anthracite calcinée devrait atteindre 3,4 milliards USD par an d’ici 2024(1), il est impératif que les processus de calcination efficace et robuste de l’anthracite soient mis à profit - pour produire le meilleur matériau possible. Pour la brièveté, tout au long de ce travail électriquement calciné anthracite et «régulière» anthracite calcinée sont mentionnés avec des abréviations ECA et CA respectivement.

Introduction à l'anthracite calciné

L’anthracite est l’une des formes de carbone de meilleure qualité, elle-même utilisée pour une variété d’applications. Il est généralement situé dans le monde entier et bénéficie d’un régime d’exploitation minière et
de distribution
très développé . Les processus d’amélioration de l’acide organique déjà faible en cendres et à faible volatilité contenant de l’anthracite, comme la calcination, ont longtemps été utilisés pour modifier l’anthracite pour en faire un matériau réfractaire, avec une structure poreuse.

La calcination est un processus par lequel un matériau est considérablement chauffé, mais ne permet pas de brûler. Il est souvent utilisé pour améliorer les propriétés de résistance d’un matériau, pour améliorer la dureté, ou tout simplement pour fournir un matériau plus durable mieux résistant à l’érosion ou à la décomposition.

L’anthracite est un matériau souvent calciné, avec l’anthracite calciné ayant un large bouquet d’utilisations à travers les applications de production de fonderie et de métal (2,3). Pour des applications telles que dans les électrodes, la calcination diminue les propriétés de résistance électrique du matériau et élimine tous les composés organiques volatils résiduels. L’anthracite non calcinée est un isolant électrique (c’est-à-dire qu’il conduit mal). Des études ont montré que le CA/ECA calciné aussi bas que 900 oC montre un coup de pouce substantiel à sa conductivité électrique; n’atteignant que 1 000 euros de résistance à des températures de calcination de 1 300 oC (4,5).

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Avant tout processus de calcination, il convient de souligner qu’une anthracite de haute qualité doit être utilisée comme matériau de départ(6).

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Anthracite électriquement calciné (ECA)

ECA est une anthracite qui n’a pas été calcinée par un four à gaz, mais plutôt un four électrique, et le processus est appelé «électro-calcination». L’électro-calcination est fonctionnellement similaire à la méthode traditionnelle alimentée au gaz et produit un produit qui est largement indiscernable, mais il est exploité comme un processus continu offrant un avantage d’efficacité inhérente sur un four à gaz ordinaire(7). Le premier exemple d’érétro-calcination continue à l’échelle industrielle a été démontré en Chine dans les années 1980. Les centrales modernes d’électro-calcination utilisent le courant direct au-dessus du courant alternatif, car les efficacités sont plus grandes malgré une réduction de puissance d’environ 20(8). L’un des principaux avantages de l’électro-calcination est un contrôle beaucoup plus facile de la chaleur, et une distribution de chaleur complètement uniforme. Cela permet un produit calciné entièrement uniforme, prêt pour une utilisation ultérieure.

Par comparaison avec CA, la CEA est souvent considérée comme ayant une résistance électrique légèrement plus élevée, mais avec un meilleur profil de stabilité à long terme. Dans la fabrication, l’ECA a tendance à être chauffée à une température plus élevée que CA, mais pour une période beaucoup plus courte. Il a été constaté que les propriétés avantageuses conférées par la calcination proviennent de la température de la calcination plutôt que du temps(9)

La fabrication de CA/ECA aux températures les plus élevées produit un produit qui est référé à l’anthracite semi-graphite. C’est-à-dire que l’application d’une température importante provoque un processus de graphitisation sur l’anthracite , ce qui rend le matériau plus difficile et plus résistant. La calcination (des deux types) est fortement liée à une augmentation de la force compressive et structurelle, liée aux niveaux de porosité.

l’électricité utilisée pour faire de l’anthracite calcine eclectrifié
four à l’aide d’anthracite clacined

Applications

Dans le monde entier, les principales applications pour ECA sont la fabrication d’électrodes, de pâte d’électrodes et de production d’acier et d’aluminium. En règle générale, la CEA peut être utilisée partout où l’AC est utilisé. Une considération essentielle lors du choix entre CA et ECA est environnementale - l’utilisation de fours à gaz pour produire des CA conventionnels produit des quantités importantes de gaz à effet de serre sur le site. D’autre part, la CEA peut être produite à l’aide d’énergie « propre » ou renouvelable si l’approvisionnement provient d’une source appropriée.

Pour la production d’aluminium, ECA est utilisé dans la doublure de la fonderie de pot comme isolant en plus des électrodes (voir ci-dessous). Pour la production d’acier et d’autres métaux ferreux, il est utilisé comme électrode pour les procédés de fusion électrique(10). ECA/CA peut également être utilisé dans les coupoles de fonderie(11).

Ici, les applications primaires de la CEA seront discutées, qui sont la production d’électrodes et de pâtes percutantes. En ce qui concerne les électrodes, les exemples modernes sont généralement à base de carbone ou de graphite, le carbone étant CA/ECA. CA/ECA sont utilisés en raison de leur nature relativement peu coûteuse et de propriétés de résistance électrique bien adaptées(12).

tiges d’anthracite calcinées
anode et cathodes d’anthracite calcinées

Électrodes-cathodes

CA et ECA ont longtemps été utilisés pour la partie cathodique d’une cellule électrochimique pour produire/extraire une variété d’éléments à partir de solutions et/ou pour la fusion de métaux non ferreux. Les CA/ECA sont le plus souvent utilisés comme cathode (la « fin » positivement chargée) et s’appuient sur les excellentes propriétés de conduction électrique de CA/ECA en plus de la stabilité en vrac à long terme.

Dans un four électrothermal, la chaleur est fournie en passant le courant par des électrodes carbonées, ces électrodes peuvent être composées principalement ou uniquement de l’ECA. Les électrodes pour cette application doivent avoir une grande capacité de conductivité électrique, un taux lent d’oxydation, une résistance mécanique élevée et une conductivité à faible chaleur. L’ECA de haute qualité a ces propriétés. Les électrodes peuvent être formées à partir de monolithes d’ECA, semi-monolithes (voir les pâtes percutantes ci-dessous) ou par un processus par lequel ecA écrasé et une résine sont formés en électrode par compression et chauffage(13).

Lorsqu’elles sont utilisées pour la fonderie d’aluminium, les électrodes basées autour de l’ECA contiennent environ 70 ecA de poids qui a été traitée à la chaleur à plus de 1 200 oC, le reste étant composé de goudron et de graphite moulu. Fait intéressant, la recherche a montré que la résistance électrique augmente avec l’expansion thermique de la cathode, et cette expansion augmente avec une plus grande teneur en soufre dans le CA / ECA. Par conséquent, un facteur crucial dans la production de cathodes est la sélection de l’anthracite de la plus haute qualité(14).

Électrodes-anodes

Bien que moins populaire, il est possible d’utiliser ECA comme anode dans la production d’aluminium. Exigeant les mêmes propriétés que pour une cathode, ECA a largement remplacé le coke de pétrole comme identité de l’anode(15). La recherche a montré que les anodes avec aussi peu que 20 par poids contenu ECA sont réalisables, mais idéalisé à environ 40. Encore une fois, le charbon de haute pureté à faible teneur en cendres devrait être utilisé en premier lieu, car le contenu élevé des cendres est en partie responsable des électrodes à faible durée de vie et à faible efficacité(16).

Pâtes d'électrode / battage

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Les anodes et les cathodes lorsqu’elles sont composées d’ECA sont connues pour leur stabilité à long terme, mais parfois des incidents se produisent causant des fissures ou d’autres dommages similaires à eux. Dans de tels cas, la réparation est souvent préférable au remplacement, et ainsi les pâtes de percutant sont employées pour la réparation de la dalle d’électrode d’une manière semblable au remplisseur de plâtre employé dans les murs domestiques. Les pâtes d’enfoncement de la plus haute qualité sont composées de l’ECA.

En outre, des électrodes ECA semi monolithiques peuvent être formées en utilisant des pâtes percutantes pour joindre les plus petits monolithes DE la CEA ensemble, où la pâte de percutement se comporte comme de la colle - des monolithes sont placés ensemble avec de la pâte percutante et l’ensemble du système est compacté pour former un grand semi-monolithe(17). Bien que les performances ne soient pas aussi bonnes que pour une seule électrode monolithe, le coût est considérablement réduit, et la force de la pâte de ramming contenant la CEA est plus forte que les pâte fabriquées à partir de CA ou de graphite synthétique selon la littérature secondaire(18). Le même travail suggérait que le matériau de liant utilisé dans la pâte, qui était basé sur la quinoline, n’avait aucun impact sur la densité ou la force compressive de la pâte.

Les pâtes à percuter à base d’ECA sont utilisées de préférence comme pâtes à percuter à froid, c’est-à-dire qu’elles sont appliquées et autorisées à guérir à température ambiante. Cela confère à lui seul un avantage en ce que le chauffage n’est pas nécessaire. Ces pâtes percutantes jouissent de propriétés de faible résistance électrique et de valeurs de résistance compressive élevée. Les données d’études menées en Chine indiquent que la pâte de percutage de l’ECA utilise de la résine de formaldéhyde de phénol comme liant a une résistance dans la région de 50 degrés avec environ 30 MPa de force(19).

Selon la littérature patente, les pâtes percutantes contiennent environ 80 par pondération en poudre carbonaceous de poids et jusqu’à 5 par liant de poids. L’équilibre est généralement pitch(20). En outre, la pâte d’enfoncement à froid basée sur l’ECA peut être considérée comme un matériau « respectueux de l’environnement » en raison d’une faible toxicité de la mesure des gaz échappés à partir du moment où la pâte est chauffée(21). ECA peut être produite à partir d’anthracite ébréchée / poudre et est le «agrégat en poudre carbonaceous» ici. Les pâtes à enfoncer ECA sont connues pour leur stabilité à long terme, et pas seulement comme une « solution rapide » pour les électrodes monolithiques endommagées.

Considérations lors de l'utilisation d'ECA

Dans certains fours à arc de génération précédente, il pourrait y avoir un gradient de température radiale, ce qui peut entraîner un manque d’homogénéité dans le processus de calcination. Atténué par les éléments de chauffage modernes, ce n’est plus considéré comme un problème. L’effet Rappoport est un phénomène par lequel la structure des pores de CA/ECA est provoquée à se développer en raison de sodium et de composés contenant du fluor qui les pénètrent(22), une telle expansion provoque une inefficacité de la conductivité électrique.

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Autres applications

En raison de la nature de l’ECA de haute qualité en cours d’un processus de graphitisation sous chauffage, le graphite synthétique peut éventuellement être formé à partir de la CEA(23); l’anthracite commence à subir une graphitisation à environ 2 200 oC(24). Bien qu’il s' agira d’une utilisation mineure, l’ECA en poudre peut être utilisé comme carburateur de haute performance dans la production de fer gris à partir de déchets d’acier(25). L’ECA est perçue comme un produit de qualité significativement plus élevé que le CA conventionnel et, en tant que telle, n’est pas utilisée dans les applications CA courantes comme dans les moules moulés et comme doublures de haut fourneau.

anthracite calciné dans une pile

Sommaire

  • ECA est un matériau utile dans la production d’électrodes monolithiques et semi-monolithiques et de pâtes percutantes
  • ECA a tendance à être utilisé dans ces applications haut de gamme, avec CA conventionnel réservé à des utilisations en vrac plus larges
  • La calcination par des moyens électriques est considérée comme supérieure à d’autres méthodes en raison d’un chauffage plus uniforme, à une température plus élevée
  • La CEA n’exige pas la combustion de combustibles fossiles sur place
  • ECA a d’excellentes propriétés en termes de conductivité électrique, de force mécanique/compressive et de stabilité à long terme

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Pot rempli d’anthracite moulue

Références

1 MarketWatch (en ligne), 2019, Electrically Calcined Anthracite Market (ECA) Incredible Possibilities, Growth with Industry Study, Detailed Analysis and Forecast to 2025, accessible 28 Feb 2020, https://www.marketwatch.com/press-release/electrically-calcined-anthracite-market-eca-incredible-possibilities-growth-with-industry-study-detailed-analysis-and-forecast-to-2025-2019-09-06

2 S. Ge et coll., Metallurg. Mater. Trans. B, 1968, 20. 67

3 BREVET américain US9695088B2, 2010

4 I. V. Surotseva et coll., Coke and Chem., 2012, 55, 231

5 V. I. Lakomskii, Coke and Chemistry, 2012, 55, 266

6 M. M. Gasik et coll., Modelling and Optimisation of Anthracite Treatment in an Electrocalcinator, in: 12th International Ferroalloys Congress, Helsinki, 2010

7 H. Zhao et coll., Développement et application des électrocalciners avec une température accrue de calcination, dans: O. Martin (ed) Light Metals 2018, TMS 2018, The Minerals, Metals and Materials Series. Springer, Cambridge, 2018

8 I. M. Kashlev et V. M. Strakhov, Coke and Chem., 2018, 61, 136

9 B. G. Furdin et coll., Carbone, 2000, 38, 1207

10 H. Hayashi et coll., J. Metals, 1968, 20, 63

11 A. F. Baker et coll., Use of Calcined Anthracite in Foundry Cupolas, Bureau of Mines, United States Department of the Interior, Washington DC, 1963

12 I. M Kashlev et V. M. Strakhov, Coke and Chem., 2008, 61, 136

13 B. Chatterjee, Application of Electrodes in Ferro Alloy Furnaces, in: 4th Refresher Course on Ferro Alloys, Jamedpur, India, 1994

14 D. Belitskus, Metallurg. Trans. B 1976, 7, 543

15 Z. Zhi et coll., Proc. Terre et Sci Planétaire., 2009, 1 694

16 C. P. Xie et coll., Clean Coal Tech., 2004, 10, 45

17 J. A. S. Belmonte et coll., Densification of Ramming Paste in Cathodes, in: A. Tomsett and J. Johnson (eds), Essential Readings in Light Metals, Springer, Cambridge, 2016

18 H. A. 'ye et coll., Early Failure Mechanisms in Aluminium Cell Cathodes, in: A. Tomsett and J. Johnson (eds), Essential Readings in Light Metals, Springer, Cambridge, 2016

19 L. Tian et coll., Menton. J. Proc. Eng., 2011, 3, 1

20 US Patent US3925092A, 1974, expiré

21 J. Zeng et coll., Adv. Mater. Res., 2011, 399, 1206

22 J. M. Peyneau, Design of Highly Reliable Pot Linings, dans: A. Tomsett and J. Johnson (eds), Essential Readings in Light Metals, Springer, Cambridge, 2016

23 C. E. Burgess-Clifford et coll., Processus de carburant. Tech., 2009, 90, 1515

24 A. B. Garcia et coll., Fuel Process. Tech., 2002, 79, 245

25 K. Janerka et coll., Adv. Mater. Res., 2012, 622, 685