Introduction à Calcined Anthracite
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).
Avant tout processus de calcination, il convient de souligner qu’une anthracite de haute qualité doit être utilisée comme matériau de départ(6).
Applications
Il est peut-être contre-intuitif que l’anthracite ait longtemps été utilisé comme réfractaire - au motif qu’en tant que forme de charbon, il serait facilement brûlé. C’est un exemple de matériau réfractaire neutre, ce qui signifie qu’il n’y a pas de réactivité avec des atmosphères ou des scories acides ou de base. Comme les versions traitées à la chaleur de l’anthracite, ca et ECA sont des conducteurs électriques plus forts, plus poreux et de meilleure qualité que l’anthracite non traité.
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(11). L’ECA/CA peut également être utilisé dans les coupoles de fonderie(12).
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 leurs propriétés de résistance électrique bien adaptées(13).
Pendant la calcination, l’anthracite commence à subir une graphitisation à environ 2 200 °C(14). En effet, en raison de la graphitisation, le graphite synthétique est formé dans le cadre du processus de production de l’ECA(15). La calcination électrique est plus éconergétique que la calcination par chauffage au gaz. Le graphite lui-même est un matériau réfractaire. CA a des pores petits et de taille constante. L’anthracite calciné trouve une utilisation intensive dans les réfractaires graphitiques castrables monolithiques qui est d’une grande utilité pour la production de métaux ferreux et non ferreux. Une grande applicabilité, de bons niveaux de pureté et un faible coût font d’ECA un choix populaire dans les contextes réfractaires.
Plus précisément pour les applications de fusion, ECA a une résistance électrique intéressante qui est significativement inférieure à l’anthracite(16); ECA est un bon chef d’orchestre. Cela le rend idéal pour une utilisation comme électrode pour la fusion de l’aluminium (plus tard) et en outre, les électrodes à base d’ECA pour la fusion ont un lent taux d’oxydation. Combiné à un haut niveau de résistance mécanique et compressive et à une faible conductivité thermique, ECA est un choix idéal. Les électrodes peuvent être formées à partir de monolithes d’ECA, de demi-monolithes ou d’une princesse composite où les résines sont utilisées pour coller ensemble de petits monolithes ou des ECA en poudre.
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(19). 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 la teneur élevée en cendres est en partie responsable d’électrodes à faible durée de vie et à faible efficacité(20).
Comme nous l’avons déjà mentionné, l’une des qualités supérieures de l’ECA est sa nature très conductrice et il est donc approprié qu’une application en croissance rapide pour l’ECA soit dans la production d’anodes pour les piles modernes. La structure moléculaire clairement définie et la faible densité signifient que ces anodes sont légères en plus d’être très conductrices. Les cas d’utilisation incluent dans les cellules lithium-ion haut de gamme(21) et dans les réseaux de batteries de véhicules électriques(22). Certains des exemples les plus performants se trouvent dans les cellules sodium-vanadium-phosphate où le déploiement de l’ECA comme électrode améliore les propriétés des batteries en termes de niveaux de densité énergétique accrue et de capacité à être chargée rapidement(23). En tant qu’électrode, l’ECA peut être utilisé comme tout ou partie de la masse de l’électrode, dépassant souvent 50%, ou même comme revêtement.
Electrode/ramming Pastes
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 pour 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 pâtisseries de la plus haute qualité sont fabriquées principalement à partir d’ECA.
En outre, des électrodes semi-monolithiques d’ECA peuvent être formées en utilisant des pastes ramming pour joindre de plus petits monolithes d’ECA ensemble, où la pâte d’enfoncement se comporte semblable à la colle - les monolithes sont placés avec la pâte de ramming et le système entier est compacté pour former un grand semi-monolithe(24). Bien que les performances ne soient pas aussi bonnes que pour une seule électrode monolithe, le coût est considérablement réduit, et la résistance de la pâte de bélier contenant de l’ECA est plus forte que les pâtes faites à partir de CA ou de graphite synthétique selon la littérature secondaire(25). 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 d’enfoncement ECA utilisant de la résine de formaldéhyde phénol comme liant a une résistance dans la région de 50 μΩ avec environ 30 MPa de force(26). 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(27). En outre, la pâte à ramer à froid basée sur l’ECA peut être considérée comme un matériau « respectueux de l’environnement » en raison d’une faible toxicité des gaz échappés à partir du moment où la pâte est chauffée(28). 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 de l’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 poreuse de ca/ECA est provoquée pour se développer en raison des composés sodium-et fluor-contenants les pénétrant(29), une telle expansion cause l’inefficacité dans la conductivité électrique.
Dans de nombreuses applications de l’ECA (et ca) comme dans les électrodes et les pastes ramming, une partie de la composition comprend généralement une sorte de liant résineux ou carboné et / ou matériau de remplissage. La recherche a noté l’importance de ces matériaux et leurs interactions avec les matériaux calcinés - avec ces matériaux qui contribuent également à la stabilité à long terme de l’électrode ou de la pâte de bélier en question. Lorsque les charges des électrodes avaient elles-mêmes été fabriquées à partir d’ECA, leur résistance mécanique globale était moins liée aux variations de la structure des pores que lorsque le coke simple avait été utilisé comme remplisseur(30). Dans le remplacement continu du coke dans ces situations, l’ECA de haute qualité est utilisée. Des études visant à optimiser l’ECA ont montré que lorsque la teneur en cendres est fixée à 0,95% en poids et une densité de volume de 1.452 g cm-3,des valeurs de résistance compressive suprêmes de 37,59 MPa et des valeurs de résistance électrique de 54,72 μΩ m-1 peuvent être atteintes(31).
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.
Vous devez être connecté pour poster un commentaire.