Garnitures
Dans la conception des hauts fourneaux à partir des années 1960, des réfractaires à base d’anthracite sont utilisés pour tapisser le foyer (c’est-à-dire le fond) du four(4). Ces doublures sont généralement trouvées de l’ordre de 3 m d’épaisseur, et certaines sont refroidies à l’eau ou à l’air, ces réfrtories ont fourni une endurance d’environ sept ans - considérablement améliorée par rapport aux précédents foyers réfractaires de silice/alumine dont les campagnes n’ont pas duré plus de deux ans(5). Les conceptions modernes du four utilisent une approche où une tasse en céramique est utilisée en contact avec le métal fondu, avec un réfractaire anthracite-graphite en contact avec les murs et le foyer du four. La durée de vie du four pour la combinaison céramique et anthracite-graphite est estimée à 15 ans.
L’usure du four est particulièrement concentrée dans le foyer, où les températures atteignent souvent leur plus haut débit de métal et le débit de métal liquide est élevé. Les monolithes à base d’anthracite ont été utilisés dans les foyers, offrant une résilience sur de multiples cycles de chauffage-refroidissement.
Dans certaines parties du haut fourneau, un monolithe comprenant 80 CA a été démontré pour une utilisation dans le foyer(6). Ici, le débit de métal liquide est élevé, ce qui signifie turbulence et un niveau d’usure inégale sur la doublure. Le CA, en essais expérimentaux, est résistant aux chocs thermiques, à l’oxydation et aux attaques chimiques à des températures supérieures à 1 000 oC au cours de la durée de vie de la course au four. Le monolithique CA est stable en volume en vrac dans des conditions de four(7).
Lorsqu’elles sont utilisées comme isolant conventionnel loin du foyer, les revêtements de type carbone sont généralement de moins d’un mètre d’épaisseur(8) et sont sous forme de briques réfractaires par opposition aux monolithes. En termes généraux, le stress thermique/choc vers les revêtements à base de carbone a toujours été un problème, mais avec l’utilisation de CA(9) et de charges appropriées dans les joints(10), combinée à la dispersion de la température sur une grande masse thermique, le choc thermique n’est pas considéré comme une préoccupation importante lors des opérations normales dans un environnement de four contemporain. Les remplisseurs eux-mêmes peuvent avoir des proportions significatives d’anthracite dans leur composition(11). L’attaque d’alcali demeure une préoccupation, particulièrement aux températures les plus élevées, mais certaines études ont montré qu’avec l’utilisation du CA microporeux, les effets de l’attaque d’alcali sont minimisés(12). Cela ouvre la voie à une utilisation à long terme de CA dans les doublures.
Applications de réservoir de fusion et de métal fondu
Les applications de réservoir de fusion et de retenue exigent une résistance à long terme à la température et au choc thermique - CA est apprécié pour sa résistance à ceux-ci et à la corrosion chimique. La fusion de l’aluminium, en particulier, permet l’utilisation de revêtements et d’électrodes à base de carbone pendant de nombreuses années(12), avec des exemples d’électrodes du début des années 1980 qui emploient jusqu’à 75 % de CA en masse et ont des performances égales à celles des électrodes purement graphite(13). Même en tenant compte des processus de calcinage de haute qualité, CA est plus rentable que le graphite pur tout en conservant des niveaux élevés de performance. En tant que doublure, le CA est principalement présent pour l’isolation du pot et/ou du réservoir de retenue, c’est-à-dire pour empêcher le réglage en métal fondu in situ. Les électrodes et les revêtements peuvent être formés de façon conventionnelle sous forme de briques, de monolithes ou même de pastes qui sont en grande partie ca (et de petites quantités d’autres types de carbone) à base(14). Comme électrodes, une autre brève discussion sur les raisons pour lesquelles CA est approprié pour cette application peut être trouvée ci-dessous.
Comme ca est l’un des choix les plus populaires de revêtement des fonderies d’aluminium, avec des intervalles d’aluminerie d’une durée pouvant aller jusqu’à six ans, s’arrêtant seulement pour remplacer les cathodes(15), CA est utilisé dans certains scénarios à la fois comme composant cathodique et comme doublure. L’arrêt est nécessaire en raison de l’accumulation importante de carbure d’aluminium et tandis que la formation de carbure est favorisée sur les structures de carbone désordonnées (telles que CA)(16), CA est plus résistant à l’usure électrochimique(17), car l’adhérence des carbures peut être plus forte aux structures plus ordonnées. Par conséquent, CA peut être utilisé aux côtés d’autres matériaux de type carbone tels que le graphite pour fournir une doublure et une cathode qui remplit des propriétés idéalisées pour la conductivité et la résistance chimique, tout en équilibrant les questions de coût. L’anthracite non calciné ne serait pas systématiquement utilisé.
Anthracite électriquement calciné comme électrodes
En plus de tapisser les pots de fusion, l’anthracite calciné électriquement (ECA) peut être utilisé comme électrodes elles-mêmes ainsi que des pastes percutant. ECA est également connu pour ses performances de température supérieures et sa conductivité électrique accrue. Les électrodes peuvent être fabriquées à partir d’anthracite monolithique calciné (ou calciné électriquement), de demi-monolithes maintenus ensemble avec des pâtes à bélier ou en comprimant ca ou ECA et résine sous forme de chauffage(18).
Électrodes-anodes
Malgré la plupart des installations de production d’aluminium à partir de son minerai à l’aide d’une cathode anthracite, il existe quelques exemples où l’ECA a été utilisé comme anode. Les installations classiques qui ont pu utiliser du coke de pétrole à l’anode ont été remplacées dans certains cas par l’ECA(19). Anodes dérivées de l’ECA peut être efficace quand aussi peu que 20% par le poids de l’anthracite est utilisé - cependant une plus grande efficacité est atteinte quand au moins 40% par poids est utilisé. L’anthracite est particulièrement favorisée en raison de sa faible teneur en cendres - les sources de carbone à haute teneur en cendres sont associées à des électrodes à faible efficacité qui ne durent pas l’épreuve du temps(20) - loin d’être idéales dans une situation nécessitant un débit élevé constant pendant les périodes allongées.
Électrodes-cathodes
La cathode a été la maison la plus traditionnellement associée pour les matériaux CA et ECA dans le secteur de l’aluminium et d’autres métaux non ferreux fusion. La cathode est la «fin» chargée positivement. En tant qu’électrodes, la conductivité électrique supérieure du CA et de l’ECA est appréciée. En tant que matériaux qui seront soumis à des températures élevées, la stabilité thermique à long terme de CA et ECA est prisée. Les cathodes contemporaines à base de CA ou d’ECA sont composées d’environ 70% d’anthracite par poids, le reste étant du graphite et une sorte de liant goudronné. L’utilisation d’anthracite de qualité supérieure est cruciale car même des niveaux modestes d’impuretés telles que le soufre peuvent augmenter l’expansion thermique de la cathode; l’expansion thermique entraîne une augmentation de la résistance électrique; rendant ainsi le processus électrochimique moins efficace et nécessitant plus d’entrée d’énergie(21). D’autres avantages à l’utilisation de CA ou d’ECA dans les électrodes sont une forte résistance mécanique, une faible conductivité thermique et une bonne résistance à l’oxydation.
Électrodes/pastes percutantes
Les pâtes ramming sont des mélanges complexes utilisés par les fondeurs pour réparer les fissures qui peuvent se former dans les électrodes ou les revêtements de four - ou même pour unir les monolithes pour former la doublure du four en premier lieu. Les collants ramming peuvent être considérés comme un «ciment» qui maintient les revêtements réfractaires ensemble ainsi que d’un «plâtre collant» pour des réparations rapides, bien qu’une réparation qui dure longtemps. L’utilisation de pastes percutants est utile car cela signifie qu’une électrode entière n’a pas besoin d’être remplacée, par exemple, ou un monolithe très complexe doit être produit comme plus petit, plus facile à faire monolithes peuvent juste être fixés ensemble à la place. Cette dernière procédure est appelée formation d’un «demi monolithe»(22) et bien que les performances ne soient pas aussi bonnes que pour un monolithe unique et continu, le coût et la complexité sont tous deux considérablement réduits.
Les pâtes à bélier de la plus haute qualité sont fabriquées à partir d’anthracite calciné ou calciné électriquement. Comme le matériau utilisé pour les électrodes, il est fort et apprécié pour la stabilité à long terme. Selon la recherche, les pâtes à bélier à base d’ECA sont plus fortes que celles fabriquées à partir d’anthracite calciné conventionnel ou de graphite synthétique(23). Les matériaux liants utilisés dans la formation de la pâte ne jouent pas un rôle dans la force globale de la pâte - c’est-à-dire que la force est largement due à la présence d’ECA. Environ 80 % en poids de la pâte est généralement un agrégat carboné comme l’ECA, dont environ 5 % de poids est le liant et l’équilibre étant le tangage(24).
Les pâtes ramming basées sur l’une des variantes de l’anthracite sont utilisées comme pâtes à froid. Le «froid» se réfère au fait qu’ils sont appliqués à température ambiante et autorisés à refroidir à température ambiante. Bien que cela signifie qu’un certain temps est nécessaire pour permettre aux électrodes ou aux revêtements de pot de refroidir, cela signifie que le chauffage supplémentaire pour guérir la pâte n’est pas nécessaire. Les pâtisseries à bélier à froid sont appréciées pour leur haute résistance compressive et leurs faibles caractéristiques de résistance électrique(25). De faibles niveaux de gaz expulsés lorsque la pâte de bélier à froid est éventuellement chauffée in situ suggèrent que les pâtes à froid à base d’ECA sont une option beaucoup plus respectueuse de l’environnement que d’autres options plus bituminous(26).
Effet Rappoport
L’effet Rappoport dans les applications de fonderie et d’électrodes fait référence à la tendance des cathodes ou des blocs cathodiques de type carbone à se développer à température en raison de la pénétration de composés fluorés et de type sodium, eux-mêmes en grande partie liés à des impuretés dans le métal. L’effet Rappoport est un phénomène physique, et non chimique. Une telle expansion réduit l’efficacité de la cathode(19) et diminue sa surface disponible pour les processus d’électrolyse. La température et la structure de la calcination originale sont les principaux arbitres de l’observé de l’effet Rappoport(20). Le dimensionnement des pores petits et cohérents sur CA est considéré comme avantageux pour atténuer l’effet Rappoport. Il a été signalé que l’expansion de Rappoport est inversement proportionnelle à la température de calcination jusqu’à 2 000 oC(21).
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