moule à sable utilisé avec anthracite

Anthracite dans les moulages, revêtements réfractaires et autres applications de fonderie

L’anthracite est un type de charbon qui, en plus de l’utilisation évidente comme combustible, a d’autres applications dans le domaine de la fabrication réfractaire / haute température.

Comme il est combustible, l’utilisation de l’anthracite dans les applications à haute température exige qu’il soit utilisé d’une manière sacrificielle, sous une forme traitée à la chaleur (calciné) ou comme un composant dans un réfractaire plus large. L’anthracite est l’une des formes les plus dures de charbon, avec une forte teneur en carbone, il brûle relativement proprement par rapport à ses pairs. L’abondance de l’anthracite et donc le faible coût en fait un matériau attrayant pour une variété d’applications.

Pour la brièveté et la clarté, l’anthracite qui a été calcinée sera appelée «CA» tout au long de ce texte. Un processus de calcination de haute qualité, par exemple l’électro-calcination, est nécessaire pour atteindre la QUALITÉ CA de haute qualité - mais cela nécessite dans l’ensemble une bonne source d’anthracite comme matériau de départ(1)

fonderie-chromesand

Utilisations de l'anthracite dans les pièces moulées

Dans les environnements de coulée, la taille des pores du moule de coulée est importante comme si la taille des pores est trop grande, de petites quantités de métal fondu peuvent s’accumuler en eux et refroidir, produisant des «whiskers», qui doivent être moulus sur le produit final, ajoutant du temps et des dépenses à un processus. CA a de petits pores de taille constante, et selon la coulée, le CA peut se comporter dans une méthode sacrificielle et brûler. En particulier utilitaire à la production de métaux, l’anthracite hautement calcinée peut être utilisé dans un réfractaire graphitique castable monolithique(2). Cet exemple particulier est formé comme une boue et le monolithe est généré in situ dans le four, il est dû à la ligne, mais le déversement et le durcissement d’un réfractaire slurried autour d’un modèle dans le sens traditionnel est également une méthode populaire. Lorsque l’anthracite est ajoutée aux castables réfractaires, les coulées ont été signalées comme étant plus lisses(3) et des quantités moindres de polluants en raison de la pureté relative de CA par rapport à d’autres sources de carbone.

Utilisations anthracite dans les doublures

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.

métal fondu étant versé, nécessite des matériaux réfractaires pour le faire
métal fondu étant versé dans des moules faits avec des sables de remplissage

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 cuve 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 fonderie d’aluminium, en particulier, a permis l’utilisation de revêtements et d’électrodes de fonderie à base de carbone pendant de nombreuses années(13), avec des exemples d’électrodes du début des années 1980 employant jusqu’à 75 CA par masse et ayant des performances égales à celles avec du graphite purement électrodes(14). 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 doublures peuvent être formées de façon conventionnelle sous forme de briques, de monolithes ou même de pâtes qui sont en grande partie CA (et de petites quantités d’autres types de carbone) à base(15). Comme électrodes, une autre brève discussion sur les raisons pour lesquelles CA est approprié pour cette application peut être trouvée ci-dessous.

Comme l’AC est l’un des choix les plus populaires de revêtement des fonderies d’aluminium, avec des intervalles de fonderie pouvant durer jusqu’à six ans, s’arrêtant seulement pour remplacer les cathodes(16), CA est utilisé dans certains scénarios à la fois comme un 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 (comme CA)(17), CA est plus résistant à l’usure électrochimique(18), comme l’adhérence des carbures peut être plus forte à plus structures 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.

moules en sable vert
produits métalliques fabriqués à l'aide de poussière de charbon

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).

métal chaud juste à la sortie du four qui a utilisé l’anthracite

Autres applications de fonderie

D’autres
utilisations
de fonderie incluent, l’anthracite calcinée, qui a été utilisé comme composant dans les électrodes dans les fours, en plus de l’application de doublure précédemment mentionnée, pour des métaux tels que le titane et l’aluminium mentionné précédemment. Ces électrodes sont généralement en grande partie à base de carbone ou de graphite. Les principales raisons de l’utilisation de ca sont sa nature peu coûteuse et les profils intéressants de résistance électrique(22). L’anthracite non traité est relativement très résistant à l’électricité (c.-à-d. un mauvais conducteur), mais le CA traité entre 600 et 900 oC montre une perte de résistance de l’ordre de deux à trois ordres de grandeur; n’atteignant que 1 000 euros à 1 300 oC(23), avec des valeurs similaires observées dans d’autres études(24). La calcination est également associée à une augmentation de la force structurelle, avec des niveaux de porosité fluctuantmais mais des changements substantiels ne sont pas remarqués. Notamment, l’anthracite commence à subir la graphitisation à ca. 2 200 oC(25).

poussière de charbon utilisée dans le processus de moulage
moules qui utilisent l’anthracite

Sommaire

  • L’anthracite est une forme utile et peu coûteuse de charbon qui a de nombreuses applications dans la sphère réfractaire
  • Dans la fabrication de métal, CA peut être employé dans la production des moules pour des coulées en métal fondu
  • En tant qu’élément clé des revêtements des hauts fourneaux, ca est apprécié pour ses performances et sa longévité à des températures élevées, sur de longues périodes, sous forme de monolithe ou de brique réfractaire. Ceux-ci sont largement utilisés dans la production de fer et d’acier
  • CA est utilisé comme l’un des matériaux clés dans la doublure de pot de fonderie pour les métaux électriques raffinés tels que l’aluminium - un processus clé industriellement et économiquement important
  • Dans la production d’autres métaux, CA peut être utilisé comme composant dans les électrodes en raison de sa résistance structurelle et de son bon profil de conductivité électrique à la température
Pot rempli d’anthracite moulue

Références:

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

2 Brevet américain US9695088B2, 2010

3 P. Jelonk et J. Beo, Arc. Fonderie. Eng., 2000, 8, 67

4 A. Singh, Trans. Ind. Ceram. Soc., 1982, 41, 21

5 R. M. Duarte et coll., Ironmaking and Steelmaking, 2013, 40, 350

6 F. Vernilli et coll., Ironmaking and Steelmaking, 2005, 32, 459

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

8 S. V. Olebov, Réfractaires, 1964, 5, 189

9 M.W. Meier et coll., Light Metals, 1994, 685

10 P. G. Whiteley, Steel Times Inter., 1990, 11, 32.

11 J. Tomala et S. Basista, Micropore Carbon Furnace Lining, dans: INFACON XI, New Delhi, 2017

12 B. Chatterjee et K. K. Singh, Refractory Practices in Ferro-alloy Smelting Furnaces, in: 4th Refresher Course on Ferro Alloys, Jamedepur, Inde, 1994

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

14 M. Born et al., Freiberger Forschungshefte A, 1990, 603, 56 (en allemand)

15 K. M. Khaji et coll., J. Inst. Eng. (Inde), 1982, 63, 60

16 S. Pietrzyk et coll., Arch. Metall. Mater., 2014, 59, 545

17 B. Welch et coll., Light Metals, 2000, 399

18 N. Akuzawa et coll., Light Metals, 2008, 979

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

20 Rapoport et Samoilenko, Tsvetnye Metally, 1957, 2, 44 (en russe)

21 D. Belitskus, Metallurg. Trans. B 1977, 8 591

22 I. M Kashlev et V. M. Strakhov, Coke and Chemistry, 2008, 61, 136

23 I. V. Surotseva et coll., Coke and Chemistry, 2012, 55, 231

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

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