Le processus de production de matériaux carbonés est un système d'ingénierie rigoureusement contrôlé. La production d'électrodes en graphite, de matériaux carbonés spéciaux, de carbone aluminium et de nouveaux matériaux carbonés haut de gamme repose indissociable de l'utilisation de matières premières, d'équipements, de technologies et de la gestion de ces quatre facteurs de production, ainsi que des technologies propriétaires associées.
Les matières premières sont des facteurs clés qui déterminent les caractéristiques fondamentales des matériaux carbonés, et leur qualité conditionne celle des matériaux carbonés finis. Pour la production d'électrodes en graphite UHP et HP, le coke d'aiguille de haute qualité est indispensable, de même qu'un liant bitumineux et un agent d'imprégnation bitumineux de haute qualité. Cependant, même des matières premières de haute qualité ne suffisent pas ; sans équipements, technologies, facteurs de gestion et savoir-faire spécifiques, il est impossible de produire des électrodes en graphite UHP et HP de haute qualité.
Cet article se concentre sur les caractéristiques du coke d'aiguille de haute qualité afin d'exposer quelques points de vue personnels, à destination des fabricants de coke d'aiguille, des fabricants d'électrodes et des instituts de recherche scientifique.
Bien que la production industrielle de coke d'aiguille en Chine soit plus tardive que celle des entreprises étrangères, elle s'est développée rapidement ces dernières années et commence à se structurer. En termes de volume total, elle peut globalement satisfaire la demande de coke d'aiguille pour les électrodes en graphite UHP et HP produites par les entreprises carbonées nationales. Cependant, un écart subsiste en termes de qualité par rapport aux entreprises étrangères. Les fluctuations de rendement des lots influent sur la demande de coke d'aiguille de haute qualité pour la production d'électrodes en graphite UHP et HP de grande taille, notamment en ce qui concerne le coke de joint de haute qualité nécessaire à la fabrication de ces électrodes.
Les entreprises étrangères du secteur du carbone, qui produisent des électrodes en graphite UHP et HP de grande dimension, privilégient souvent le coke d'aiguilles de pétrole de haute qualité comme matière première principale. Les entreprises japonaises utilisent également du coke d'aiguilles de charbon, mais uniquement pour la production d'électrodes en graphite de diamètre supérieur à 600 mm. Actuellement, en Chine, le coke d'aiguilles est principalement issu du charbon. La production d'électrodes en graphite UHP de haute qualité à grande échelle par les entreprises du secteur du carbone repose souvent sur l'importation de coke d'aiguilles de pétrole, notamment pour la production d'électrodes de haute qualité issues d'un mélange de coke d'aiguilles de pétrole Suishima (Japon) et de coke d'aiguilles de pétrole HSP (Royaume-Uni).
Actuellement, le coke d'aiguille produit par différentes entreprises est généralement comparé aux performances commerciales du coke d'aiguille étranger à l'aide d'indices de performance conventionnels, tels que la teneur en cendres, la masse volumique réelle, les teneurs en soufre et en azote, la granulométrie, le coefficient de dilatation thermique, etc. Cependant, il n'existe toujours pas de classification des différentes qualités de coke d'aiguille par rapport à l'étranger. Par conséquent, la production de coke d'aiguille, même qualifiée de « produit unique », ne permet pas de distinguer les cokes d'aiguille de haute qualité.
Outre la comparaison classique des performances, les entreprises du secteur du carbone doivent également s'intéresser à la caractérisation du coke d'aiguilles, notamment à la classification du coefficient de dilatation thermique (CTE), à la résistance des particules, au degré d'anisotropie, aux données de dilatation à l'état non inhibé et à l'état inhibé, ainsi qu'à la plage de températures entre dilatation et contraction. Ces propriétés thermiques du coke d'aiguilles étant cruciales pour le contrôle du processus de graphitisation lors de la production d'électrodes en graphite, l'influence des propriétés thermiques du coke d'asphalte formé après la calcination du liant et de l'agent d'imprégnation bitumineux ne peut être négligée.
1. Comparaison de l'anisotropie du coke d'aiguilles
(A) Échantillon : corps d'électrode UHP φ 500 mm d'une usine de carbone nationale ;
Matière première : coke d'aiguilles (qualité LPC-U de la nouvelle chimie japonaise), proportion : 100 % LPC-U ; Analyse : usine SGL de Griesheim ; Les indicateurs de performance sont présentés dans le tableau 1.
(B) Échantillon : corps d'électrode HP φ 450 mm d'une usine de carbone nationale ; Matière première : coke d'aiguilles d'huile d'une usine nationale, ratio : 100 % ; Analyse : usine de carbone de Shandong Bazan ; Les indicateurs de performance sont présentés dans le tableau 2.
Comme le montre la comparaison des tableaux 1 et 2, le coke aciculaire de qualité LPC-U issu des gisements de charbon de la nouvelle gamme Daily Chemical présente une forte anisotropie de ses propriétés thermiques. L'anisotropie du coefficient de dilatation thermique (CTE) peut atteindre 3,61 à 4,55, et celle de la résistivité est également importante, de l'ordre de 2,06 à 2,25. Par ailleurs, la résistance à la flexion du coke aciculaire pétrolier domestique est supérieure à celle du coke aciculaire de qualité LPC-U issu des gisements de la nouvelle gamme Daily Chemical. Enfin, la valeur de son anisotropie est nettement inférieure.
L'analyse des performances du degré d'anisotropie dans la production d'électrodes en graphite à ultra-haute puissance est une méthode d'analyse importante pour estimer la qualité de la matière première de coke d'aiguille. L'ampleur du degré d'anisotropie a bien sûr une certaine influence sur le processus de production des électrodes. Un degré d'anisotropie élevé améliore les performances en cas de choc thermique extrême, tandis qu'un degré d'anisotropie élevé améliore la puissance moyenne des petites électrodes.
Actuellement, la production de coke d'aiguilles de charbon en Chine dépasse largement celle du coke d'aiguilles de pétrole. En raison du coût élevé des matières premières et du prix des produits carbonés, il est difficile d'utiliser exclusivement du coke d'aiguilles de fabrication chinoise pour la production d'électrodes UHP. L'ajout d'une certaine proportion de coke de pétrole calciné et de poudre de graphite est donc nécessaire. Par conséquent, l'évaluation de l'anisotropie du coke d'aiguilles chinois s'avère complexe.
2. Propriétés linéaires et volumétriques du coke d'aiguille
Les variations linéaires et volumétriques du coke d'aiguille se reflètent principalement dans le processus de graphite produit par l'électrode. Lors de la montée en température, le coke d'aiguille subit une dilatation et une contraction linéaires et volumétriques, ce qui influe directement sur les variations linéaires et volumétriques du lingot issu du grillage de l'électrode. Ces variations diffèrent selon les propriétés du coke brut utilisé et sa qualité. De plus, la plage de température des variations linéaires et volumétriques varie également entre les différentes qualités de coke d'aiguille et de coke de pétrole calciné. Seule la maîtrise de ces caractéristiques du coke brut permet un meilleur contrôle et une optimisation de la séquence chimique de production du graphite, notamment lors du processus de graphitisation en série.
Le tableau 3 présente les variations linéaires et volumiques ainsi que les plages de température de trois qualités de coke d'aiguilles de pétrole produites par Conocophillips au Royaume-Uni. L'expansion linéaire se produit en premier lorsque le coke d'aiguilles de pétrole commence à chauffer, mais la température de début de contraction linéaire est généralement inférieure à la température maximale de calcination. L'expansion linéaire débute entre 1 525 °C et 1 725 °C, et la plage de température de la contraction linéaire est étroite, de seulement 200 °C. La plage de température de la contraction linéaire du coke de pétrole ordinaire à calcination retardée est beaucoup plus large que celle du coke d'aiguilles, et celle du coke d'aiguilles de charbon se situe entre les deux, légèrement supérieure à celle du coke d'aiguilles de pétrole. Les résultats des tests de l'Institut de test des technologies industrielles d'Osaka au Japon montrent que plus les performances thermiques du coke sont mauvaises, plus la plage de température de retrait de la ligne est grande, jusqu'à une plage de 500 à 600 °C, et que la température de début du retrait de la ligne est basse, à 1150 à 1200 °C, ce qui est également une caractéristique du coke de pétrole retardé ordinaire.
Plus les propriétés thermiques et l'anisotropie du coke d'aiguilles sont élevées, plus la plage de température de contraction linéaire est étroite. Certains cokes d'aiguilles de haute qualité issus du pétrole présentent une plage de contraction linéaire de seulement 100 à 150 °C. Il est très avantageux pour les entreprises du secteur du carbone de maîtriser les caractéristiques de dilatation, de contraction et de re-dilatation linéaires des différents cokes utilisés comme matières premières, afin d'optimiser leur processus de graphitisation et d'éviter ainsi la production de déchets de qualité inutiles, contrairement aux méthodes empiriques traditionnelles.
3. Conclusion
La maîtrise des différentes caractéristiques des matières premières, le choix d'équipements adaptés, une bonne combinaison de technologies et une gestion d'entreprise plus scientifique et rationnelle, ainsi que le contrôle rigoureux et la stabilité de l'ensemble du système de processus, constituent les bases de la production d'électrodes en graphite de haute qualité, ultra-haute puissance et haute puissance.
Date de publication : 30 décembre 2021