Connaissances de base sur le carbone - explication détaillée des matières premières et des procédés de production du carbone

Matières premières pour la production de carbone
Parmi les matières premières couramment utilisées pour la production de carbone, les matières sèches comprennent le coke de pétrole, le coke d'asphalte, le coke métallurgique et l'anthracite, etc., et le liant est principalement de l'asphalte de charbon.

1. Coke de pétrole
Le coke de pétrole est la principale matière première pour la production de divers matériaux carbonés. Il présente une faible teneur en cendres, généralement inférieure à 1 %, et a tendance à se transformer en graphite à haute température. Les caractéristiques du coke de pétrole ont une incidence importante sur les propriétés des matériaux carbonés.

2. Coke d'asphalte
Le coke d'asphalte est un produit solide obtenu après cokéfaction de l'asphalte de charbon. La matière première pour sa production est soit de l'asphalte moyenne température, soit de l'asphalte haute température. L'asphalte moyenne température subit un traitement thermique à environ 1100 °C, ainsi qu'une série de transformations physico-chimiques complexes, pour former le coke d'asphalte.

Performance du coke d'asphalte

La teneur en cendres et en soufre est faible, généralement inférieure à 0,5 %, la teneur en matières volatiles est inférieure à 0,8 % et la densité réelle est d'environ 2,03 g/cm³.
Elle possède une structure dense, une texture dure, des pores uniformes et un aspect gris mat.
La teneur en oxygène est élevée car de l'air comprimé est insufflé pour l'oxydation lors du processus de production, et un grand nombre de structures de ponts d'oxygène se forment dans le coke d'asphalte, ce qui confère au coke d'asphalte une résistance mécanique élevée, mais il n'est pas facile de le transformer en graphite.
Sa conductivité électrique et thermique est inférieure à celle du coke de pétrole.
Le coefficient de dilatation thermique est élevé.
application de production du coke d'asphalte

Lors de la production d'électrodes en graphite, afin d'améliorer la résistance mécanique du produit, on ajoute généralement 20 à 25 % de coke bitumineux.
Lors de la production d'anodes précuites, afin d'améliorer la résistance du produit, une certaine proportion de coke d'asphalte est parfois ajoutée.
Lors de la production de blocs de charbon de haut fourneau, une petite quantité de coke d'asphalte est également ajoutée pour réduire la teneur en cendres du produit.

3. Anthracite
Le charbon naturel comprend la tourbe, le lignite, le charbon bitumineux et l'anthracite. La tourbe est une pierre à structure lâche, peu dure et à faible pouvoir calorifique. Avec la progression de la houillification, se forment progressivement des charbons modérément métamorphisés comme le lignite et le charbon bitumineux. À une profondeur encore plus grande, se forme l'anthracite, une pierre à faible teneur en matière organique, à structure compacte, à haute résistance et à fort pouvoir calorifique.

Propriétés de l'anthracite

Structure compacte avec peu de porosité.
Le monomère possède une résistance mécanique et une dureté élevées.
Lorsqu'il est concassé, il se fissure facilement au niveau des joints, et la surface de ses particules est lisse et plane, ce qui réduit son adhérence au liant. En production, l'anthracite n'est généralement pas utilisé seul comme matière première carbonée, mais en combinaison avec du coke de pétrole, du coke d'asphalte, du coke métallurgique et d'autres types de coke.
Exigences de qualité pour l'anthracite en tant que matière première carbonée. Le charbon anthracite est la principale matière première pour la production de divers blocs de carbone (tels que les cathodes pour l'aluminium) et de pâte d'électrode, mais il ne peut être utilisé pour produire des matériaux carbonés que s'il répond aux exigences de qualité suivantes.

La teneur en cendres doit être faible. Pour la production de blocs de charbon de haut fourneau, la teneur en cendres d'anthracite doit être inférieure à 8 % et le charbon ne doit pas contenir de gangue. La teneur en cendres d'anthracite utilisée pour la pâte d'électrode doit être inférieure à 10 %.
La résistance mécanique doit être élevée, et la solidité et le blocage doivent pouvoir être maintenus longtemps.
La stabilité thermique devrait être bonne.
La teneur en soufre doit être faible. D'une part, c'est une exigence pour la production de pâte et de blocs de charbon de bois ; d'autre part, une teneur élevée en soufre augmente le risque d'explosion des briquettes et entraîne une fuite de soufre lors de la calcination, provoquant une pollution environnementale.

4. Coke métallurgique
Le coke métallurgique est fabriqué à partir de plusieurs types de charbon bitumineux présentant différentes teneurs en matières volatiles et propriétés de cokéfaction, distillés à haute température (1000 à 1200 °C) dans un four à coke. En tant que matière première carbonée, il possède principalement les propriétés suivantes :

- Teneur élevée en cendres, généralement supérieure à 10 %.

- Résistance et dureté mécaniques élevées.

- Bonne conductivité thermique et grande stabilité thermique.

- Structure compacte avec peu de pores, lui conférant une forte résistance à l'oxydation.

5. Asphalte de charbon
Dans la production de carbone, l'asphalte de charbon est couramment utilisé comme liant car il remplit les conditions nécessaires aux liants carbonés :

- Se transforme en liquide visqueux dans la plage de températures appropriée.

- Bonne mouillabilité par rapport à la matière première principale.

- C'est une matière organique à faible teneur en cendres.

- Les performances ne changent pas significativement dans les conditions de processus spécifiées (temps, température, pression, etc.).

- Possède un pouvoir cokéfiant élevé.

- Pour les produits nécessitant une graphitisation, le liant est du charbon de bois qui se transforme facilement en graphite après cokéfaction.

processus de production de carbone
1. Caractéristiques du procédé de fabrication des matériaux carbonés
Les caractéristiques du procédé de fabrication des matériaux carbonés sont déterminées par les propriétés du carbone lui-même :

Sous pression normale, le carbone se sublime à 3550 ± 5 °C, passant directement de l'état atomique à l'état de vapeur moléculaire de carbone, sans passer par l'état liquide. De plus, le carbone possède une grande stabilité thermique et est difficile à chauffer et à faire vibrer ; il ne peut donc pas être préparé par chauffage et fusion.

Le carbone étant chimiquement stable, il ne peut être produit par synthèse chimique.

Le carbone s'oxyde facilement à l'air, il doit donc être traité thermiquement sous atmosphère protectrice lors de sa fabrication.

La fabrication de matériaux carbonés est un procédé de traitement thermique de gaz, liquides ou solides organiques contenant du carbone, dans des conditions de pression normale, de température élevée et d'isolation à l'air, de sorte que le carbone restant après traitement thermique passe d'une structure bidimensionnelle désordonnée à une structure en couches ordonnée avec un agencement tridimensionnel.

2. Procédé de production de matériaux carbonés
Le procédé de base de production de carbone comprend : le prétraitement des matières premières (pré-broyage, calcination) ; le broyage, le criblage et le calibrage des matières premières ; le dosage des matières premières granulaires et pulvérulentes ; l’ajout d’un liant et le mélange ; la formation de la pâte après mélange ; la cuisson des produits moulés ; la graphitisation des produits semi-finis après cuisson ; pour les produits nécessitant une densité et une résistance élevées, l’ébauche cuite doit également être imprégnée puis cuite.