Introduction et analyse des électrodes en graphite

Chaîne industrielle des électrodes en graphite

L'électrode de graphite, également appelée électrode de graphite artificiel, se compose de coke de pétrole, de coke d'aiguille comme matières premières, de brai de goudron de houille comme liant, après calcination des matières premières, broyage de la poudre, dosage, mélange, moulage, torréfaction, imprégnation, graphitisation et traitement mécanique, et se compose d'un matériau conducteur en graphite résistant aux températures élevées.

L'utilisation des excellentes propriétés physiques et chimiques de l'électrode en graphite pour produire les principales variétés de produits en carbone de l'électrode en graphite est devenue une partie importante de l'industrie contemporaine des matières premières.

En amont de la chaîne industrielle, on trouve principalement des fournisseurs de coke de pétrole, de coke d'aiguille et d'autres matières premières, ainsi que des fournisseurs d'équipements de production. Les matières premières représentent une grande partie du coût de production des électrodes en graphite, soit plus de 65%. Les entreprises de production d'électrodes en graphite se situent au milieu de la chaîne et, en aval, on trouve les fours électriques de fabrication d'acier, les fours électriques de fusion du silicium, les fours électriques de fusion du phosphore jaune et d'autres domaines.

Classification des électrodes en graphite

En fonction des différences entre les matières premières et les indicateurs physiques et chimiques des produits finis, les électrodes en graphite sont divisées en trois catégories : électrode de graphite de puissance ordinaire (RP), électrode de graphite de puissance élevée (HP) et électrode de graphite de puissance ultra-élevée (UHP).

Indice de l'électrode en graphite

Les principaux indicateurs permettant de mesurer la qualité de l'électrode en graphite sont la résistivité, la densité volumique, la résistance mécanique, le coefficient de dilatation thermique, le module d'élasticité, etc. La résistance à l'oxydation et la résistance aux chocs thermiques des électrodes en graphite sont liées aux indicateurs susmentionnés ; la précision des produits d'usinage et la fiabilité de la connexion sont également des éléments de test importants.

● La résistivité
C'est la résistance d'un conducteur au courant qui le traverse. Elle est numériquement égale à la résistance d'un conducteur d'une longueur de 1 m et d'une surface de section de 1 m2 à une température donnée, ce qui réduit la consommation à l'usage. Habituellement mesurée par la méthode de la chute de tension, la taille de la résistivité peut mesurer le degré de graphitisation de l'électrode de graphite ; plus la résistivité de l'électrode de graphite est faible, plus la conductivité thermique est élevée, meilleure est la résistance à l'oxydation.

● Densité du volume
L'augmentation de la densité apparente permet de réduire la porosité, d'améliorer la résistance mécanique et la résistance à l'oxydation. Toutefois, si la densité apparente est trop élevée, la résistance aux chocs thermiques diminue. Par conséquent, d'autres mesures doivent être prises pour compenser cette déficience. Par exemple, l'augmentation de la température de graphitisation pour accroître la conductivité thermique de l'électrode et l'utilisation de coke d'aiguille comme matière première pour réduire le coefficient de dilatation thermique du produit fini.

● Résistance mécanique
La résistance mécanique de l'électrode de graphite est divisée en trois types de résistance : la résistance à la compression, la résistance à la flexion et la résistance à la traction ; la détermination principale de la résistance à la flexion, la résistance à la flexion est l'indicateur de performance lié à l'utilisation et à la rupture de l'électrode de graphite. Dans le four électrique, lorsque l'électrode et l'objet non conducteur entrent en contact, ou en raison de l'effondrement de la collision, de fortes vibrations et d'autres raisons, l'électrode en graphite risque souvent d'être cassée, alors que l'électrode en graphite ayant une résistance élevée à la flexion n'est pas facile à casser.

● Module d'élasticité
Le module d'élasticité est un aspect important des propriétés mécaniques. Il s'agit d'un indice permettant de mesurer la capacité de déformation élastique des matériaux et se réfère au rapport contrainte-déformation dans la plage de déformation élastique. Plus le module d'élasticité est élevé et plus la déformation élastique est importante pour produire la contrainte souhaitée, plus le module d'élasticité du matériau fragile est élevé et plus le module d'élasticité du matériau flexible est faible.

● Coefficient de dilatation thermique
Le graphite, en tant que coefficient d'influence de la dilatation thermique de l'électrode, est un paramètre de performance thermique très important. Plus la valeur est faible, plus la stabilité thermique des produits chinois est forte, plus la résistance à l'oxydation est élevée, plus la performance à l'usage peut être reflétée : moins il y a de ruptures, plus la consommation est faible.

La qualité de l'électrode de graphite dépend de la performance de la matière première, de la technologie du processus, de la gestion et de l'équipement de production, parmi lesquels la performance de la matière première est la condition principale. Les propriétés physiques et mécaniques de l'électrode en graphite de puissance ordinaire, qui utilise du coke de pétrole de qualité ordinaire, sont faibles : résistivité élevée, coefficient de dilatation linéaire important, mauvaise résistance aux chocs thermiques, de sorte que la densité de courant autorisée est faible.

L'électrode graphite haute puissance utilise du coke de pétrole de haute qualité (ou du coke d'aiguille de basse qualité), ses propriétés physiques et mécaniques sont plus élevées que celles de l'électrode graphite haute puissance ordinaire, ce qui permet une densité de courant plus importante. Les électrodes en graphite de très haute puissance doivent être produites à partir de coke d'aiguille de haute qualité. La qualité des joints des électrodes de graphite de haute et de très haute puissance est particulièrement importante. Non seulement la résistivité électrique et le coefficient de dilatation linéaire de la billette de joint sont inférieurs à ceux du corps de l'électrode, mais la billette de joint doit également présenter une résistance à la traction et une conductivité thermique plus élevées. Afin d'améliorer la fiabilité de la connexion des électrodes, le connecteur doit être équipé d'un boulon de connexion.

Caractéristiques de production des électrodes en graphite

La principale matière première pour la production d'électrodes en graphite est le coke de pétrole (y compris le coke d'aiguille). Une petite quantité de coke d'asphalte peut être ajoutée à la production d'électrodes de graphite de puissance ordinaire. L'agent de liaison est l'asphalte de charbon.

(1) Le processus de production est multiple et le cycle de production est long. Le cycle de production d'une électrode de graphite de puissance ordinaire est d'environ 45 jours, et celui d'une électrode de graphite de puissance ultra-élevée est de plus de 70 jours. Les joints qui nécessitent des imprégnations multiples ont des cycles de production plus longs.

(2) Consommation d'énergie élevée : une électrode de graphite de puissance ordinaire d'une tonne doit consommer environ 6 000 kW-h d'électricité, des milliers de mètres cubes de gaz ou de gaz naturel, des particules de coke métallurgique et de la poudre de coke métallurgique (énergie secondaire) d'environ 1 tonne.

(3) La production d'électrodes en graphite nécessite un grand nombre de machines et d'équipements spéciaux ainsi qu'une structure particulière du four ; l'investissement dans la construction est important et la période d'amortissement de l'investissement est longue.

(4) Le processus de production des électrodes de graphite produit une certaine quantité de poussière et de gaz nocifs ; il est donc nécessaire de prendre des mesures de protection de l'environnement en matière de ventilation, de dépoussiérage et d'élimination des gaz nocifs.

Processus de production d'électrodes en graphite

Le processus de production de l'électrode en graphite est illustré dans la figure. Les principaux processus de production sont les suivants :

(1) Calcination
Le coke de pétrole ou le coke d'asphalte doivent être calcinés, la température de calcination doit atteindre 1300℃, afin d'éliminer complètement les matières volatiles de la matière première, d'améliorer la densité réelle et la conductivité électrique du coke.

(2) Concassage, criblage et ingrédients
La matière première calcinée est cassée et tamisée en particules agrégées de taille spécifiée, et une partie de la matière première est broyée en poudre fine. Après avoir été pesé selon la formule, le mélange de diverses particules est assemblé.

(3) Pétrissage
À l'état de chauffage, le mélange quantitatif de diverses particules et le liant quantitatif sont mélangés et malaxés pour former une pâte plastique.

(4) Forme
Sous l'action d'une pression externe (moulage ou extrusion) ou d'une vibration (moulage par vibration), la pâte est pressée pour donner une certaine forme et une densité plus élevée à l'ébauche.

(5) Rôtissage
La billette a été placée dans un four à haute température spécialement conçu, et la billette a été recouverte d'un matériau de remplissage (poudre de coke ou sable de rivière), et la température a été progressivement augmentée jusqu'à environ 900 ~ 1100℃ pour carboniser le liant, afin d'obtenir le produit torréfié.

(6) Trempage
Afin d'améliorer la densité apparente et la résistance mécanique du produit, le produit torréfié est chargé dans l'autoclave et l'agent d'imprégnation liquide est pressé dans les pores du produit torréfié. Après l'imprégnation, le produit doit être torréfié à nouveau. Afin d'obtenir une ébauche de joint de haute densité et de haute résistance, l'imprégnation doit être répétée 2 ~ 3 fois.

(7) Graphitisation
Chargez le produit calciné dans le four de graphitisation (recouvert d'un matériau isolant) et utilisez la méthode de chauffage par électrification directe. Les propriétés physiques et chimiques de l'électrode en graphite artificiel ont été obtenues en transformant le produit calciné en une structure de cristaux d'encre.

(8) Traitement mécanique
Selon les exigences d'utilisation, l'ébauche graphitée est traitée pour le tournage de la surface, le traitement de la face frontale et le traitement des trous de vis pour la connexion, puis pour les joints de connexion.

(9) Le produit fini est emballé après avoir passé l'inspection.

Situation de l'industrie des électrodes en graphite

Actuellement, les entreprises chinoises d'électrodes en graphite sont principalement réparties dans le nord de la Chine, le centre de la Chine, l'est de la Chine, le nord-est de la Chine, le nord-ouest de la Chine et d'autres régions. La Chine du Nord est la région la plus concentrée en capacité de production d'électrodes de graphite en Chine, représentant 29,5% de la capacité de production de la Chine, principalement dans les petites et moyennes entreprises ;

La région du nord-est représente 22% de la capacité de production de la Chine. Vient ensuite le nord-ouest, qui représente 14% de la capacité chinoise. L'autre région est la Chine centrale, la Chine de l'Est. Les participants sont principalement des entreprises privées, et la Chine représente environ 50% de la production mondiale d'électrodes en graphite.

L'électrode de graphite est une industrie à forte consommation d'énergie et à fortes émissions, et l'expansion future de sa production pourrait être limitée dans le contexte d'une double limite élevée. Il faut 1,69 tonne de charbon standard pour produire une tonne d'électrodes en graphite. Selon la méthode de conversion de 2,66 tonnes de dioxyde de carbone pour une tonne de charbon standard, l'émission de carbone d'une seule tonne d'électrodes en graphite est de 4,48 tonnes, de sorte que l'expansion future de la production risque d'être limitée.

Les principaux fabricants chinois d'électrodes en graphite sont Fangda carbon, Jilin carbon, Kaifeng carbon, Liaoning Dan carbon, Nantong carbon, etc. En tant qu'entreprise leader de l'industrie chinoise des électrodes en graphite, Fangda Carbon détient une part de marché supérieure à 20% en Chine, et sa capacité de production d'électrodes en graphite est la troisième au monde.

Sur le marché des électrodes en graphite pour ultra-haute puissance, en raison des exigences techniques élevées des électrodes en graphite pour ultra-haute puissance, les principales entreprises dotées d'une force technique correspondante dans l'industrie représentent plus de 80% de la part de marché des produits pour ultra-haute puissance en termes de capacité mise en circulation.

Les grandes entreprises d'électrodes en graphite du secteur intermédiaire ont un fort pouvoir de négociation sur l'industrie sidérurgique en aval, exigeant que les clients en aval reçoivent le paiement et la livraison sans fournir de période de compte.

L'offre sur le marché des électrodes de graphite devrait continuer à se contracter. D'une part, le coût est élevé, la demande n'est pas bonne et l'enthousiasme de production des entreprises d'électrodes de graphite est insuffisant. Afin d'éviter l'accumulation de stocks, il est prévu de réduire la production ou de suspendre la production d'électrodes de type pression et d'autres processus.

D'autre part, le marché actuel des matériaux négatifs se porte toujours bien, l'électrode anodique et sa transformation génèrent des bénéfices considérables, certains fabricants d'électrodes en graphite ont attiré des bénéfices et se sont convertis à la transformation de l'anode ou de la cathode. Si vous souhaitez en savoir plus, vous pouvez obtenir des informations pertinentes dans les articles suivants Sociétés de matériaux d'anode pour batteries au lithium-ion et fabricants de matériaux d'anode.