Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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L'invention concerne des grains carbonés synthétiques
à hautes caracteristiques mécaniques, leur procédé de fabrication
et leur utilisation pour l.a réalisation de produits carbonés
de toutes natures/ tels que blocs carbonés, électrodes et pâtes
carbonées.
Il est connu que certains charbons à teneur en matières
volatiles inférieure à 20 ~ ou anthracites naturels ont, sous
forme de grains, des propriétés de résistance mécanique parti-
culièrement élevées, qui les rendent aptes à des uti.lisations
spéciales. Ces grains sont, en particulier, le constituant
de base des blocs carbonés utilisés comme revêtements de:fours
ou de cellules d'électrolyse. Ils servent aussi à la fabrication
d'électrodes et encore à la préparation de pâtes carbonées.
Pour ces diverses fabrications, les grains carbonés
naturels sont d'abord calcinés à des températures de l'ordre
de 1200 à 2400~ C puis mélangés en proportion convenable à un
ou plusieurs liants, carbonés ou non, tels que des brais, des
goudrons, des résines synthétiques. Les qualités de charbon
ou d'anthracite les plus appréciées sont celles qui fournissent,
~0 après calcination, des grains de grande dureté et de grande
stabilité thermique.
A la suite du développement des utilisations de ces
grains carbonés naturels à hautes caractéristiques et aussi
de l'épuisement de certaines mines, on constate que les quantités
disponibles deviennent insu~fisantes et que les prix ont tendance
à augmenter. Par contre, il est connu que l'e~traction de ces
matières carbonées du sous-sol ainsi que le concassage des
fractions les plus grossières, s'accompagnent de la production
de quantités relativement ~rès importantes de fines carbonées
de grosseur inférieure à 1 mm pour lesquelles les utilisations
tendent à se réduire. Pour cette raison, ces fines sont dis-
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ponibles à des prix relativement bas.
L'une des utilisations classiques de ces fines est
la fabrication de boulets agglom~rés par compression avec un
liant le plus souvent hydrocarboné. Ces boulets servent
principalement au chauffage domestique, utilisation qui a
considérablement reculé dans ces dernières années.
On a eu l'idée de remplacer les grains carbonés
naturels par des grains synthétiques, obtenus à partir de
fines, celles-ci étant d'abord agglomérées sous forme de boulets
qui sont ensuite calcinés à haute température, puis concassés
de façon à obtenir des grains de la granulométrie désirée~
Des essais préalables, effectués sur des boulets
obtenus par mélange de fines d'anthracite et d'une certaine
- proportion de brai ou de goudron, ont montré qu'il n'est pas
possible d'obtenir de façon industrielle, par la méthode
habituelle de calcination à haute température, des produits
agglomérés solides. Si la calcination est effectuée sur des
boulets à teneur relativement faible en liant, c'est-à-dire
contenant environ 6 a 10 % en poids de brai et/ou de goudron,
on constate que les koulets se désagrègent peu à peu pendant
le passage dans le ~our de calcination.
Si on accroit la proportion de liant, jusque vers 15 %
environ, les caractéristiques mécaniques des boulets crus, tels
qu'ils sortent des presses d'agglomération, s'améliorent mais,
lorsqu'on essaie de les calcinerr on constate que ces boulets
se soudent les uns aux autres et qu'ils se prennent en masse.
D'autres essais e-ffectués en faisant subir à des
boulets, contenant environ 15 % de liant, un prétraitement en
four tournant vers 700 à 800~ C n'ont pas donné de meilleurs
résultats. On a constaté, en e~fet, que lorsqu'on calcine à
plus de 1300~ C ces boulets prétraités, ils se désagrègent de
la même fa~on que les boulets a basse teneux initiale en liant.
On a donc recherché un procede cle preparation des
grains carbonés synthétiques à hautes caractéristiques mécani~
ques, dans lequel on calcine à une temperature finale de
llordre de 1200 ~ 2400~C, sans désagrégation ni collage, des
fines d'anthracite et~ou de cer-tains charbons à teneur en
matières volatiles inférieure a 20 ~, qui ont été préalablement
agglomérées, sous forme de boulets, ces boulets fournissant
ensuite par concassage des grains synthetiques à haute caracte-
ristiques mécaniques ayant la composition granulométriquevoulue.
On a reussi à réaliser un procédé pour la production
d'une couche mince et dure à la peripherie de boulets crus
contenant des Eines d'anthracite et/ou d'autres charbons natu-
rels ayant une teneur en matieres volatiles inferieure à 20 ~, r
dans lequel les boulets sont exposes pendant quelques minutes
a une atmosphere oxydante portee à une temperature comprise
entre 650 et 1 000~C. Le temps de traitement par le courant
gazeux peut être compris entre 1 et 5 minutes, e.g. environ 2
minutes.
- Les fines utilisées peuvent etre des fines de granu- I
lometrie inferieure à 2 mm et dont au moins 80 % est inferieur t
à 1 mm.
Suivant l'invention on peut faire subir aux boulets
crus resultant de l'agglomeration de fines d~anthracite et/ou
d'autres charbons à teneur en matières ~olatiles inferieure a
20 % avec 10 à 30 % de liant, un double traitement thermique
qui comporte une première étape dans laquelle ces boulets dont L
la temperature initiale est, de preference, comprise entre
l'ambiante et 200~C, sont mis en contact en couche mince, pen
dans quelques minutes seulement, avec un courant gazeux oxydant
porte a une température d'environ 650 à 1000~C, puis une deu
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o,,t,~
deuxième étape dans laquelle les boulets sont calcines dans un
four jusqu'a une temperature finale comprisP entre 1200 et
2400~C. Apres refroidissement, les boulets ainsi obtenus son-t
concasses en grains de la granulometrie des:iree pour les
applications ultérieures.
En particulier, la présente invention propose un
procédé de preparatlon de grains ~arbonés synthetiques à base
de fines d'anthracite et/ou d'autres charbons naturels a teneur
en mati.ères volatiles inférieure a 20 % qui comprend les étapes
suivantes:
- formation de boulets crus comprenan-t au moins 50~ en masse de
fines d'anthracite et/ou d'autres charbons naturels et 10 a
30 % en masse d'un liant hydrocarboné,
~ - soumission des boulets crus à un premier traltement thermique:
dans lequel ils sont exposés pendant quelques minutes à une
atmosphère gazeuse oxydante qui est à une temperature d'envl-
ron 650 a 1 000~C,
- puis, soumission de ces boulets à un second traitement ther~
mique au cours du~uel ils sont calcines.a une temperature
. 20 comprise entre 1 200 et 2 400~C,
- et, enfin, broyage de ces boulets calcinés afin d'obtenir des
grains carbonés synthétiques ayant la composition granulomé-
trique désirée.
Selon l'invention, le premier traitement thermique
peut être effectué dans un tunnel à travers lequel les boulets
sont transpostés sur une courroie, ce tunnel contenant une
atmosphère oxydante portee a une temperature comprise entre
650 et 1 000~C.
~ - Grâce a l'invention, on constate que les boulets, au
cours de la deuxieme etape du traitement thermique, n'ont pas
tendance a se souder les uns aux autres, meme dans le cas ou
cette deuxlème étape est effectuée dans un four continu
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vertical de calcination, dans lequel la charge s'ecoule pro-
gressivement de haut en bas en supportant des efforts de com-
pression non
L2~.L
négligeables, dûs à l'épaisseur relativement importante de la
charge contenue dans le four. Par ailleurs, ce double traitement
thermique suivant l'invention confère aux boulets une résistance
mécanique extrêmement élevée et permet, après concassage, d'ob-
tenir des grains carbonés synthétiques ayant des propriétés
mécaniques au moins égales à celles des grains d'anthracite
et/ou de charbon naturels et généralement supérieures. Ces
propriétés se retrouvent au niveau des produits réalisés au
moyen de ces grains.
L'exemple ci-apres permet de mieux comprendre un mode
de mise en oeuvre de l'invention.
EXEMPLE: On malace à 120 C environ une tonne de fines d'an-
thracite provenant de la mine de La Mure (France), de granulo-
métrie inférieure à 2 mm, et dont 95 % était inférieur à 1 mm,
avec 125 kg de brai de houîlle et 40 kg de goudron de houille,
soit environ 14 % en poids de liant dans le mélange. Après
environ ~0 mn de malaxage, le mélange est aggloméré à la presse
sous forme de boulets d'environ 30 x 40 mm à environ 100~ C
avec une presslon d'agglomération d'environ 30 MPa.
On déverse ensuite progressivement les bouLets sur
un tapis métallique de façon à former une seule couche sans
superposition. Ce tapis passe à travers un tunnel dont l'at-
mosphère es-t chauffée à environ 800~ C par des brûleurs. La
vitesse de déplacement du tapis à l'intérieur du four est réglée
pour que le temps de séjour des boulets soit d'environ 2 minutes
à température >~ à 700~ C. La composition de l'atmosphère du
four est ajustée de façon que les gaz en contact avec les
boulets aient une composition oxydante.
A la sortie du four'tunnel, les boulets sont introduits
dans un four électrique continu vertical, du type utilisé pour
la calcination des grains d'anthracite par e~fet Joule à travers
la charge. La température moyenne atteinte par les boulets
est d'environ 1600 à 170~~ C et le temps de passage à travers
le ~our est d'environ 15 heures.
Après extraction des boulets calcinés, ceux ci sont
concassés en grains ~ 20 mm.
Ces grains ont été utilisés pour préparer un lot A
de pâ~e carbonée ayant la composition suivante:
- grains de 1,5 à 15 mm 37,5 % en poids
- grains inférieurs à 1 mm 37,5 ~ en poids
lQ - brai de houille 25,0 ~ en poids
On a préparé en même temps un lot B de pâte carbonée,
de même granulométrie et même composition pondérale, dans
lequel les grains utilisés sont des grains d'anthracite naturel
provenant également de la mine de La Mure.
Les deux lots ont été malaxés séparément dans des
conditions identiques puis divises chacun en trois fractions
repérées Al, A2, A3 et Bl, B2, B3, C'ette pâte a été mise en
forme en blocs d'environ 500 x 500 x 500 mm, puis ceux-ci ont
été cuits deux à deux dans des conditions identiques.
2Q Les blocs Al et Bl ont éte cuits à 700~ C.
Les blocs A2 et B2 ont été cuits à 1000 C.
Les blocs A3 et B3 ont été cuits à 1600 C.
On a ensuite prélevé dans chaque bloc des éprouvettes
au moyen desq~elles on a mesuré les caractéristiques suivantes:
charge de rupture en traction en MPa et résistivité électrique
en ~ ohm/cm.
Le tableau ci-après donne les résultats obtenus,
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( . Température de
( :cuisson des blocs: LOT A LOT B
)
( Charge de rupture ~ 700~ C ~ 1,9 ~ Bl : 1,34 )
( en MPa ~ 1000~ C A2 : 1,88 B2 : 1,14 )
( 1600~ C : A3 : 1~7~B3 : 0,/4 )
( Résistivité élec- ~ 700~ C ~ Al :17.000Bl : 19.300)
( trique en ~ ohm/cm- 1000 C~ A2 : 7.~10 B2 : 8.360)
~1600~ C ~ A3 : 6.970 ~ B3 : 8.160)
Ces résultats montrent de facon systématique la très nette
supériorité des blocs carbonés réalisés avec des grains synthé-
tiques qui sont à la fois plus résistants mécaniquement, et
meilleurs conducteurs de l'électricité.
La teneur optimale en liant hydrocarboné pour la
; réalisation des boulets crus dépend cles caractéristiques des
fines d'anthracite et/ou de charbon utilisées; elle peut varier
de 10 à 30 % en poids mais est, de préférence, comprise entre
13 et 20 % en poids.
Les essais effectués montrent que les qualités de
ces boulets, après calcination, résultent principalement des
conditions dans lesquelles la première étape du traitement
thermique est effectuée. En effet, au cours de ce-t~e étape,
une fraction des matières volatiles contenues dans les boulets
se dégage à la surface extérieure de ceux-ci et brûle au contact
de l'atmosphère oxydante~ portée à haute température, en per-
mettant la formation autour de chaque boulet, d'une couche mince
et dure. On détermine par des simples essais pratiques la durée
optimale de cette étape, de Eaçon que les boulets ~i l'on subie
aient encore une teneur relativement importante en matières
volatiles.
Au cours de la deuxième étape, ces matières volatiles
se dégagent progressivement, au fur età mesure que la charge
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Zl~
passe à travers le four de calcination, et il se produit en
même temps une augmentation de la densité, par ~ne sorte de
processus de frittage qui permet d'atteindre les valeurs
élevées de dureté qui caractérisent les produits selon l'in-
vention.
De nombreuses variantes du procédé de préparation de
grains carbonés synthétiques qui vient d'être décrit peuvent
être réalisées qui ne sortent pas du domaine de l'invention.
Par ailleurs, les grains carbonés synthétiques à haute résistance
mécanique réalisés à partir de fines de charbon à teneur en
matières volatiles inférieures à 20 % ou d'anthracite constituent
en eux-mêmes l'un des objets essentiels de~l'invention.
Enfin, de très nombreuses applications de ces grains
peuvent etre envisagées et, en partic~lier, leur utilisation
pour la réalisation de blocs carbonés cuits de toute nature,
pour toutes sortes d'utilisations, telles que revête~ents de
fours de métallurgie et d'électrothermie, de cellules d'élec-
trolyse, etc...
On peut incorporer aussi ces grains dans des pâtes
carbonées telles que les pâtes pour électrodes Soderberg, ou
celles qui servent à la réalisation de pisés pour garnissages
de toutes natures.
On peut envisager, sans sortir du domaine de
l'invention, d'introduire dans le mélange à base de flnes
d'anthracite et/ou de charbon, et contenant un liant hydro-
carboné, certains composants additionnels carbonés ou non
destinés à modifier certaines caractéristiques des produits
qu'on veut réaliser. On peut en particulier introduire une
certaine proportion de fines de cokel telles que par exemple
des fines de coke de pétrole.
Cependant, le mélange obtenu doit contenir au moins
50 % en poids de fines d'anthracite et/ou de charbon naturels.
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