Qu’est-ce qu’une électrode en graphite ?

Les électrodes en graphite sont des composants conducteurs essentiels dans les procédés de fabrication de l’acier par four à arc électrique (EAF).
Elles transmettent l’énergie électrique dans le four, générant un arc à haute température entre les colonnes d’électrodes et les ferrailles.
Cette chaleur intense fait fondre les ferrailles, permettant une production d’acier efficace.

Types et caractéristiques

Dans la production d’acier par four à arc électrique (EAF), les électrodes en graphite sont classées en trois catégories selon les besoins en puissance : Regular Power (RP), High Power (HP) et Ultra-High Power (UHP).
Chaque type offre des caractéristiques de performance distinctes pour répondre aux différents besoins opérationnels du processus de fabrication de l’acier.

1. Électrodes en graphite Regular Power (RP)

Les électrodes RP sont fabriquées à partir de coke pétrolier de qualité standard et subissent une graphitisation à basse température.

Elles présentent une résistivité électrique plus élevée et une résistance aux chocs thermiques plus faible par rapport aux électrodes de qualité supérieure.

Elles sont généralement utilisées dans les opérations EAF à faible ou moyenne puissance, où des performances extrêmes ne sont pas requises.

2. Électrodes en graphite High Power (HP)

Les électrodes HP sont fabriquées à partir de coke pétrolier de haute qualité mélangé à du coke d’aiguille à faible densité.

Elles offrent une meilleure conductivité et une plus grande résistance que les électrodes RP.

Leur microstructure améliorée permet des charges de courant plus élevées et une meilleure stabilité thermique.

Adaptées aux applications EAF haute puissance nécessitant une efficacité accrue.

3. Électrodes en graphite Ultra-High Power (UHP)

Les électrodes UHP sont la catégorie la plus haute, produites avec du coke pétrolier premium et du coke d’aiguille à haute densité.

Elles subissent une graphitisation extrême (2800–3000°C), offrant une résistance électrique ultra-faible, une capacité exceptionnelle de densité de courant et une résistance supérieure au stress thermique.

Conçues pour les opérations EAF les plus exigeantes, où des charges thermiques et électriques extrêmes sont rencontrées.

Processus de fabrication des électrodes en graphite

Les électrodes en graphite sont fabriquées à partir de coke pétrolier et de coke de brai comme agrégats, avec du brai de houille comme liant.

La production d’électrodes en graphite de haute qualité implique plusieurs étapes précises : calcination, concassage, tamisage et mélange, pétrissage, formage, cuisson, imprégnation (optionnelle), graphitisation et usinage.
Voici une description détaillée du processus de fabrication :

1. Calcination

Matières premières : Coke pétrolier ou coke de brai

Température : Supérieure à 1300°C

Objectif : Éliminer les composants volatils, augmenter la densité réelle, la résistance mécanique et la conductivité électrique

Le coke brut est chauffé dans un four à haute température pour éliminer l’humidité, le soufre et autres impuretés, produisant une structure carbonée plus stable.

2. Concassage, tamisage et mélange

Le coke calciné est concassé et tamisé en différentes tailles de particules (grosses, moyennes et fines).

Une partie est broyée en poudre fine.

Les particules sont pesées avec précision et mélangées selon la formulation.

3. Pétrissage (mélange avec liant)

• Le mélange sec est chauffé et combiné avec un liant (généralement du brai de houille) pour former une pâte.
• La température, le temps de mélange et le liant influencent la qualité de la pâte et celle du produit final.

4.Formage (Moulage)

• La pâte est façonnée en électrodes « vertes ».
• Méthodes :
  • Extrusion (pour électrodes cylindriques)
  • Moulage par vibration (pour électrodes de grand diamètre)
  • Moulage par compression (formes spéciales)
• Les électrodes vertes ont une densité élevée mais nécessitent un traitement thermique supplémentaire pour une stabilité structurelle.

5. Cuisson (Carbonisation)

• Les électrodes vertes sont cuites dans un four à 850–1000°C sous un matériau protecteur (coke ou sable) pour éviter l’oxydation.
• Le liant subit une carbonisation, formant une matrice solide de carbone qui lie les particules de coke.
• Les électrodes cuites (« électrodes carbonisées ») acquièrent une résistance mécanique.

6. Imprégnation (optionnelle – pour électrodes haute densité)

• Pour améliorer la densité et la résistance, les électrodes cuites sont placées dans un autoclave où du brai liquide ou de la résine est forcé dans les pores sous haute pression.
• Après imprégnation, les électrodes subissent une seconde cuisson pour carboniser le liant imprégné.
• Pour les électrodes ultra-haute densité, ce processus peut être répété 2 à 3 fois.

7. Graphitisation

Les électrodes carbonisées sont chargées dans un four de graphitisation, recouvertes d’un matériau isolant et chauffées à 2000–3000°C par courant électrique direct (procédé Acheson ou méthode LWG).

• À cette température extrême, la structure amorphe du carbone se transforme en un réseau cristallin de graphite, améliorant considérablement :
  • la conductivité électrique
  • la résistance thermique
  • la résistance à l’oxydation

8. Usinage (Traitement final)

• Les électrodes graphitisées sont usinées avec précision (tournage, filetage, cône) pour respecter les tolérances dimensionnelles exactes.
• Des traitements de surface (ex. : revêtements anti-oxydation) peuvent être appliqués pour améliorer la performance dans des applications à haute température.

Applications des électrodes en graphite

• Production d’acier (Four à arc électrique, EAF)
• Production d’acier (Four à poêle ou four de ladle, LF)
• Production de silicium et de phosphore