Principiul de funcționare al electrozilor de grafit de putere ultra-înaltă (UHP) se bazează în principal pe fenomenul de descărcare prin arc. Valorificând conductivitatea lor electrică excepțională, rezistența la temperaturi ridicate și proprietățile mecanice, acești electrozi permit conversia eficientă a energiei electrice în energie termică în medii de topire la temperaturi ridicate, impulsionând astfel procesul metalurgic. Mai jos este o analiză detaliată a mecanismelor lor operaționale de bază:
1. Descărcarea arcului și conversia energiei electrice în energie termică
1.1 Mecanismul de formare a arcului
Când electrozii de grafit UHP sunt integrați în echipamente de topire (de exemplu, cuptoare cu arc electric), aceștia acționează ca medii conductive. Descărcarea de înaltă tensiune generează un arc electric între vârful electrodului și încărcătura cuptorului (de exemplu, fier vechi, minereu de fier). Acest arc constă dintr-un canal de plasmă conductiv format prin ionizarea gazului, cu temperaturi care depășesc 3000°C - depășind cu mult temperaturile convenționale de ardere.
1.2 Transmisie eficientă a energiei
Căldura intensă generată de arc topește direct încărcătura cuptorului. Conductivitatea electrică superioară a electrozilor (cu o rezistivitate de până la 6–8 μΩ·m) asigură o pierdere minimă de energie în timpul transmisiei, optimizând utilizarea energiei. În industria oțelului în cuptoarele cu arc electric (EAF), de exemplu, electrozii UHP pot reduce ciclurile de topire cu peste 30%, sporind semnificativ productivitatea.
2. Proprietățile materialelor și asigurarea performanței
2.1 Stabilitate structurală la temperaturi ridicate
Rezistența electrozilor la temperaturi ridicate provine din structura lor cristalină: atomii de carbon stratificați formează o rețea de legături covalente prin hibridizare sp², cu legare interstrat prin forțe van der Waals. Această structură își păstrează rezistența mecanică la 3000°C și oferă o rezistență excepțională la șocuri termice (rezistând la fluctuații de temperatură de până la 500°C/min), depășind performanțele electrozilor metalici.
2.2 Rezistența la dilatare termică și fluaj
Electrozii UHP prezintă un coeficient de dilatare termică scăzut (1,2×10⁻⁶/°C), reducând la minimum modificările dimensionale la temperaturi ridicate și prevenind formarea fisurilor din cauza solicitării termice. Rezistența lor la fluaj (capacitatea de a rezista deformării plastice la temperaturi ridicate) este optimizată prin selecția materiei prime pentru cocsul acționat și prin procese avansate de grafitizare, asigurând stabilitatea dimensională în timpul funcționării prelungite la sarcini mari.
2.3 Rezistența la oxidare și coroziune
Prin încorporarea antioxidanților (de exemplu, boruri, siliciuri) și aplicarea de acoperiri de suprafață, temperatura de inițiere a oxidării electrozilor este ridicată peste 800°C. Inerția chimică față de zgura topită în timpul topirii atenuează consumul excesiv de electrozi, prelungind durata de viață de 2-3 ori mai mare decât cea a electrozilor convenționali.
3. Compatibilitatea proceselor și optimizarea sistemului
3.1 Densitatea de curent și capacitatea de putere
Electrozii UHP suportă densități de curent care depășesc 50 A/cm². Atunci când sunt asociați cu transformatoare de mare capacitate (de exemplu, 100 MVA), aceștia permit o putere de intrare într-un singur cuptor care depășește 100 MW. Acest design accelerează ratele de intrare termică în timpul topirii - de exemplu, reducând consumul de energie pe tonă de siliciu în producția de ferosiliciu la sub 8000 kWh.
3.2 Răspuns dinamic și controlul procesului
Sistemele moderne de topire utilizează regulatoare inteligente pentru electrozi (SER) pentru a monitoriza continuu poziția electrodului, fluctuațiile de curent și lungimea arcului, menținând ratele de consum ale electrodului în intervalul de 1,5–2,0 kg/t oțel. Împreună cu monitorizarea atmosferei cuptorului (de exemplu, raporturile CO/CO₂), aceasta optimizează eficiența cuplajului electrod-sarcină.
3.3 Sinergia sistemului și îmbunătățirea eficienței energetice
Implementarea electrozilor UHP necesită infrastructură de susținere, inclusiv sisteme de alimentare cu energie de înaltă tensiune (de exemplu, conexiuni directe de 110 kV), cabluri răcite cu apă și unități eficiente de colectare a prafului. Tehnologiile de recuperare a căldurii reziduale (de exemplu, cogenerarea gazelor de eșapament din cuptorul cu arc electric) ridică eficiența energetică generală la peste 60%, permițând utilizarea în cascadă a energiei.
Această traducere menține precizia tehnică, respectând în același timp convențiile terminologice academice/industriale, asigurând claritate pentru publicul specializat.
Data publicării: 06 mai 2025