Itin didelės galios (UHP) grafito elektrodų veikimo principas daugiausia pagrįstas lanko išlydžio reiškiniu. Dėl išskirtinio elektrinio laidumo, atsparumo aukštai temperatūrai ir mechaninių savybių šie elektrodai leidžia efektyviai paversti elektros energiją šilumine energija aukštos temperatūros lydymo aplinkoje, taip skatindami metalurgijos procesą. Žemiau pateikiama išsami jų pagrindinių veikimo mechanizmų analizė:
1. Lanko išlydis ir elektros energijos pavertimas šilumine energija
1.1 Lanko formavimo mechanizmas
Kai itin aukštos įtampos grafito elektrodai integruojami į lydymo įrangą (pvz., elektrines lanko krosnis), jie veikia kaip laidžioji terpė. Aukštos įtampos išlydis sukuria elektros lanką tarp elektrodo antgalio ir krosnies įkrovos (pvz., plieno laužo, geležies rūdos). Šį lanką sudaro laidus plazmos kanalas, susidarantis dėl dujų jonizacijos, kurios temperatūra viršija 3000 °C – gerokai viršija įprastinę degimo temperatūrą.
1.2 Efektyvus energijos perdavimas
Lanko sukuriama intensyvi šiluma tiesiogiai išlydo krosnies įkrovą. Dėl didelio elektrodų laidumo elektrai (maža varža vos 6–8 μΩ·m) užtikrinami minimalūs energijos nuostoliai perdavimo metu, optimizuojant energijos panaudojimą. Pavyzdžiui, elektrinėse lanko krosnyse (EAF) plieno gamyboje itin aukštos temperatūros elektrodai gali sutrumpinti lydymo ciklus daugiau nei 30 %, o tai žymiai padidina našumą.
2. Medžiagų savybės ir eksploatacinių savybių užtikrinimas
2.1 Aukštos temperatūros konstrukcinis stabilumas
Elektrodų atsparumas aukštai temperatūrai kyla iš jų kristalinės struktūros: sluoksniuoti anglies atomai sudaro kovalentinių jungčių tinklą per sp² hibridizaciją, o tarpsluoksniniai ryšiai atsiranda dėl van der Valso jėgų. Ši struktūra išlaiko mechaninį stiprumą esant 3000 °C temperatūrai ir pasižymi išskirtiniu atsparumu terminiam smūgiui (atlaiko iki 500 °C/min. temperatūros svyravimus), pranokdama metalinius elektrodus.
2.2 Atsparumas šiluminiam plėtimuisi ir šliaužimui
Ypač aukšto slėgio (UHP) elektrodai pasižymi mažu šiluminio plėtimosi koeficientu (1,2 × 10⁻⁶/°C), todėl matmenų pokyčiai esant aukštai temperatūrai yra minimalūs, o dėl terminio įtempio susidaro įtrūkimai. Jų atsparumas valkšnumui (gebėjimas atsispirti plastinei deformacijai esant aukštai temperatūrai) optimizuojamas parenkant adatinio kokso žaliavą ir pažangų grafitizacijos procesą, užtikrinant matmenų stabilumą ilgalaikio veikimo metu esant didelei apkrovai.
2.3 Atsparumas oksidacijai ir korozijai
Į elektrodus įtraukiant antioksidantų (pvz., boridų, silicidų) ir užtepant paviršiaus dangas, jų oksidacijos pradžios temperatūra pakyla virš 800 °C. Cheminis inertiškumas išlydytam šlakui lydymo metu sumažina per didelį elektrodų sunaudojimą, pailgindamas jų tarnavimo laiką 2–3 kartus, palyginti su įprastų elektrodų.
3. Procesų suderinamumas ir sistemos optimizavimas
3.1 Srovės tankis ir galios talpa
Ypač aukštos temperatūros elektrodai palaiko srovės tankį, viršijantį 50 A/cm². Kartu su didelės talpos transformatoriais (pvz., 100 MVA) jie leidžia vienos krosnies galią viršyti 100 MW. Ši konstrukcija pagreitina šiluminį tiekimą lydymo metu, pavyzdžiui, sumažinant energijos suvartojimą vienai silicio tonai ferosilicio gamyboje iki mažiau nei 8000 kWh.
3.2 Dinaminis atsakas ir procesų valdymas
Šiuolaikinėse lydymo sistemose naudojami išmanieji elektrodų reguliatoriai (SER), kurie nuolat stebi elektrodo padėtį, srovės svyravimus ir lanko ilgį, palaikydami elektrodų sunaudojimo greitį 1,5–2,0 kg/t plieno ribose. Kartu su krosnies atmosferos stebėjimu (pvz., CO/CO₂ santykiu) tai optimizuoja elektrodo ir krūvio sujungimo efektyvumą.
3.3 Sistemos sinergija ir energijos vartojimo efektyvumo didinimas
Norint naudoti itin aukštos įtampos elektrodus, reikalinga pagalbinė infrastruktūra, įskaitant aukštos įtampos elektros energijos tiekimo sistemas (pvz., 110 kV tiesiogines jungtis), vandeniu aušinamus kabelius ir efektyvius dulkių surinkimo įrenginius. Šilumos atgavimo technologijos (pvz., elektros lanko krosnies išmetamųjų dujų kogeneracija) padidina bendrą energijos vartojimo efektyvumą iki daugiau nei 60 %, todėl galima naudoti pakopinį energijos panaudojimą.
Šis vertimas išlaiko techninį tikslumą, kartu laikantis akademinės / pramonės terminologijos konvencijų, užtikrinant aiškumą specializuotai auditorijai.
Įrašo laikas: 2025 m. gegužės 6 d.