El principi de funcionament dels elèctrodes de grafit d'ultra alta potència (UHP) es basa principalment en el fenomen de la descàrrega d'arc. Aprofitant la seva excepcional conductivitat elèctrica, resistència a altes temperatures i propietats mecàniques, aquests elèctrodes permeten una conversió eficient de l'energia elèctrica en energia tèrmica en entorns de fusió d'alta temperatura, impulsant així el procés metal·lúrgic. A continuació es mostra una anàlisi detallada dels seus mecanismes operatius principals:
1. Descàrrega d'arc i conversió d'energia elèctrica a tèrmica
1.1 Mecanisme de formació d'arcs
Quan els elèctrodes de grafit UHP s'integren en equips de fusió (per exemple, forns d'arc elèctric), actuen com a medis conductors. La descàrrega d'alt voltatge genera un arc elèctric entre la punta de l'elèctrode i la càrrega del forn (per exemple, ferralla, mineral de ferro). Aquest arc consisteix en un canal de plasma conductor format per ionització de gas, amb temperatures superiors als 3000 °C, superant amb escreix les temperatures de combustió convencionals.
1.2 Transmissió eficient d'energia
La calor intensa generada per l'arc fon directament la càrrega del forn. La conductivitat elèctrica superior dels elèctrodes (amb una resistivitat tan baixa com 6–8 μΩ·m) garanteix una pèrdua d'energia mínima durant la transmissió, optimitzant així l'ús de l'energia. En la fabricació d'acer en forns d'arc elèctric (EAF), per exemple, els elèctrodes UHP poden reduir els cicles de fusió en més d'un 30%, cosa que millora significativament la productivitat.
2. Propietats dels materials i garantia de rendiment
2.1 Estabilitat estructural a altes temperatures
La resistència a altes temperatures dels elèctrodes prové de la seva estructura cristal·lina: els àtoms de carboni en capes formen una xarxa d'enllaços covalents mitjançant hibridació sp², amb unió entre capes a través de forces de van der Waals. Aquesta estructura manté la resistència mecànica a 3000 °C i ofereix una resistència excepcional al xoc tèrmic (resistint fluctuacions de temperatura de fins a 500 °C/min), superant els elèctrodes metàl·lics.
2.2 Resistència a l'expansió tèrmica i a la fluència
Els elèctrodes UHP presenten un baix coeficient d'expansió tèrmica (1,2 × 10⁻⁶/°C), cosa que minimitza els canvis dimensionals a temperatures elevades i evita la formació d'esquerdes a causa de l'estrès tèrmic. La seva resistència a la fluència (capacitat de resistir la deformació plàstica a altes temperatures) s'optimitza mitjançant la selecció de matèries primeres de coc d'agulla i processos avançats de grafitització, cosa que garanteix l'estabilitat dimensional durant un funcionament prolongat amb càrregues elevades.
2.3 Resistència a l'oxidació i la corrosió
Mitjançant la incorporació d'antioxidants (per exemple, borurs, siliciurs) i l'aplicació de recobriments superficials, la temperatura d'inici de l'oxidació dels elèctrodes s'eleva per sobre dels 800 °C. La inertícia química contra l'escòria fosa durant la fusió mitiga el consum excessiu d'elèctrodes, allargant la vida útil a 2-3 vegades la dels elèctrodes convencionals.
3. Compatibilitat de processos i optimització de sistemes
3.1 Densitat de corrent i capacitat de potència
Els elèctrodes UHP admeten densitats de corrent superiors a 50 A/cm². Quan es combinen amb transformadors d'alta capacitat (per exemple, 100 MVA), permeten entrades de potència d'un sol forn superiors a 100 MW. Aquest disseny accelera les taxes d'entrada tèrmica durant la fusió, per exemple, reduint el consum d'energia per tona de silici en la producció de ferrosilici a menys de 8000 kWh.
3.2 Resposta dinàmica i control de processos
Els sistemes de fosa moderns utilitzen reguladors d'elèctrodes intel·ligents (SER) per controlar contínuament la posició de l'elèctrode, les fluctuacions de corrent i la longitud de l'arc, mantenint les taxes de consum d'elèctrodes dins d'1,5–2,0 kg/t d'acer. Juntament amb la monitorització de l'atmosfera del forn (per exemple, les relacions CO/CO₂), això optimitza l'eficiència de l'acoblament elèctrode-càrrega.
3.3 Sinergia del sistema i millora de l'eficiència energètica
El desplegament d'elèctrodes UHP requereix una infraestructura de suport, incloent-hi sistemes de subministrament d'energia d'alta tensió (per exemple, connexions directes de 110 kV), cables refrigerats per aigua i unitats eficients de recollida de pols. Les tecnologies de recuperació de calor residual (per exemple, la cogeneració de gasos de sortida de forns d'arc elèctric) eleven l'eficiència energètica global a més del 60%, permetent la utilització d'energia en cascada.
Aquesta traducció manté la precisió tècnica alhora que s'adhereix a les convencions terminològiques acadèmiques/industrials, garantint la claredat per a públics especialitzats.
Data de publicació: 06 de maig de 2025