Grafitas yra viena iš plačiausiai naudojamų elektrodų medžiagų aukštos temperatūros pramoniniuose procesuose, įskaitant elektros lanko krosnis (EAF), kaušines krosnis, geležies lydinių lydymo ir elektrochemines gamybos linijas. Jis pasirinktas, nes vienu metu turi būti nedaug savybių: didelis elektros laidumas, atsparumas ekstremalioms temperatūroms, atsparumas šiluminiam smūgiui, cheminis stabilumas, mechaninis stiprumas ir geras apdirbamumas.
Kaip grafitas praleidžia elektros energiją
Elektrodas turi perduoti elektros energiją į krosnies krūvį su minimaliais nuostoliais. Grafitas turi sluoksniuotą anglies kristalų struktūrą, kurioje delokalizuoti elektronai daugiausia juda išilgai anglies plokštumų, todėl jis išlaiko naudingą laidumą net tada, kai šviečia lanko temperatūroje.
Tipinė kūno elektrinė varža: apie 8-13 µΩ·m
Itin-didelės galios-(UHP) klasės korpuso savitoji varža: apie 4,6–6,2 µΩ·m
Grafitas yra mažiau laidus nei varis, tačiau jis išlaiko laidumą tokioje temperatūroje, kurioje varis jau būtų suminkštėjęs arba išsilydęs. Didelės srovės-krosnių atveju medžiagos pasirinkimas priklauso nuo kompromiso-.
Atsparumas temperatūrai ir šiluminio smūgio elgsena
Esant atmosferos slėgiui, grafitas netirpsta įprasta prasme; jis sublimuoja maždaug 3600 laipsnių kampu. Lanko temperatūra elektrinėje krosnyje gali viršyti 3000 laipsnių, todėl elektrodo antgalis veikia daug daugiau nei dauguma metalų.
Greitas šildymas ir vėsinimas taip pat sukuria šiluminį stresą. Grafitas susidoroja su tuo dėl dviejų priežasčių:
Žemas šiluminio plėtimosi koeficientas (CTE), paprastai apie 1–2 × 10⁻⁶/laipsnis
Didelis šilumos laidumas, paprastai apie 120-240 W/m·K
Mažas plėtimasis riboja vidinį įtempį, susidarantį šilumos ciklo metu, o didelis laidumas greitai paskirsto šilumą ir išlygina šiluminius gradientus. Kartu jie sumažina įtrūkimų riziką kartotinių krosnies ciklų metu.
Cheminis stabilumas ir oksidacijos kontrolė
Grafitas atsparus išlydytų metalų, šlakų, redukuojančios atmosferos ir daugelio elektrolitų atakoms, todėl lydalas išlieka švarus, o elektrodas veikia stabiliai. Pagrindinis jo trūkumas yra oksidacija ore. Virš maždaug 400 laipsnių deguonis pradeda atakuoti anglies paviršių, o oksidacija yra pagrindinė elektrodų suvartojimo priežastis dirbant EAF.
Praktiški būdai apriboti oksidacijos nuostolius yra apsauginės dangos, tankesnės ir atsparesnės oksidacijai{0}} grafito rūšys ir krosnies praktika, kuri apsaugo elektrodo kolonėlę ir sutrumpina laiką, praleistą esant aukštai oro temperatūrai.
Mechaninis stiprumas, apdirbimas ir jungčių kokybė
Skirtingai nuo daugelio medžiagų, grafitas nepraranda stiprumo, kai jis įkaista. Jo mechaninis stiprumas išlieka stabilus ir gali pakilti net iki maždaug 2500 laipsnių. Tai svarbu, nes elektrodo kolonėlė yra ilga, sunki ir veikiama lenkimo bei vibracijos.
Savybės, kurias verta nurodyti, yra atsparumas lenkimui, tūrinis tankis ir tamprumo modulis, ypač didelės{0}}galios (HP) ir UHP klasėms. Grafitą taip pat lengva apdirbti tekinant, frezuojant, gręžiant ir šlifuojant, todėl elektrodus galima gaminti su tiksliai įsriegtais nipeliais ir lizdais. Tiksli jungtis išlaiko mažą atsparumą sąlyčiui ir sumažina jungties nutrūkimo tikimybę.
Grafitas, palyginti su variu, volframu ir plienu
| Medžiaga | Pagrindinis privalumas | Pagrindinis apribojimas |
|---|---|---|
| Varis | Labai didelis laidumas | Žema lydymosi temperatūra |
| Volframas | Labai atsparus aukštai temperatūrai | Didelė kaina, sunku pritaikyti didelėms krosnims |
| Plienas | Stiprus ir mažos kainos | Oksiduoja ir užteršia lydalą |
| Grafitas | Laidus, atsparus karščiui, chemiškai stabilus | Reikia apsaugos nuo oksidacijos |
Grafitas pasirinktas, nes jis užtikrina geriausią bendrą elektrinių charakteristikų, atsparumo karščiui, mechaninio stabilumo ir sąnaudų pusiausvyrą dirbant didelio masto krosnyje{0}}.
Kur naudojami grafito elektrodai
Elektrinės lankinės krosnys:laužo lydymas, anglinio plieno ir nerūdijančio plieno gamyba
Kaušinės krosnys:plieno rafinavimas, temperatūros reguliavimas ir lydinio valdymas
Panardintos lankinės krosnys:silicio metalo, geležies lydinių ir kalcio karbido gamyba
Kitos pareigos:elektrolizės, specialaus lydinio lydymo ir aukštos{0}}temperatūrinės įrangos
Dažnai užduodami klausimai
K: Kodėl grafitas yra geresnė elektrodo medžiaga nei varis?
Varis geriau praleidžia kambario temperatūroje, bet suminkštėja ir tirpsta palyginti žemoje temperatūroje, o grafitas išlaiko naudingą laidumą ir stiprumą esant aukštesnei nei 3000 laipsnių lanko temperatūrai.
K: Kokioje temperatūroje grafitas oksiduojasi?
Ode oksidacija prasideda maždaug 400 laipsnių, ir tai yra pagrindinė elektrodų sunaudojimo elektros lanko krosnyse priežastis, todėl jai sulėtinti naudojamos dangos ir tankesnės rūšys.
K: Ar grafitas tirpsta krosnyje?
Nėra atmosferos slėgio. Grafitas sublimuoja maždaug 3600 laipsnių kampu, o ne tirpsta, todėl išlaiko lanko zonas, viršijančias 3000 laipsnių.
K: Kas yra UHP grafito elektrodas?
UHP reiškia itin{0}}didelės galios. Šios klasės turi mažesnę korpuso varžą, paprastai apie 4,6-6,2 µΩ·m, ir didesnį mechaninį atsparumą aukštos srovės krosnims.
K: Kuriose pramonės šakose naudojami grafito elektrodai?
Elektrinės lankinės ir kaušinės krosnys plieno gamybai, panardintos lankinės krosnys silicio metalui, geležies lydiniams ir kalcio karbidui, taip pat elektrolizei ir specialaus lydinio lydymui.
K: Kaip sujungiama grafito elektrodo kolonėlė?
Atskiri elektrodai sujungiami su apdirbtais srieginiais nipeliais ir lizdais. Tikslūs sriegiai sumažina jungties pasipriešinimą ir sumažina jungties lūžio riziką.