El grafit és un dels materials d'elèctrode més utilitzats en processos industrials d'alta-temperatura, inclosos els forns d'arc elèctric (EAF), els forns de cullera, les línies de fosa de ferroaliatges i les línies de producció electroquímiques. S'escull perquè ha d'estar present al mateix temps un nombre reduït de propietats: alta conductivitat elèctrica, resistència a temperatures extremes, resistència al xoc tèrmic, estabilitat química, resistència mecànica i bona mecanització.
Com el grafit condueix l'energia elèctrica
Un elèctrode ha de transferir energia elèctrica a la càrrega del forn amb pèrdues mínimes. El grafit té una estructura de cristall de carboni en capes en què els electrons deslocalitzats es mouen principalment al llarg dels plans de carboni, de manera que manté una conductivitat útil fins i tot quan brilla a la temperatura de l'arc.
Resistivitat elèctrica típica del cos: uns 8-13 µΩ·m
Resistivitat corporal de grau ultra{0}}alta-potència (UHP): uns 4,6-6,2 µΩ·m
El grafit és menys conductor que el coure, però manté la seva conductivitat a temperatures on el coure ja s'hauria estovat o fos. En el cas de forns d'alta-intensitat, el canvi-decideix l'elecció del material.
Resistència a la temperatura i comportament de xoc tèrmic
A pressió atmosfèrica, el grafit no es fon en el sentit habitual; sublim a aproximadament 3.600 graus. Les temperatures de l'arc dins d'un forn elèctric poden superar els 3.000 graus, de manera que la punta de l'elèctrode funciona molt més enllà del límit de la majoria dels metalls.
L'escalfament i la refrigeració ràpids també generen estrès tèrmic. El grafit fa front a això per dos motius:
Baix coeficient d'expansió tèrmica (CTE), normalment aproximadament 1–2 × 10⁻⁶/ grau
Alta conductivitat tèrmica, normalment uns 120-240 W/m·K
La baixa expansió limita l'estrès intern acumulat durant un cicle de calor, mentre que l'alta conductivitat propaga la calor ràpidament i aplana els gradients tèrmics. Junts redueixen el risc d'esquerdes durant els cicles repetits del forn.
Control d'estabilitat química i oxidació
El grafit resisteix l'atac de metalls fosos, escòries, atmosferes reductores i molts electròlits, cosa que ajuda a mantenir la fosa neta i el rendiment estable de l'elèctrode. La seva principal debilitat és l'oxidació a l'aire. Per sobre d'aproximadament 400 graus d'oxigen comença a atacar la superfície del carboni i l'oxidació és la causa dominant del consum d'elèctrodes en el funcionament de l'EAF.
Les maneres pràctiques de limitar la pèrdua d'oxidació inclouen recobriments protectors, graus de grafit més densos i més resistents a l'oxidació-i la pràctica del forn que manté la columna d'elèctrode protegida i redueix el temps que passa a l'aire a alta temperatura.
Resistència mecànica, mecanitzat i qualitat de la junta
A diferència de molts materials, el grafit no perd força a mesura que s'escalfa. La seva resistència mecànica es manté estable i fins i tot pot augmentar fins a uns 2.500 graus. Això importa perquè una columna d'elèctrode és llarga, pesada i està exposada a flexió i vibració.
Les propietats que val la pena especificar són la resistència a la flexió, la densitat aparent i el mòdul elàstic, especialment per als graus d'alta-potència (HP) i UHP. El grafit també és fàcil de mecanitzar mitjançant tornejat, fresat, perforació i rectificat, de manera que es poden produir elèctrodes amb mugrons i endolls roscats amb precisió. Una articulació precisa manté baixa la resistència de contacte i redueix la possibilitat de trencar la connexió.
Grafit en comparació amb coure, tungstè i acer
| Material | Avantatge principal | Limitació principal |
|---|---|---|
| coure | Conductivitat molt alta | Punt de fusió baix |
| Tungstè | Resistència a temperatures molt altes | Alt cost, difícil d'escalar a grans forns |
| Acer | Fort i de baix cost | Oxida i contamina la fosa |
| Grafit | Conductor, resistent a la calor, químicament estable | Necessita protecció contra l'oxidació |
El grafit es selecciona perquè ofereix el millor equilibri general de rendiment elèctric, resistència a la calor, estabilitat mecànica i cost per al funcionament del forn a gran-escala.
On s'utilitzen elèctrodes de grafit
Forns d'arc elèctric:fusió de ferralla, producció d'acer al carboni i acer inoxidable
Forns de cullera:refinat d'acer, ajust de temperatura i control d'aliatge
Forns d'arc submergit:producció de silici metall, ferroaliatge i carbur de calci
Altres deures:electròlisi, fusió d'aliatges especials i equips d'alta{0}}temperatura
Preguntes freqüents
P: Per què el grafit és un material d'elèctrode millor que el coure?
El coure condueix millor a temperatura ambient, però s'estova i es fon a una temperatura relativament baixa, mentre que el grafit manté la conductivitat i la resistència utilitzables a temperatures d'arc superiors als 3.000 graus.
P: A quina temperatura s'oxida el grafit?
A l'aire, l'oxidació comença a uns 400 graus, i és la principal causa del consum d'elèctrodes als forns d'arc elèctric, de manera que s'utilitzen recobriments i graus més densos per frenar-lo.
P: El grafit es fon dins d'un forn?
No sota pressió atmosfèrica. El grafit es sublim a aproximadament 3.600 graus en lloc de fondre's, per això sobreviu a zones d'arc que superen els 3.000 graus.
P: Què és un elèctrode de grafit UHP?
UHP significa una potència ultra-alta. Aquests graus tenen una resistivitat corporal inferior, normalment uns 4,6-6,2 µΩ·m, i una resistència mecànica més alta per als forns d'alta corrent.
P: Quines indústries utilitzen elèctrodes de grafit?
Forns elèctrics d'arc i cullera per a la fabricació d'acer, forns d'arc submergit per a silici metall, ferroaliatges i carbur de calci, a més d'electròlisi i fusió d'aliatges especials.
P: Com s'uneix una columna d'elèctrode de grafit?
Els elèctrodes individuals s'uneixen amb mugrons i endolls roscats mecanitzats. Els fils precisos mantenen baixa la resistència de la junta i redueixen el risc de trencament de la connexió.