עקרון הפעולה של אלקטרודות גרפיט בעלות הספק גבוה במיוחד.

עקרון הפעולה של אלקטרודות גרפיט בעלות הספק אולטרה-גבוה (UHP) מבוסס בעיקר על תופעת פריקת הקשת. אלקטרודות אלו, הממנפות את המוליכות החשמלית יוצאת הדופן שלהן, עמידותן בטמפרטורה גבוהה ותכונותיהן המכניות, מאפשרות המרה יעילה של אנרגיה חשמלית לאנרגיה תרמית בסביבות התכה בטמפרטורה גבוהה, ובכך מניעות את התהליך המתכתי. להלן ניתוח מפורט של מנגנוני הפעולה העיקריים שלהן:

1. פריקת קשת והמרת אנרגיה חשמלית לאנרגיה תרמית

1.1 מנגנון היווצרות קשת
כאשר אלקטרודות גרפיט UHP משולבות בציוד התכה (למשל, תנורי קשת חשמלית), הן פועלות כמדיה מוליכה. פריקה במתח גבוה יוצרת קשת חשמלית בין קצה האלקטרודה למטען הכבשן (למשל, גרוטאות פלדה, עפרות ברזל). קשת זו מורכבת מערוץ פלזמה מוליכה שנוצר על ידי יינון גז, עם טמפרטורות העולות על 3000 מעלות צלזיוס - הרבה מעבר לטמפרטורות בעירה קונבנציונליות.

1.2 העברת אנרגיה יעילה
החום העז הנוצר על ידי הקשת מתיך ישירות את מטען התנור. המוליכות החשמלית המעולה של האלקטרודות (עם התנגדות נמוכה של 6-8 מיקרוΩ·m) מבטיחה אובדן אנרגיה מינימלי במהלך ההעברה, וממטבת את ניצול החשמל. בייצור פלדה בכבשן קשת חשמלי (EAF), למשל, אלקטרודות UHP יכולות להפחית את מחזורי ההתכה ביותר מ-30%, ובכך לשפר משמעותית את הפרודוקטיביות.

2. תכונות חומרים והבטחת ביצועים

2.1 יציבות מבנית בטמפרטורה גבוהה
עמידות האלקטרודות בטמפרטורה גבוהה נובעת מהמבנה הגבישי שלהן: אטומי פחמן שכבתיים יוצרים רשת קשרים קוולנטיים באמצעות הכלאה של sp², כאשר הקישור הבין-שכבתי הוא באמצעות כוחות ואן דר ואלס. מבנה זה שומר על חוזק מכני בטמפרטורה של 3000 מעלות צלזיוס ומציע עמידות יוצאת דופן בפני הלם תרמי (עמידה בתנודות טמפרטורה של עד 500 מעלות צלזיוס לדקה), ובכך עולה בביצועיהן על אלקטרודות מתכתיות.

2.2 עמידות להתפשטות תרמית וזחילה
אלקטרודות UHP מציגות מקדם התפשטות תרמית נמוך (1.2×10⁻⁶/°C), דבר הממזער שינויים ממדיים בטמפרטורות גבוהות ומונע היווצרות סדקים עקב עומס תרמי. עמידותן לזחילה (היכולת לעמוד בפני עיוות פלסטי בטמפרטורות גבוהות) ממוטבת באמצעות בחירת חומר גלם קוק מחט ותהליכי גרפיטיזציה מתקדמים, המבטיחים יציבות ממדית במהלך פעולה ממושכת בעומס גבוה.

2.3 עמידות בפני חמצון וקורוזיה
על ידי שילוב נוגדי חמצון (למשל, בורידים, סיליצידים) ויישום ציפויי שטח, טמפרטורת תחילת החמצון של האלקטרודות עולה על 800 מעלות צלזיוס. אינרטיות כימית כנגד סיגים מותכים במהלך ההתכה מפחיתה צריכת אלקטרודה מופרזת, ומאריכה את חיי השירות פי 2-3 מזה של אלקטרודות קונבנציונליות.

3. תאימות תהליכים ואופטימיזציה של המערכת

3.1 צפיפות זרם וקיבולת הספק
אלקטרודות UHP תומכות בצפיפויות זרם העולות על 50 A/cm². בשילוב עם שנאים בעלי קיבולת גבוהה (למשל, 100 MVA), הן מאפשרות כניסות הספק של יותר מ-100 MW בכבשן יחיד. תכנון זה מאיץ את קצב הקלט התרמי במהלך ההתכה - לדוגמה, הפחתת צריכת האנרגיה לטון סיליקון בייצור פרוסיליקון מתחת ל-8000 קוט"ש.

3.2 תגובה דינמית ובקרת תהליכים
מערכות התכה מודרניות משתמשות בווסתי אלקטרודות חכמים (SER) כדי לנטר באופן רציף את מיקום האלקטרודה, תנודות הזרם ואורך הקשת, תוך שמירה על קצב צריכת האלקטרודות בטווח של 1.5-2.0 ק"ג/טון פלדה. בשילוב עם ניטור אווירת הכבשן (למשל, יחסי CO/CO₂), הדבר ממטב את יעילות צימוד האלקטרודה-מטען.

3.3 סינרגיה מערכתית ושיפור יעילות אנרגטית
פריסת אלקטרודות UHP דורשת תשתית תומכת, כולל מערכות אספקת חשמל במתח גבוה (למשל, חיבורים ישירים של 110 קילו-וולט), כבלים מקוררי מים ויחידות איסוף אבק יעילות. טכנולוגיות להשבת חום פסולת (למשל, קוגנרציה של גז פליטה מכבשן קשת חשמלי) מעלות את יעילות האנרגיה הכוללת ליותר מ-60%, ומאפשרות ניצול אנרגיה מדורג.

תרגום זה שומר על דיוק טכני תוך הקפדה על מוסכמות טרמינולוגיה אקדמיות/תעשייתיות, ומבטיח בהירות לקהל יעד מיוחד.