Nguyên lý hoạt động của điện cực than chì công suất cực cao (UHP) chủ yếu dựa trên hiện tượng phóng điện hồ quang. Tận dụng độ dẫn điện, khả năng chịu nhiệt độ cao và các đặc tính cơ học đặc biệt, các điện cực này cho phép chuyển đổi hiệu quả năng lượng điện thành năng lượng nhiệt trong môi trường luyện kim nhiệt độ cao, do đó thúc đẩy quá trình luyện kim. Dưới đây là phân tích chi tiết về cơ chế hoạt động cốt lõi của chúng:
1. Phóng điện hồ quang và chuyển đổi năng lượng điện sang nhiệt
1.1 Cơ chế hình thành hồ quang
Khi điện cực than chì UHP được tích hợp vào thiết bị nấu chảy (ví dụ, lò hồ quang điện), chúng hoạt động như môi trường dẫn điện. Phóng điện cao áp tạo ra hồ quang điện giữa đầu điện cực và điện tích lò (ví dụ, thép phế liệu, quặng sắt). Hồ quang này bao gồm một kênh plasma dẫn điện được hình thành bởi quá trình ion hóa khí, với nhiệt độ vượt quá 3000°C—vượt xa nhiệt độ đốt cháy thông thường.
1.2 Truyền tải năng lượng hiệu quả
Nhiệt độ cao do hồ quang tạo ra làm nóng chảy trực tiếp điện tích lò. Độ dẫn điện cao của điện cực (với điện trở suất thấp tới 6–8 μΩ·m) đảm bảo tổn thất năng lượng tối thiểu trong quá trình truyền tải, tối ưu hóa việc sử dụng điện năng. Ví dụ, trong sản xuất thép bằng lò hồ quang điện (EAF), điện cực UHP có thể giảm chu kỳ nấu chảy hơn 30%, giúp tăng đáng kể năng suất.
2. Tính chất vật liệu và đảm bảo hiệu suất
2.1 Độ ổn định cấu trúc ở nhiệt độ cao
Khả năng phục hồi nhiệt độ cao của điện cực bắt nguồn từ cấu trúc tinh thể của chúng: các nguyên tử carbon phân lớp tạo thành mạng lưới liên kết cộng hóa trị thông qua lai hóa sp², với liên kết giữa các lớp thông qua lực van der Waals. Cấu trúc này duy trì độ bền cơ học ở 3000°C và có khả năng chống sốc nhiệt đặc biệt (chịu được sự dao động nhiệt độ lên đến 500°C/phút), vượt trội hơn các điện cực kim loại.
2.2 Khả năng chống giãn nở vì nhiệt và biến dạng
Điện cực UHP có hệ số giãn nở nhiệt thấp (1,2×10⁻⁶/°C), giảm thiểu sự thay đổi kích thước ở nhiệt độ cao và ngăn ngừa sự hình thành vết nứt do ứng suất nhiệt. Khả năng chống biến dạng dẻo (khả năng chống biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao) của chúng được tối ưu hóa thông qua quá trình lựa chọn nguyên liệu thô kim cốc và quy trình than hóa tiên tiến, đảm bảo độ ổn định kích thước trong quá trình vận hành tải trọng cao kéo dài.
2.3 Khả năng chống oxy hóa và ăn mòn
Bằng cách kết hợp chất chống oxy hóa (ví dụ, borua, silicua) và áp dụng lớp phủ bề mặt, nhiệt độ bắt đầu oxy hóa của điện cực được nâng lên trên 800°C. Tính trơ về mặt hóa học đối với xỉ nóng chảy trong quá trình nấu chảy làm giảm mức tiêu thụ điện cực quá mức, kéo dài tuổi thọ gấp 2–3 lần so với điện cực thông thường.
3. Khả năng tương thích của quy trình và tối ưu hóa hệ thống
3.1 Mật độ dòng điện và công suất điện
Điện cực UHP hỗ trợ mật độ dòng điện vượt quá 50 A/cm². Khi kết hợp với máy biến áp công suất cao (ví dụ: 100 MVA), chúng cho phép đầu vào công suất lò đơn vượt quá 100 MW. Thiết kế này tăng tốc độ đầu vào nhiệt trong quá trình nấu chảy—ví dụ, giảm mức tiêu thụ năng lượng trên một tấn silicon trong sản xuất ferrosilicon xuống dưới 8000 kWh.
3.2 Phản ứng động và Kiểm soát quy trình
Hệ thống luyện kim hiện đại sử dụng Bộ điều chỉnh điện cực thông minh (SER) để liên tục theo dõi vị trí điện cực, dao động dòng điện và chiều dài hồ quang, duy trì tỷ lệ tiêu thụ điện cực trong phạm vi 1,5–2,0 kg/t thép. Kết hợp với giám sát bầu không khí lò (ví dụ: tỷ lệ CO/CO₂), điều này tối ưu hóa hiệu quả ghép nối điện cực-điện tích.
3.3 Tăng cường hiệu quả năng lượng và sự đồng bộ của hệ thống
Việc triển khai điện cực UHP đòi hỏi phải có cơ sở hạ tầng hỗ trợ, bao gồm hệ thống cung cấp điện áp cao (ví dụ: kết nối trực tiếp 110 kV), cáp làm mát bằng nước và các đơn vị thu gom bụi hiệu quả. Các công nghệ thu hồi nhiệt thải (ví dụ: lò hồ quang điện đồng phát điện khí thải) nâng hiệu suất năng lượng tổng thể lên hơn 60%, cho phép sử dụng năng lượng theo tầng.
Bản dịch này vẫn đảm bảo độ chính xác về mặt kỹ thuật nhưng vẫn tuân thủ các quy ước thuật ngữ học thuật/công nghiệp, đảm bảo tính rõ ràng cho đối tượng chuyên môn.
Thời gian đăng: 06-05-2025