العلاقة بين الخصائص الفيزيائية والكيميائية لأقطاب الجرافيت واستهلاك الطاقة في صناعة الصلب في الأفران الكهربائية

تعتمد صناعة الصلب في أفران القوس الكهربائي علىالأقطاب الكهربائيةيُستخدم فرن القوس الكهربائي لتوليد الأقواس الكهربائية، مما يسمح بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية داخل القوس، وبالتالي صهر المواد الخام في الفرن وإزالة الشوائب كالكبريت والفوسفور، وإضافة العناصر اللازمة (كالكربون والنيكل والمنغنيز وغيرها) لصهر الفولاذ أو السبائك بخصائص متنوعة. يُتيح التسخين بالطاقة الكهربائية التحكم الدقيق في درجة حرارة الفرن وإنتاج غازات عادمة منخفضة الحرارة. وتتميز كفاءة فرن القوس الكهربائي لصناعة الفولاذ بكفاءة حرارية أعلى من كفاءة المحول.

يمتد تاريخ تطوير تقنية صناعة الصلب باستخدام أفران القوس الكهربائي (EAF) إلى حوالي مئة عام، ورغم أن الطرق الأخرى تواجه باستمرار تحديات ومنافسة في هذا المجال، لا سيما مع تأثير صناعة الصلب بالأكسجين عالي الكفاءة، إلا أن نسبة إنتاج الصلب باستخدام أفران القوس الكهربائي من إجمالي إنتاج الصلب العالمي لا تزال في ازدياد مستمر. في أوائل التسعينيات، شكل إنتاج الصلب باستخدام أفران القوس الكهربائي ثلث إجمالي إنتاج الصلب العالمي. وفي بعض الدول، كانت أفران القوس الكهربائي التقنية الرئيسية لصناعة الصلب، حيث بلغت نسبة إنتاج الصلب باستخدامها في إيطاليا 70% أعلى من مثيلتها في إيطاليا.

في ثمانينيات القرن العشرين، انتشر استخدام فرن القوس الكهربائي في إنتاج الصلب بتقنية الصب المستمر، وتطورت تدريجيًا إلى عملية إنتاج موفرة للطاقة تعتمد على تسخين الخردة مسبقًا في فرن القوس الكهربائي، ثم صهرها، وتكريرها، وصبها المستمر، ودرفلتها المستمر. يُستخدم فرن القوس الكهربائي بشكل أساسي لمعالجة خردة المعدات بسرعة كمادة خام لصناعة الصلب. وللتغلب جذريًا على عدم استقرار القوس الكهربائي في فرن القوس الكهربائي ذي التيار المتردد عالي الطاقة، وعدم توازن التيار في مصدر الطاقة ثلاثي الأطوار، وتأثيره الشديد على شبكة الكهرباء، تم البحث في فرن القوس الكهربائي ذي التيار المستمر، ووضعه في التطبيقات الصناعية في القرن الحادي والعشرين.في منتصف التسعينيات، تم استخدام فرن القوس الكهربائي ذو التيار المستمر الذي يستخدم قطبًا واحدًا فقط من الجرافيت على نطاق واسع في العالم في التسعينيات (2 مع بعض أفران القوس الكهربائي ذات التيار المستمر التي تستخدم قطبين من الجرافيت).

يُعدّ خفض استهلاك أقطاب الجرافيت بشكل كبير الميزة الأبرز لفرن القوس الكهربائي ذي التيار المستمر. فقبل نهاية سبعينيات القرن الماضي، كان استهلاك أقطاب الجرافيت في فرن القوس الكهربائي ذي التيار المتردد يتراوح بين 5 و8 كيلوغرامات لكل طن من الصلب، وكانت تكلفة أقطاب الجرافيت تُشكّل ما بين 10% و15% من إجمالي تكلفة الصلب. ورغم اتخاذ عدد من التدابير التي أدت إلى خفض استهلاك أقطاب الجرافيت إلى ما بين 4 و6 كيلوغرامات، أو خفض تكاليف الإنتاج إلى ما بين 7% و10%، إلا أن استخدام طرق صناعة الصلب عالية الطاقة وعالية الطاقة للغاية أدى إلى خفض استهلاك أقطاب الجرافيت إلى ما بين 2 و3 كيلوغرامات لكل طن من الصلب. أما في فرن القوس الكهربائي ذي التيار المستمر، الذي يستخدم قطب جرافيت واحد فقط، فيمكن خفض استهلاك أقطاب الجرافيت إلى 1.5 كيلوغرام لكل طن من الصلب.

تُظهر كل من النظرية والتطبيق أن الاستهلاك الفردي لقطب الجرافيت يمكن تقليله بنسبة 40٪ إلى 60٪ مقارنة بفرن القوس الكهربائي AC.