مبدأ عمل أقطاب الجرافيت عالية القدرة.

يعتمد مبدأ عمل أقطاب الجرافيت فائقة القدرة (UHP) بشكل أساسي على ظاهرة تفريغ القوس الكهربائي. بفضل موصليتها الكهربائية الاستثنائية ومقاومتها لدرجات الحرارة العالية وخواصها الميكانيكية، تُمكّن هذه الأقطاب من تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية بكفاءة عالية في بيئات الصهر عالية الحرارة، مما يُعزز عملية التعدين. فيما يلي تحليل مُفصّل لآليات عملها الأساسية:

1. تفريغ القوس الكهربائي وتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية

1.1 آلية تكوين القوس
عند دمج أقطاب الجرافيت فائقة الأداء (UHP) في معدات الصهر (مثل أفران القوس الكهربائي)، فإنها تعمل كوسط موصل. يُولّد التفريغ عالي الجهد قوسًا كهربائيًا بين طرف القطب وشحنة الفرن (مثل خردة الفولاذ أو خام الحديد). يتكون هذا القوس من قناة بلازما موصلة ناتجة عن تأين الغاز، بدرجات حرارة تتجاوز 3000 درجة مئوية، متجاوزةً بذلك درجات حرارة الاحتراق التقليدية بكثير.

1.2 نقل الطاقة بكفاءة
الحرارة الشديدة الناتجة عن القوس الكهربائي تُذيب شحنة الفرن مباشرةً. تضمن الموصلية الكهربائية الفائقة للأقطاب الكهربائية (بمقاومة كهربائية منخفضة تتراوح بين 6 و8 ميكرومتر) الحد الأدنى من فقدان الطاقة أثناء النقل، مما يُحسّن استخدام الطاقة. على سبيل المثال، في صناعة الفولاذ باستخدام فرن القوس الكهربائي (EAF)، يُمكن لأقطاب UHP تقليل دورات الصهر بأكثر من 30%، مما يُعزز الإنتاجية بشكل كبير.

2. خصائص المواد وضمان الأداء

2.1 الاستقرار الهيكلي في درجات الحرارة العالية
تنبع مرونة الأقطاب الكهربائية في درجات الحرارة العالية من بنيتها البلورية: تُشكّل ذرات الكربون الطبقية شبكة روابط تساهمية عبر تهجين sp²، مع ارتباط الطبقات الداخلية بقوى فان دير فالس. يحتفظ هذا الهيكل بالقوة الميكانيكية عند 3000 درجة مئوية، ويوفر مقاومة استثنائية للصدمات الحرارية (مع تحمل تقلبات في درجات الحرارة تصل إلى 500 درجة مئوية/دقيقة)، متفوقًا بذلك على الأقطاب الكهربائية المعدنية.

2.2 مقاومة التمدد الحراري والزحف
تتميز أقطاب UHP بمعامل تمدد حراري منخفض (1.2×10⁻⁶/°م)، مما يقلل من تغيرات الأبعاد عند درجات الحرارة المرتفعة ويمنع تكوّن الشقوق الناتجة عن الإجهاد الحراري. وتُحسّن مقاومتها للزحف (قدرتها على مقاومة التشوه البلاستيكي تحت درجات الحرارة المرتفعة) من خلال اختيار المواد الخام لفحم الكوك الإبري وعمليات الجرافيت المتقدمة، مما يضمن ثبات أبعادها أثناء التشغيل لفترات طويلة تحت أحمال عالية.

2.3 مقاومة الأكسدة والتآكل
بإضافة مضادات الأكسدة (مثل البوريدات والسيليكات) وتطبيق طلاءات سطحية، ترتفع درجة حرارة بدء أكسدة الأقطاب الكهربائية إلى ما يزيد عن 800 درجة مئوية. يُخفف الخمول الكيميائي ضد الخبث المنصهر أثناء الصهر من الاستهلاك المفرط للأقطاب الكهربائية، مما يُطيل عمرها الافتراضي إلى ضعفين أو ثلاثة أضعاف عمر الأقطاب الكهربائية التقليدية.

3. توافق العمليات وتحسين النظام

3.1 كثافة التيار وسعة الطاقة
تتحمل أقطاب UHP كثافات تيار تتجاوز 50 أمبير/سم². وعند اقترانها بمحولات عالية السعة (مثل 100 ميجا فولت أمبير)، فإنها تُمكّن من إدخال طاقة في فرن واحد تتجاوز 100 ميجا واط. يُسرّع هذا التصميم معدلات الإدخال الحراري أثناء الصهر، على سبيل المثال، مما يُقلل استهلاك الطاقة لكل طن من السيليكون في إنتاج الفيروسيليكون إلى أقل من 8000 كيلو واط/ساعة.

3.2 الاستجابة الديناميكية والتحكم في العملية
تستخدم أنظمة الصهر الحديثة منظمات أقطاب كهربائية ذكية (SERs) لمراقبة موضع الأقطاب الكهربائية، وتقلبات التيار، وطول القوس الكهربائي باستمرار، مع الحفاظ على معدلات استهلاك الأقطاب الكهربائية ضمن نطاق 1.5-2.0 كجم/طن من الفولاذ. وبالاقتران مع مراقبة جو الفرن (مثلاً، نسب ثاني أكسيد الكربون/ثاني أكسيد الكربون)، يُحسّن هذا كفاءة اقتران شحنة الأقطاب الكهربائية.

3.3 تعزيز تآزر النظام وكفاءة الطاقة
يتطلب نشر أقطاب الطاقة الفائقة (UHP) بنية تحتية داعمة، تشمل أنظمة إمداد طاقة عالية الجهد (مثل التوصيلات المباشرة بجهد 110 كيلو فولت)، وكابلات مبردة بالماء، ووحدات تجميع غبار فعّالة. ترفع تقنيات استعادة الحرارة المهدرة (مثل التوليد المشترك للغازات في فرن القوس الكهربائي) كفاءة الطاقة الإجمالية إلى أكثر من 60%، مما يتيح استخدامًا متتاليًا للطاقة.

تحافظ هذه الترجمة على الدقة الفنية مع الالتزام باتفاقيات المصطلحات الأكاديمية / الصناعية، مما يضمن الوضوح للجمهور المتخصص.