أسباب صنع الأقطاب الكهربائية من الجرافيت؟

الأقطاب الكهربائية هي موصلات تساعد التيار على دخول أو خروج التيار من وسط ما. وتستخدمها صناعات مختلفة في عدة أجهزة لتطبيقات مختلفة. أحد أكثر استخداماتها شيوعًا هو أفران القوس الكهربائي (EAFs) لصناعة الصلب. في حين يمكن صنع الأقطاب الكهربائية من مواد موصلة مختلفة، إلا أن الجرافيت هو الخيار الأكثر تفضيلاً. هل تتساءل ما هي الأسباب؟ اقرأ هذا المنشور حتى النهاية.

الخصائص التي تجعل الجرافيت مثاليًا للأقطاب الكهربائية

الجرافيت هو شكل من أشكال الكربون، وهو معروف بتركيبته البلورية وطلائه المعدني. كما أن توصيليته الكهربائية العالية وثباته الحراري والعديد من الميزات الأخرى تجعله مناسبًا لصناعة الأقطاب الكهربائية.

دعونا نستكشف جميع خصائص الجرافيت التي تجعله أفضل مادة قطب كهربائي.

موصلية كهربائية عالية

تتطلب الأقطاب الكهربائية موصلية كهربائية عالية لنقل الشحنة بسرعة إلى المعدات. وعلاوة على ذلك، يجب أن تحافظ على أداء مستقر أثناء التفاعلات الكهروكيميائية.

على سبيل المثال، تُعد الموصلية الكهربائية الفعالة أمرًا بالغ الأهمية بالنسبة لـ فرن القوس الكهربائي لتحويل الطاقة الكهربائية إلى حرارة. وفي النهاية، يمكن أن تؤثر الحرارة غير المناسبة على عملية صهر الصلب.

الجرافيت موصل كهربائي رائع، لذا تستخدمه الشركات لصنع الأقطاب الكهربائية. يحتوي هذا المتآصل الكربوني على بنية متعددة الطبقات مرتبة في نمط سداسي الشكل، وهو ما يدعم الحركة الحرة للإلكترونات بين الطبقات.

إلى جانب الموصلية الكهربائية العالية، يمكن لأقطاب الجرافيت تحمل أحمال تيار عالية.

مقاومة الصدمات الحرارية

ومن الأسباب الأخرى التي تجعل الشركات تختار الجرافيت لتصنيع الأقطاب الكهربائية هو قدرته على تحمل الصدمات الحرارية العالية.

ونظراً لأن الجرافيت له معامل تمدد حراري منخفض، يمكنه تحمل التغيرات المفاجئة في درجة الحرارة.

يمكن أن يتحمل الجرافيت درجات حرارة تتراوح بين -400 درجة فهرنهايت و850 درجة فهرنهايت، في جو مؤكسد.

يمكن أن تؤثر الصدمة الحرارية على كفاءة الأقطاب الكهربائية بطرق مختلفة. على سبيل المثال، يمكن أن تتسبب في فشل هيكلي للقطب الكهربائي. وعلاوة على ذلك، يمكن أن تقصر من أداء القطب وعمره التشغيلي.

قد تواجه الأقطاب الكهربائية صدمة حرارية أثناء صناعة الصلب في أفران القوس الكهربائي. حتى أثناء اللحام بالقوس الكهربائي، تتعرض الأقطاب الكهربائية للتسخين والتبريد السريع.

لا يمكن للأقطاب الكهربائية المصنوعة من مواد أخرى تحمل هذا التغير السريع في درجة الحرارة. لذلك، يعد الجرافيت خيارًا شائعًا لصنع الأقطاب الكهربائية.

قدرة عالية على التحمل الحراري

يمكن أن يتحمل الجرافيت التعرض للحرارة العالية. ففي النهاية، درجة انصهاره هي 3650°C. ونتيجة لذلك، تتحمل الأقطاب الكهربائية المصنوعة من الجرافيت بيئة عالية الحرارة.

ويمكنها حتى تحمل درجة الحرارة القصوى لفرن القوس الكهربائي UHP. يمكن أن تصل درجة حرارة هذه الأفران إلى 3500 درجة مئوية. وعمومًا، تكون درجة الحرارة مرتفعة إلى هذا الحد أثناء صهر الفولاذ.

الأقطاب الكهربائية القائمة على الجرافيت لا تفقد سلامتها الهيكلية في الحرارة الشديدة. يساعد التركيب الطبقي لذرات الجرافيت في توزيع الحرارة بسرعة.

ليس من السهل على الأقطاب الكهربائية المصنوعة من مواد أخرى أن تحافظ على أدائها في مثل هذه البيئة عالية الحرارة.

المتانة

يشتهر مركب الجرافيت بقوته الميكانيكية العالية. وبينما يأتي في درجات مختلفة، تتراوح قوة شد الجرافيت بين 20 و40 ميجا باسكال.

نظرًا لسلامتها الهيكلية العالية، يستخدمها المصنعون لصنع الأقطاب الكهربائية. ففي النهاية، تحافظ الأقطاب الكهربائية على سلامتها في الحرارة الشديدة والضغط الميكانيكي.

أقطاب الجرافيت لا تتشقق. لا تتآكل تحت الضغط العالي للفرن الكهربائي.

وفي الوقت نفسه، يمكنها تحمل الضغط الشديد لعملية صهر الفولاذ في فرن القوس الكهربائي. 

سهل التشكيل

يمكنك بسهولة تشكيل مادة الجرافيت في أشكال مختلفة. وهذه ميزة أخرى تجعل الجرافيت مثاليًا لصنع الأقطاب الكهربائية.

يتميز التركيب الذري للجرافيت برابطة وسيطة ضعيفة مما يجعل من السهل تشكيله وقولبته.

تُصنع أقطاب الجرافيت بأحجام متنوعة حسب تطبيقاتها. ولها أحجام فريدة من نوعها لمختلف الصناعات.

حتى الأفران الكهربائية بأنواعها المختلفة تحتاج إلى أقطاب كهربائية من الجرافيت بأحجام ومواصفات متنوعة.

ثبات كيميائي عالٍ

يجب أن يكون الخمول الكيميائي سمة أساسية للقطب الكهربائي. يجب أن تعمل الأقطاب الكهربائية في بيئات مختلفة. وبالتالي، لا يمكن أن تتفاعل مع المواد الكيميائية والغازات.

والشيء الجيد هو أن أقطاب الجرافيت مقاومة للغاية للمواد الكيميائية. فهي لا تتفاعل عند تعرضها للأجواء الحمضية أو القلوية. تذكر أن هذه البيئات شائعة في مختلف تطبيقات معالجة المعادن.

يمكن لقضيب قطب الجرافيت أن يحافظ على سلامته لفترة طويلة. فهي تؤدي وظائفها حتى في المحيط الكيميائي. ونتيجة لذلك، تستخدمها الشركات في البطاريات والأفران الكهربائية وخلايا الوقود.

وبالإضافة إلى ذلك، يقلل الخمول الكيميائي لأقطاب الجرافيت من مخاطر العديد من التفاعلات الخطرة.

خصائص التشحيم الذاتي

هذه الأقطاب الكهربائية مفيدة بشكل خاص للمسابك والمسابك الكهربائية. وبفضل التشحيم الذاتي، تسبب أقطاب الجرافيت احتكاكًا أقل للفرن ونفسه. وهذا يعني أنك ستنفق أموالاً أقل على الصيانة. وعلاوة على ذلك، ستدوم الأقطاب الكهربائية لفترة طويلة.

يُفضل استخدام الأقطاب الكهربائية المصنوعة من الجرافيت في العديد من العمليات الكهروكيميائية والصناعية بسبب خصائصها ذاتية التشحيم.

فعالة من حيث التكلفة

كما أن أقطاب الجرافيت سهلة على الجيب. تستخدمها الشركات في أفران القوس الكهربائي التي تستهلك طاقة أقل بكثير من الأفران التقليدية. وهي بطبيعة الحال تقلل من التكلفة التشغيلية الإجمالية.

وعلاوة على ذلك، نظرًا لأن أقطاب الجرافيت لديها موصلية كهربائية عالية، فإنها تفقد حرارة ضئيلة أثناء العملية. ولذلك، تقوم أفران القوس الكهربائي بتسخين الفولاذ وصهره في وقت أقل.

تتميز أقطاب الجرافيت بقوة ميكانيكية وحرارية عالية. ونتيجة لذلك، فإنها تدوم لساعات أكثر من أقطاب الكربون.

الاستدامة

إن الممارسات الصناعية المستدامة ضرورية لتقليل التلوث والحفاظ على مواردنا الطبيعية.

تعتبر أقطاب الجرافيت صديقة للبيئة.

وتستخدم أفران القوس الكهربائي هذه الأقطاب الكهربائية لصهر الخردة المعدنية وصنع منتجات الصلب الجديدة. وهي تقلل من الحاجة إلى استخراج مواد خام جديدة.

بالإضافة إلى ذلك، تتميز أقطاب الجرافيت بانخفاض انبعاثات الكربون مقارنةً بمصادر الطاقة التقليدية لصناعة الصلب.

الخلاصة:

يتميز الجرافيت بالعديد من الخصائص، مما يجعله المادة الأنسب لتصنيع الأقطاب الكهربائية. ويتفوق الجرافيت في جميع العوامل، بدءًا من نقل الطاقة العالية، والقدرة على التحمل الحراري إلى قابلية التشغيل الآلي.

على عكس المواد الأخرى، لا يتحلل الجرافيت في الصدمات الحرارية والحرارة العالية. وهذه سيناريوهات شائعة في أفران القوس الكهربائي عند صناعة الصلب.

كما أنه من السهل تشكيل الأقطاب الكهربائية. وبالتالي، تقوم الشركات بتخصيص أبعاد الأقطاب الكهربائية بناءً على تطبيقاتها.