O que é um eletrodo de grafite
Um eletrodo de grafite é a coluna condutora que transporta a corrente dos porta-eletrodos de um forno elétrico a arco até o arco na sucata ou no fundido. É produzido a partir de coque de petróleo calcinado ou coque agulha, misturado com piche de carvão como aglutinante e com grafite reciclada, depois formado por extrusão ou moldagem por vibração, cozido, impregnado com piche, re-cozido e finalmente grafitado em temperaturas acima de 2.500 graus.
Como a ponta é consumida continuamente, o material precisa conduzir bem a eletricidade, sobreviver ao rápido aquecimento e resfriamento, resistir à oxidação e ainda ser usinado em juntas cônicas precisas. Esses requisitos de serviço estão na origem das características básicas descritas abaixo.
Principais características dos eletrodos de grafite
Alta condutividade elétrica
A grafite conduz eletricidade ao longo de seus planos cristalinos em camadas com resistência muito baixa. Para graus de potência ultra-alta (UHP), a resistividade do eletrodo é especificada abaixo de cerca de 6,3 μΩ·m e a resistividade do conector abaixo de cerca de 5,5 μΩ·m. A baixa resistividade reduz o aquecimento Joule dentro da coluna, de modo que uma parcela maior da saída do transformador atinge o arco em vez de ser perdida no próprio eletrodo.
Alta estabilidade térmica
A grafite não derrete à pressão normal do forno, ela sublima e retém resistência útil em temperaturas muito acima do ponto de amolecimento do aço. É por isso que o grafite é usado tanto como material de eletrodo quanto em equipamentos de processo de alta temperatura. O coeficiente de expansão térmica de um corpo de eletrodo UHP é de cerca de 1,5 × 10-6/grau entre a temperatura ambiente e 600 graus. A baixa expansão limita a tensão interna gerada quando a ponta do arco está quente, enquanto a parte superior da coluna permanece comparativamente fria.
Estabilidade química e resistência à oxidação
A grafite não é atacada pela maioria dos ácidos, álcalis e solventes orgânicos, e muitos metais fundidos e escórias não a molham. Em serviço, a rota de degradação dominante é a oxidação e não a dissolução química: a grafite começa a reagir com o ar acima de aproximadamente 450 graus e a taxa de reação aumenta rapidamente com a temperatura. A formação de espuma de escória, o controle do comprimento exposto acima da linha de escória e o tratamento anti{3}oxidação da superfície do eletrodo reduzem essa perda.
Boa usinabilidade
Comparada aos metais, a grafite é macia e pode ser torneada, furada, fresada e rosqueada com ferramentas padrão de metal duro. As extremidades dos eletrodos e os soquetes dos conectores são usinados com um cone controlado para que a junta transporte a corrente de forma eficiente e permaneça firme durante o ciclo térmico, e uma rosca danificada muitas vezes pode ser re-usinada em vez de descartada.
Valores de índice físico e químico para eletrodos UHP
A tabela abaixo resume os limites de especificação típicos para eletrodos de grafite de ultra alta potência por diâmetro nominal. Resistividade, módulo de elasticidade, expansão térmica e cinzas são valores máximos; a resistência à flexão e a densidade aparente são valores mínimos que o produto deve atender ou exceder.
| Item | 300~400mm | 450~500mm | 550~650mm | 700~800mm |
|---|---|---|---|---|
| Resistividade, eletrodo, μΩ·m, máx. | 6.2 | 6.3 | 6.0 | 5.8 |
| Resistividade, conector, μΩ·m, máx. | 5.3 | 5.3 | 4.5 | 4.3 |
| Resistência à flexão, eletrodo, MPa, min | 10.5 | 10.5 | 10.0 | 10.0 |
| Resistência à flexão, conector, MPa, min | 20.0 | 20.0 | 22.0 | 23.0 |
| Módulo elástico, eletrodo, GPa, máx. | 14.0 | 14.0 | 14.0 | 14.0 |
| Módulo de elasticidade, conector, GPa, máx. | 20.0 | 20.0 | 22.0 | 22.0 |
| Densidade aparente, eletrodo, g/cm3, mínimo | 1.67 | 1.66 | 1.66 | 1.68 |
| Densidade aparente, conector, g/cm3, mínimo | 1.74 | 1.75 | 1.78 | 1.78 |
| Expansão térmica, eletrodo, 20 ~ 600 graus, 10-6/grau, máx. | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 |
| Expansão térmica, conector, 20 ~ 600 graus, 10-6/grau, máx. | 1.4 | 1.4 | 1.3 | 1.3 |
| Cinzas, %, máx. | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
Duas consequências decorrem destes números. Primeiro, diâmetros maiores transportam correntes mais altas, então a especificação é mais rígida: a resistividade e o módulo de elasticidade caem enquanto a resistência do conector aumenta. Em segundo lugar, o teor de cinzas é mantido igual ou inferior a 0,5% para cada tamanho, porque as impurezas formadoras de cinzas são transportadas para o fundido quando a ponta é consumida e não podem ser removidas posteriormente.
Como as propriedades interagem no serviço
A condutividade e a densidade aparente trabalham juntas: um corpo mais denso tem menos poros abertos, portanto a resistividade é menor e a oxidação tem menos superfície interna para atacar.
A resistência à flexão e o módulo de elasticidade devem ser equilibrados. Um eletrodo muito rígido transfere o choque térmico diretamente para a junta, razão pela qual a resistência do conector é especificada como superior à resistência do corpo.
A baixa expansão térmica protege a rosca, que normalmente é o ponto mais fraco de uma junta.
A usinabilidade decide com que precisão o cone e o soquete são cortados e, portanto, com que uniformidade dois eletrodos compartilham a corrente na junta.
O que os compradores devem verificar antes de fazer o pedido
Classe: potência regular, alta potência, super alta potência ou ultra alta potência, compatível com o transformador do forno e o programa atual.
Diâmetro e comprimento: adequados ao tamanho do suporte e borda livre do forno, com dimensões cônicas indicadas no desenho.
Certificado de teste: resistividade, resistência à flexão, módulo de elasticidade, densidade aparente, expansão térmica e cinzas, medidos em amostras de corpo e conector.
Integridade da junta: perfil da rosca, passo cônico e tampas protetoras instaladas para transporte e armazenamento.
Manuseio e armazenamento: mantenha os eletrodos secos, armazene-os em uma prateleira nivelada e evite impactos, pois os danos por choque são muitas vezes invisíveis até que uma junta falhe em serviço.
Perguntas frequentes
P: Qual é a diferença entre eletrodos de grafite de potência normal e de ultra alta potência?
As classes são definidas principalmente pela densidade de corrente que o eletrodo pode transportar e pelo quão rígidos são os limites de resistividade, resistência e expansão. Classes de potência ultra-alta são feitas de coque agulha e são especificadas com menor resistividade, maior resistência do conector e menor quantidade de cinzas para fornos de alta corrente.
P: Por que a densidade aparente é importante para a vida útil do eletrodo?
A densidade mede quanto carbono sólido ocupa um determinado volume. Um eletrodo mais denso tem menor porosidade, por isso oxida mais lentamente, resiste melhor ao lascamento e transporta corrente com menos aquecimento interno, o que reduz o consumo por tonelada de aço.
P: O que causa o consumo excessivo de eletrodos?
As principais causas são consumo de ponta no arco, oxidação lateral acima da linha de escória, trincas por choque térmico e falha de junta. O consumo é reduzido pela densidade de corrente correta, prática de formação de espuma de escória, menor comprimento exposto e torque de composição-adequado nas juntas.
P: Como o diâmetro do eletrodo deve ser selecionado?
Comece pela corrente secundária máxima do forno e pela densidade de corrente permitida para o grau escolhido e, em seguida, confirme se o diâmetro selecionado se ajusta ao porta-eletrodo e à abertura do telhado. Eletrodos subdimensionados superaquecem, eletrodos superdimensionados desperdiçam energia e capital.
P: A baixa resistividade por si só garante um bom desempenho?
Não. A resistividade é apenas um índice. Resistência, módulo de elasticidade, densidade aparente, expansão térmica e cinzas influenciam a taxa de quebra e o consumo, e uma especificação equilibrada geralmente tem melhor desempenho do que um único valor de resistividade muito baixo.
P: Como os eletrodos de grafite devem ser armazenados antes do uso?
Armazená-los em local seco e coberto sobre suporte nivelado, manter as tampas protetoras nas roscas, evitar empilhamento que coloque carga nas juntas e nunca deixar cair ou arrastar os eletrodos, pois os danos por impacto não são visíveis do lado de fora.