Tests de résistance thermique d'électrodes en graphite à ultra-haute puissance
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Pourquoi la résistance thermique est importante pour les électrodes à ultra-haute puissance
Les électrodes en graphite ultra-haute puissance (UHP) transportent le courant dans l'arc d'un four à arc électrique, où la pointe de l'électrode est confrontée à des températures d'arc de plusieurs milliers de degrés Celsius tandis que la colonne supérieure reste beaucoup plus froide. Le corps en graphite, le joint du mamelon et le filetage subissent tous des gradients de température abrupts et doivent survivre à des chauffages et des refroidissements répétés pendant que le four est chargé, fondu et taraudé. La résistance thermique n’est donc pas un nombre unique mais un ensemble de propriétés qui, ensemble, décrivent le comportement d’une électrode lorsqu’elle est chaude.
Le test de trempage à haute température
Le premier test maintient un échantillon à une température élevée contrôlée pendant une période définie et vérifie si la conductivité et le comportement de transfert thermique restent stables. Une boîte à température constante à haute température ou un four de laboratoire est utilisée, et l'échantillon est porté lentement à température afin d'éviter les contraintes thermiques qui ne font pas partie de l'essai. Avant et après le trempage, le laboratoire enregistre la résistivité électrique et les changements de masse, ainsi que, si nécessaire, les changements dimensionnels. Un échantillon qui gagne de la masse par oxydation, ou qui perd de la masse par volatilisation du liant, montre que sa résistance à l'oxydation ou son système de liant n'est pas adéquat pour le service UHP.
Le test de choc thermique
Les électrodes de graphite sont sujettes à la fissuration et à la rupture lorsqu'elles sont chauffées rapidement puis refroidies rapidement, ce qui se produit dans un four lorsque des déchets froids sont chargés à proximité d'une électrode chaude ou lorsque l'alimentation électrique est interrompue. L'essai de choc thermique chauffe donc l'éprouvette à haute température puis la trempe, à l'air ou dans un fluide réfrigérant, et répète le cycle. Après les cycles, l'échantillon est examiné pour déceler des fissures, des écailles et une perte de résistance. Le test reflète le coefficient de dilatation thermique, le module élastique et la microstructure du graphite, car une faible dilatation combinée à un module modéré permet au matériau d'absorber les contraintes thermiques sans se fracturer.
Propriétés clés qui régissent la résistance à la chaleur
La résistance thermique d'une électrode UHP est largement déterminée par les propriétés énumérées ci-dessous. Les valeurs sont typiques pour les matériaux de qualité UHP ; Les qualités de puissance normale (RP) et de puissance élevée (HP) présentent une résistivité plus élevée, une densité apparente plus faible et une dilatation thermique plus élevée.
| Propriété | Unité | Électrode | Mamelon |
|---|---|---|---|
| Résistivité électrique | micro-ohmmètre | 4.6-6.0 | 3.5-4.5 |
| Résistance à la flexion, min | MPa | 11.0 | 18.0 |
| Module élastique, maximum | GPa | 13.0 | 15.0 |
| Densité apparente | g/cm3 | 1.65-1.75 | 1.75-1.82 |
| Frêne, maximum | % | 0.3 | 0.3 |
| ETC, 100-600 °C | 10-6 par C | 1.30-1.50 | 1.20-1.40 |
Un faible coefficient de dilatation thermique est la propriété la plus importante pour la résistance aux chocs thermiques, car la dilatation génère une contrainte qui fissure l'électrode. Un module d'élasticité modéré permet à cette déformation d'être absorbée élastiquement au lieu d'être concentrée au niveau d'un défaut. Une densité apparente élevée et une faible teneur en cendres favorisent la résistance à l'oxydation, car les impuretés formant des cendres catalysent la réaction entre le graphite et l'oxygène, et la résistance à la flexion maintient le joint intact lorsque la colonne est soumise à une charge mécanique.
Procédure de test et évaluation
Échantillonnage:les échantillons sont découpés dans des électrodes de production ou dans le matériau du mamelon, et leur emplacement est enregistré car les propriétés varient sur la longueur d'une électrode pressée.
Étape de trempage :l'échantillon est chauffé à la température d'essai, maintenu à cet endroit et refroidi sous contrôle avant que la résistivité et la masse ne soient à nouveau mesurées.
Cycle de trempe :l'échantillon chaud est refroidi rapidement et inspecté ; le cycle est répété de manière à ce que l'initiation et la croissance des fissures puissent toutes deux être observées.
Tests de propriété :la résistivité, la résistance à la flexion, le module élastique, la densité apparente, les cendres et le CTE sont mesurés avec des méthodes de laboratoire standard pour les produits en carbone.
Acceptation:les résultats sont comparés aux limites UHP du tableau ci-dessus ; un échantillon qui ne résiste pas à la résistance ou à l'expansion est rejeté pour une utilisation UHP même si sa résistivité est acceptable.
Les tests sont effectués sur des électrodes finies plutôt que sur du coke brut, car les étapes de cuisson et de graphitisation déterminent la structure cristalline finale. Les enregistrements de lots qui relient les résultats des tests aux conditions de graphitisation permettent au producteur de retracer toute dérive de la résistance thermique jusqu'au processus.
FAQ
Q : Qu'est-ce que le test de résistance à la chaleur d'une électrode en graphite à ultra-haute puissance ?
Il s'agit d'une paire de tests en laboratoire : un test de trempage à haute température qui vérifie la conductivité stable et le transfert de chaleur, et un test de choc thermique qui chauffe et trempe à plusieurs reprises l'échantillon pour révéler des fissures.
Q : Quelle propriété prédit le mieux la résistance aux chocs thermiques ?
Le coefficient de dilatation thermique est la propriété dominante, soutenue par le module élastique, car ensemble, ils déterminent la quantité de contrainte thermique que le graphite peut absorber avant de se fracturer.
Q : Quel équipement est utilisé pour le test à haute température ?
Une boîte à température constante à haute température ou un four de laboratoire avec chauffage et refroidissement contrôlés est utilisé, de sorte que l'échantillon soit trempé uniformément et refroidi sans contrainte thermique incontrôlée.
Q : En quoi une électrode UHP diffère-t-elle des qualités RP et HP ?
Le matériau UHP a une résistivité électrique plus faible, une densité apparente plus élevée, une résistance à la flexion plus élevée et une dilatation thermique plus faible, ce qui lui permet de transporter un courant plus élevé dans le four à arc.
Q : Pourquoi la teneur en cendres est-elle limitée dans les électrodes UHP ?
Les impuretés formant des cendres-catalysent l'oxydation du graphite et augmentent la résistivité, de sorte que la teneur en cendres des électrodes UHP reste très faible.
Q : À quelle fréquence les électrodes doivent-elles être testées ?
Les tests de résistance à la chaleur sont normalement effectués sur chaque lot de production ou à une fréquence d'échantillonnage définie, afin que les changements dans les conditions de matière première ou de graphitisation soient détectés avant expédition.
