ความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของอิเล็กโทรดกราไฟต์กับการใช้พลังงานในการผลิตเหล็กด้วยเตาไฟฟ้า

การผลิตเหล็กด้วยเตาหลอมไฟฟ้าแบบอาร์คมีพื้นฐานมาจาก...อิเล็กโทรดเพื่อสร้างประกไฟฟ้า พลังงานไฟฟ้าจึงสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนในประกไฟฟ้าได้ ทำให้วัตถุดิบในเตาหลอมละลายและกำจัดสิ่งเจือปน เช่น กำมะถันและฟอสฟอรัส พร้อมทั้งเติมธาตุที่จำเป็น (เช่น คาร์บอน นิกเกล แมงกานีส เป็นต้น) เพื่อหลอมเหล็กหรือโลหะผสมที่มีคุณสมบัติต่างๆ การให้ความร้อนด้วยพลังงานไฟฟ้าสามารถควบคุมอุณหภูมิของเตาหลอมได้อย่างแม่นยำและผลิตก๊าซเสียที่มีอุณหภูมิต่ำ ประสิทธิภาพการให้ความร้อนของเตาหลอมเหล็กแบบประกไฟฟ้าจึงสูงกว่าเตาหลอมแบบใช้ตัวแปลง

การพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตเหล็กด้วยเตาไฟฟ้า (EAF) มีประวัติยาวนานประมาณ 100 ปี แม้ว่าวิธีการอื่นๆ จะเผชิญกับความท้าทายและการแข่งขันในการผลิตเหล็กอยู่เสมอ โดยเฉพาะอย่างยิ่งผลกระทบจากการผลิตเหล็กด้วยออกซิเจนประสิทธิภาพสูง แต่สัดส่วนการผลิตเหล็กด้วยเตาไฟฟ้าในผลผลิตเหล็กทั่วโลกยังคงเพิ่มขึ้นทุกปี ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 เหล็กที่ผลิตด้วยเตาไฟฟ้าทั่วโลกคิดเป็น 1 ใน 3 ของผลผลิตเหล็กทั้งหมด ในบางประเทศ เตาไฟฟ้าเป็นเทคโนโลยีการผลิตเหล็กหลัก และสัดส่วนการผลิตเหล็กด้วยเตาไฟฟ้าสูงกว่าในอิตาลีถึง 70%

ในช่วงทศวรรษ 1980 การผลิตเหล็กด้วยเตาอาร์คไฟฟ้าแบบต่อเนื่อง (EAF) แพร่หลาย และค่อยๆ พัฒนาเป็น “กระบวนการผลิตที่ประหยัดพลังงาน” โดยใช้เตาอาร์คไฟฟ้าแบบอุ่นเศษเหล็กก่อนการหลอม การกลั่น การหล่อแบบต่อเนื่อง และการรีดแบบต่อเนื่อง” ซึ่งส่วนใหญ่ใช้สำหรับผลิตเหล็กจากเศษเหล็กเหลือใช้จากเครื่องจักรอย่างรวดเร็ว เพื่อแก้ไขปัญหาความไม่เสถียรของอาร์คในเตาอาร์คไฟฟ้ากระแสสลับกำลังสูง ปัญหาการจ่ายไฟสามเฟส ความไม่สมดุลของกระแสไฟฟ้า และผลกระทบอย่างรุนแรงต่อระบบไฟฟ้า จึงมีการวิจัยเตาอาร์คไฟฟ้ากระแสตรง (DC) และนำไปใช้ในอุตสาหกรรมในช่วงต้นศตวรรษที่ 21ในช่วงกลางทศวรรษ 1990 เตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรงแบบอาร์คที่ใช้ขั้วไฟฟ้ากราไฟต์เพียง 1 ราก ได้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายทั่วโลกในช่วงทศวรรษ 1990 (2 ในเตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรงแบบอาร์คที่ใช้ขั้วไฟฟ้ากราไฟต์บางชนิด)

ข้อดีที่สำคัญที่สุดของเตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรงคือการลดการใช้กราไฟต์อิเล็กโทรดลงอย่างมาก ก่อนปลายทศวรรษ 1970 เตาหลอมไฟฟ้ากระแสสลับใช้กราไฟต์อิเล็กโทรด 5-8 กิโลกรัมต่อเหล็กหนึ่งตัน ต้นทุนกราไฟต์อิเล็กโทรดคิดเป็น 10% ถึง 15% ของต้นทุนเหล็กทั้งหมด แม้ว่าจะมีการใช้มาตรการหลายอย่างเพื่อให้การใช้กราไฟต์อิเล็กโทรดลดลงเหลือ 4-6 กิโลกรัม หรือต้นทุนการผลิตคิดเป็น 7-10% การใช้กรรมวิธีการผลิตเหล็กด้วยกำลังสูงและกำลังสูงมากทำให้การใช้กราไฟต์อิเล็กโทรดลดลงเหลือ 2-3 กิโลกรัมต่อเหล็กหนึ่งตัน ในขณะที่เตาหลอมไฟฟ้ากระแสตรงใช้กราไฟต์อิเล็กโทรดเพียง 1 ตัว ทำให้การใช้กราไฟต์อิเล็กโทรดลดลงเหลือต่ำกว่า 1.5 กิโลกรัมต่อเหล็กหนึ่งตัน

ทั้งทฤษฎีและการปฏิบัติแสดงให้เห็นว่า การสิ้นเปลืองอิเล็กโทรดกราไฟต์ในแต่ละครั้งสามารถลดลงได้ 40% ถึง 60% เมื่อเทียบกับเตาหลอมไฟฟ้ากระแสสลับ