グラファイト電極とは？

グラファイト電極は、電気アーク炉（EAF）製鋼プロセスにおいて不可欠な導電部品です。
これらは電気エネルギーを炉内に伝達し、電極柱と鉄スクラップの間に高温のアークを発生させます。
この強力な熱によって鉄スクラップが溶解し、効率的な製鋼が可能となります。

種類と特性

電気アーク炉（EAF）による製鋼において、グラファイト電極は電力要件に基づき、レギュラーパワー（RP）、ハイパワー（HP）、そしてウルトラハイパワー（UHP）の3つのグレードに分類されます。
それぞれのタイプは異なる性能特性を持ち、製鋼プロセスにおけるさまざまな運転ニーズに対応しています。

1. レギュラーパワー（RP）グラファイト電極

RP 電極は標準グレードの石油コークスから製造され、比較的低温で黒鉛化処理が行われます。
これらは高グレード電極と比べて電気抵抗率が高く、耐熱衝撃性が低いという特徴があります。
通常、極端な性能が求められない低〜中電力の電気アーク炉（EAF）操業に使用されます。

2. ハイパワー（HP）グラファイト電極

HP 電極は、高品質の石油コークスに低密度ニードルコークスを配合して製造され、RP 電極よりも優れた導電性と強度を備えています。
その改良された微細構造により、より高い電流負荷に対応でき、熱安定性も向上しています。
これにより、より高い効率が求められるハイパワーEAF用途に適しています。

3. ウルトラハイパワー（UHP）グラファイト電極

UHP 電極は最上位グレードであり、プレミアム品質の石油コークスと高密度ニードルコークスを用いて製造されます。
これらは 2800〜3000℃ の極めて高温で黒鉛化処理され、超低電気抵抗、卓越した電流密度性能、そして優れた耐熱衝撃性を実現しています。
この電極は、極限的な熱負荷および電気負荷がかかる最も要求の厳しい EAF 操業のために設計されています。

グラファイト電極の製造工程

グラファイト電極は、骨材として高品質の石油コークスおよびピッチコークスを使用し、結合材としてコールタールピッチを用いて製造されます。

高品質なグラファイト電極の生産には、複数の精密な工程が含まれます。これには、焼成、粉砕、混合、練り合わせ、成形、焼成、含浸（任意）、黒鉛化、そして機械加工が含まれます。
以下に、その製造工程の詳細を示します。

1. 焼成（カルシネーション）

原料：石油コークスまたはピッチコークス

温度：1300℃以上

目的：揮発分を除去し、真密度・機械的強度・電気伝導性を向上させる。

原料コークスを高温炉で加熱し、水分・硫黄・その他の不純物を除去することで、より安定した炭素構造が得られる。

2. 粉砕・ふるい分け・混合

焼成後のコークスを粉砕し、粗粒・中粒・微粉に分級する。
一部は微粉末に粉砕される。
粒子は配合処方に従って正確に計量・混合される。

3. 練り合わせ（バインダーとの混合）

• 乾燥混合物を加熱し、通常はコールタールピッチをバインダーとして加えてペースト状にする。
• 温度、混合時間、バインダーの特性がペーストの品質および最終製品の品質に大きく影響する。

4. 成形（モールディング）

• ペーストを「グリーン電極」に成形する。成形方法は以下の通り：
  • 押出成形（円筒形電極用）
  • 振動成形（大径電極用）
  • 圧縮成形（特殊形状用）
• 成形されたグリーン電極は高密度を持つが、構造安定性のためにさらに熱処理が必要となる

5. 焼成（炭化工程）

• グリーン電極をコークスまたは砂で覆い、酸化を防ぎながら 850〜1000℃ の炉で焼成する。
• この過程でバインダーが炭化し、コークス粒子を結合させる固体炭素マトリックスに変化する。
• 焼成後の電極（炭化電極）は機械的強度を獲得する。

6. 含浸（オプション – 高密度電極用）

• 密度と強度を向上させるため、焼成電極をオートクレーブに入れ、液体ピッチまたは樹脂を高圧で電極の細孔内に浸透させる。
• 含浸後、電極は二次焼成を行い、含浸されたバインダーを炭化させる。
• 超高密度電極の場合、この工程は 2〜3回繰り返される。

7. 黒鉛化

炭化電極を黒鉛化炉に装入し、断熱材で覆った後、直接通電方式（アチソン法またはLWG法）により 2000〜3000℃ まで加熱する。

• この極高温下で非晶質炭素構造が結晶性の黒鉛格子に変化し、以下の特性が大幅に向上する：
  • 電気伝導性
  • 耐熱性
  • 耐酸化性

8. 機械加工（最終工程）

• 黒鉛化された電極を精密加工（旋削、ねじ切り、テーパー加工など）し、寸法公差を正確に満たすよう仕上げる。
• 必要に応じて、耐酸化コーティングなどの表面処理が施され、高温用途での性能が向上する。

グラファイト電極の用途

• 製鋼（電気アーク炉 EAF）
• 製鋼（取鍋炉 LF）
• シリコンおよびリンの製造