1tom334

13. ELEKTROTERMIA 670

13.7. Nagrzewanie łukowe

13.7.1. Podstawy metody

Nagrzewanie lukowe jest to nagrzewanie elektryczne oparte na efekcie Joule’a w gazach dopływających swobodnie do przestrzeni wyładowczej luku elektrycznego.

Moce łuków wielkoprądowych wykorzystywane do celów technologicznych sięgają 100 MW. Ich temperatury w K

T,^mUj    (13.28)

przy czym UJ potencjał jonizacji gazu, V.

W stalowniczych piecach łukowych pracujących przy ciśnieniu atmosferycznym — 7j w 8000 K, w piecach łukowo-rezystancyjnych do żelazostopów 7} = 5000 -t- 8000 K, zaś w piecach do karbidu — 7j« 5000 K.

Moc cieplna z luku jest odprowadzana przez konwekcję, promieniowanie oraz w wyniku przekazywania elektrodom energii kinetycznej przez jony i elektrony (rys. 13.22). Stosuje się zarówno łuk prądu stałego, jak i przemiennego. Łuk prądu stałego jest wykorzystywany w stalowniczych piecach lukowych z atmosferą naturalną (DC-AF), w łukowych piecach próżniowych, w wysokonapięciowych piecach łukowych do realizacji reakcji chemicznych w fazie gazowej oraz w łukowych piecach kadziowych (DC-LF). Łuk prądu przemiennego stosuje się w stalowniczych piecach łukowych (AC-AF) — najbardziej rozpowszechnionych, w piecach łukowo-rczystancyjno-elektrodowych przeznaczonych do redukcyjnego wytapiania metali z rud do topienia rud, w łukowych piecach kadziowych (AC-LF), w pozapiecowej obróbce stali.

Rys. 13.22. Bilans mocy luku prądu przemiennego R, promieniowanie kolumny luku,

R_p — promieniowanie nagrzewanych gazów

Rys. 13.23. Łuk „otulony” występujący w piecach z częściową przemianą energii w luku / - spieczona warstwa wsadu tworząca rodzaj „tygla”. 2 - wsad stopiony. 3 łuk. 4 elektroda. 5 — wsad stały

Wykorzystuje się głównie łuki bezpośrednie, występujące między elektrodą lub elektrodami (najczęściej grafitowymi) i wsadem (rys. 13.22). Napięcia zasilające łuk zawierają się w przedziale od kilkudziesięciu do kilkuset woltów, ale nie więcej niż J000 V (względy bezpieczeństwa). Prądy łuku przekraczają już 100 kA.

Łuk w urządzeniach do redukcyjnego wytapiania substancji z rud i z produktów ich przeróbki oraz w urządzeniach do topienia rud jest — z małymi wyjątkami — lukiem prądu przemiennego bezpośrednim, wytwarzanym między elektrodami grafitowymi (rzadko węglowymi) i wsadem pozostającym w stanic stałym lub ciekłym bądź w obu stanach równocześnie. Konwersja energii elektrycznej w ciepło ma charakter skojarzony, tzn. dokonuje się w łuku, także wc wsadzie stałym (nagrzewanie rezystancyjnc) oraz w wyniku przepływu prądu przez stopioną część wsadu (nagrzewanie elektrodowe). Rysunek 13.23 przedstawia ten rodzaj łuku nazywanego niekiedy „otulonym”.

13.7.2.    Technologie łukowe

Do głównych łukowych procesów technologicznych zalicza się:

a)    wytapianie i roztapianie metali ze złomu,

b)    wytapianie stali przy wsadzie ciekłym,

c)    wytapianie stali z żelaza gąbczastego,

d)    przetapianie metali,

e)    obróbkę pozapiecową stali.

Do grupy a) zaliczają się technologie realizowane w jednym urządzeniu łukowym, a w szczególności procesy wytwarzania: stali o zawartości do 2% C, żeliwa o zawartości C pow'yżej 2% oraz w mniejszej skali stopów Ni i Cu. Realizuje się je głównie w urządzeniach łukowych trójfazowych typu Heroulte’a (z lukiem bezpośrednim), a ostatnio także w urządzeniach prądu stałego. Są to procesy okresowe o przeciętnym czasie jednego wytopu 1    6 h.

Grupa b) to technologie stosowane przy niedostatku złomu jako materiału wsadowego. W stanie ciekłym wprowadza się surówkę po 0,8 -*■ 1 h od chwili rozpoczęcia topienia wsadu w stanie stałym, stanowiącym pierwszą część wsadu.

Technologie c) mogą być realizowane przy udziale żelaza gąbczastego o dowolnej zawartości Fe. Resztę stanowi złom stalowy.

Grupa d) to procesy w łukowych piecach próżniowych. Obejmują one przetapianie: Ti, W, Mo, Nb, Zr, Ni, stali i stopów specjalnych żaroodpornych, nierdzewnych i łożyskowych.

Procesy e) są konsekwencją przechodzenia do wytapiania dwuetapowego. Pierwszy etap jest realizowany w podstawowym agregacie metalurgicznym, np. w piecu łukowym, drugi zaś w jednym lub w dwóch kolejnych urządzeniach pozapiccowych (operacja rafinacji i wykańczania). Do obróbek pozapiccowvch stali zalicza się m.in. procesy ASEA-SKF, VAD, LF, DH [13.19], [13.32],

13.7.3.    Urządzenia do realizacji technologii łukowych

Oprócz pieca w skład urządzenia wchodzą: układ zasilający, mechanizmy załadunku wsadu, instalacje chłodzenia wodnego, instalacje odciągowo-wentylacyjne, człony pomia-rowo-regulacyjnc oraz. układy specjalizowane, np. próżniowe, do mieszania metalu, dodatkowe źródła ciepła, układy rekuperacji ciepła i in.

Urządzenia łukowe z piecami wytopowymi prądu przemiennego

Są one najbardziej rozpowszechnione w metalurgii i odlewnictwie (rys. 13.24). Stanowią one, obok konwertora tlenowego, podstawowe agregaty nowoczesnej metalurgii. W czterech generacjach tych urządzeń wytwarza się ponad 25% światowej produkcji stali.

Pierwsza generacja to konstrukcje chłodzone częściowo wodą i częściowo powietrzem w sposób naturalny. Regulacja mocy typu impedancyjnego. Ściany kotła i sklepienie są wyłożone w całości ceramiką. Moce jednostkowe, w przypadku urządzeń średniej wielkości, rzadko przekraczają 200 kV-A/Mg. Istotną ich wadą jest nierównomierne zużywanie się wymurówki kotła.

Druga generacja, wprowadzona z początkiem lat sześćdziesiątych, to urządzenia o mocy jednostkowej 400-^500 kV-A/Mg i triangulowanych torach wielkoprądowych chłodzonych wodą. także w części giętkiej. Urządzenia są eksploatowane przy krótkich lukach, co zmniejsza zużycie wymurówki o 40% w porównaniu z urządzeniami pierwszej generacji. Wymagają one tzw. elektrod wysokointcnsywnych o dużej średnicy i dużej obciążalności prądowej. Typowa wydajność pieca o pojemności 100 Mg wzrosła do 40 Mg/h, czas od spustu do spustu skrócony został do 2,5 h.

Trzecią generację urządzeń łukowych, wprowadzoną po 1973 r., znamionują: wyeliminowanie wymurówki kotła powyżej poziomu żużla oraz ze znacznej powierzchni sklepienia i wprowadzenie chłodzenia wodnego tych elementów, sterowanie komputerowe, wzrost mocy jednostkowej do 650-4-800 kV A/Mg, wprowadzenie obróbki poza-piecowej, wdmuchiwanie dużych ilości tlenu. Możliwa stała się praca ze stosunkowo