2 Nagrzewanie łukowe

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

natomiast różnice w konstrukcji pieców są niewielkie. Ocena urządzeń DC-AF, oparta na
kilkuletnim już okresie ich eksploatacji potwierdza tezę, że zarówno pod względem
technicznym, jak i ekonomicznym przewyższają one urządzenia AC-AF zwłaszcza, że można
już budować jednostki o pojemności 160 Mg i mocy 128 MW [207]. Opłacalna jest też
przebudowa urządzeń AC-AF na DC-AF, a okres amortyzacji kosztów przebudowy – według
stanu cen w Szwajcarii w r. 1984 – wynosi tylko 2 lata [42].

Piece urządzeń DC-AF buduje się jako jedno- oraz trzyelektrodowe, przystosowane do

pracy w atmosferze powietrza ale także argonu bądź azotu. Elektrody są katodami zaś biegun
dodatni związany konstrukcyjnie z trzonem pieca. Istnieją rozwiązania pieców o łukach
bezpośrednich z trzonem nieprzewodzącym oraz z dwiema elektrodami, z których jedna jest
katodą druga anodą. Dotychczas nie rozpowszechniły się one mimo podstawowej zalety jaką
jest wyeliminowanie trudnego problemu związanego z umieszczeniem anody w trzonie, czyli
przeciwelektrody [11]. Jako górną granicę mocy pieców jednoelektrodowych przyjmowano do
niedawna 60 MW. Z początkiem lat dziewięćdziesiątych moc ta została podwojona. Rysunek
5.47 przedstawia piec jednoelektrodowy o pojemności 30 Mg, mocy – 18 MW, maksymalnym
napięciu stałym – 380 V i maksymalnym prądzie łuku – 48 kA, z chłodzeniem wodnym ścian
kotła oraz sklepienia.

Rys. 5.47. Szkic urządzenia łukowego z jednoelektrodowym piecem wytopowym prądu stałego

1 – chłodzone części elektrody kombinowanej, 2 – część grafitowa elektrody, 3 – dopływ Ar lub N

, 4

– część przewodząca trzonu (anoda), 5 – elektroda denna, 6 – tor wielkoprądowy,
7 – ceramiczny przepust elektrodowy
Zaczerpnięto z [316]

295

5. Nagrzewanie łukowe
____________________________________________________________________________

Właściwe rozwiązanie przeciwelektrod, gwarantujące wymaganą niezawodność,

stanowi dużą trudność w budowie pieców DC-AF. Istnieje kilka – chronionych patentami –
konstrukcji polegających m.in. na wykonaniu przeciwelektrod w postaci:
- chłodzonego wodą metalowego przepustu (lub trzech przepustów w piecach 3-elektrodo-

wych), umieszczonego w ceramice trzonu [42];

- pewnej liczby prętów metalowych zaprasowanych w ceramice trzonu o końcach chłodzonych

powietrzem (rys. 5.48);

- ułożonej na miedzianych płytach przewodzących warstwy cegieł magnezytowo- grafitowych,

na której spoczywa stykająca się ze wsadem druga warstwa cegieł dolomitowych lub
magnezytowych z umieszczonymi w spoinach stalowymi blachami, zużywającymi się razem
z wymurówką dna [179].

Rys. 5.48. Trzon przewodzący pieca DC-AF

1 – metalowe pręty kontaktowe, 2 – masa wykładzinowa, 3 – cegły ogniotrwałe, 4 – wylot powietrza
chłodzącego, 5 – kabel wielkoprądowy, 6 – wąż doprowadzający powietrze do chłodzenia końcówek
prętów kontaktowych, 7 – otwór na czujnik do pomiaru temperatury pręta, 8 – izolacja elektryczna, 9 –
płaszcz kotła
Zaczerpnięto z [316]

Układy elektryczne jednoelektrodowych pieców DC-AF przedstawione są na rys. 5.49.

Piece trójelektrodowe wyposaża się w trzy równolegle pracujące zespoły transformatorowo-
prostownikowe dwunastopulsowe, w jeden zespół łączników oraz jeden układ kompensująco-
filtrujący. Napięcie wtórne urządzeń o mocach osiąganych obecnie nie przekracza 500 V.

Charakterystyki prądowo-napięciowe łuku, zarówno prądu stałego, jak i przemiennego

w części roboczej przy stałej długości łuku mają przebieg praktycznie liniowy, przy czym
napięcie łuku jest niezależne od prądu (krzywa 1 i 2 dla dwóch różnych długości na rys. 5.50).
Stabilizacja łuku wymaga więc włączenia w obwód elementu ograniczającego wahania prądu.
W urządzeniach AC-AF rolę tę spełnia głównie reaktancja toru wielkoprądowego X

, a w

mniejszym stopniu reaktancja transformatora X

i dławika X

, stosowanego tylko wtedy gdy X

+ X

jest zbyt mała. W obwodzie takim U

) ma charakter eliptyczny (krzywa 3 na rys. 5.50).

W urządze-

296

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

Rys. 5.49. Schematy zasilania jednoelektrodowych pieców łukowych prądu stałego (DC-AF)

1 – transformator piecowy, 2a – prostownik sześciopulsowy, 2b – prostownik dwunastopulsowy, 3 –
część giętka toru wielkoprądowego, 4 – piec jednoelektrodowy, 5 – dławik, 6 – filtr 5-tej
harmonicznej, 7 – filtry 7, 11, i 13-tej harmonicznej

Rys. 5.50. Charakterystyki prądowo-napięciowe i napięciowe luków

– napięcie luku, U – napięcie źródła, I

– prąd luku, I

– prąd zwarcia przy zasilaniu z

transformatora. I

– prąd zwarcia przy zasilaniu z prostownika (kąt załączania tyrystorów α = 0°)

297

5. Nagrzewanie łukowe
____________________________________________________________________________

niach DC-AF prostownik jest włączany tuż za transformatorem. Reaktancja obwodu – z uwagi
na bardzo krótki odcinek toru wielkoprądowego – jest więc bardzo mała. Z tego względu zaw-
sze niezbędny jest dławik powietrzny włączany w obwód stałoprądowy. Taka lokalizacja wy-
klucza charakterystyczne wady dławika w urządzeniach AC-AF (ograniczenie mocy i cos

Jeżeli w układzie zastosować prostownik niesterowany, to U

) zmienia się tak jak przed-

stawia to krzywa 4 na rys. 5.50. Wadą tego rozwiązania jest duży prąd zwarcia I

, który jest

blisko dwa razy większy od prądu znamionowego transformatora piecowego I

(w urządze-

niach AC-AF prąd zwarcia I

=(1,3÷1,8)I

). Ograniczenie oddziaływania na sieć zasilającą

urządzenia DC-AF z prostownikiem niesterowanym

= 0° jest więc możliwe tylko w części.

Znacznie korzystniejsze jest zastosowanie prostownika sterowanego ze zmianą kąta

załączenia tyrystorów od wartości prądu łuku (proste 5 i 6). Wartość robocza prądu łuku I

ł,r

może być wówczas stała, bez względu na długość łuku – a więc także podczas zwarcia (prosta
7 na rys. 5.50). Układ zasilania ma charakterystykę typową dla źródła prądu, którego wartość
jest stała, bez względu na obciążenie. Dławik jest mimo to niezbędny, ponieważ przy zmianie
prądu łuku zmiana kąta załączenia tyrystorów odbywa się z pewnym opóźnieniem. Ten rodzaj
zasilania bardzo znacznie zmniejsza niekorzystne oddziaływanie urządzenia na sieć.
Prostowniki

są wykonywane jako układy mostkowe z wieloma równoległymi tyrysto-

rami w każdej gałęzi, ponieważ obciążalność prądowa ciągła handlowych tyrystorów w tech-
nice końca lat osiemdziesiątych nie przekracza 5 kA.

Transformator w urządzeniu DC-AF nie musi być wyposażony w odczepy, z uwagi na

to, że regulacja napięcia dokonywana jest w prostowniku. Wprawdzie pierwsze duże urządze-
nie DC-AF wyposażone było w układ autotransformator regulacyjny – transformator, ale now-
sze urządzenia wyposaża się jedynie w przełącznik trójkąt-gwiazda po stronie WN oraz układ
filtrów kompensujących 5, 7, 11 i 13-tą harmoniczną spełniający dodatkową rolę kompensatora
mocy biernej.
Układ regulacji elektrody (elektrod) jest zasadniczo odmienny aniżeli w urządzeniach
AC-AF. Napięcie i prąd są regulowane niezależnie. Członem wykonawczym realizującym re-
gulację prądu łuku jest prostownik, regulacja napięcia odbywa się za pomocą układu przesuwu
elektrody (rys. 5.51). Nastawianie napięcia i prądu odbywa się przy użyciu dwóch potencjo-
metrów. Regulator prądu spełnia zarazem rolę automatycznego ogranicznika mocy szczytowej.
Dla poszczególnych faz procesu ustala się stałe programy regulacyjne. Roztapianie złomu re-
alizuje się przy długim łuku, fazę pracy z wsadem ciekłym – przy łuku krótkim. Osobliwy jest
rozruch urządzenia, podczas, którego musi być zapewniony dobry styk wsadu z przeciwelek-
trodą. Osiąga się go przez wprowadzenie na dno pieca bardzo drobnego złomu lub – o ile to
jest dopuszczalne ze względów metalurgicznych – pozostawia się niewielką ilość stopionego
metalu na dnie kotła [284]. Inne rozwiązanie polega na wprowadzeniu dodatkowego „styku
startowego", eliminowanego po stopieniu niewielkiej ilości wsadu [284]. Przed odstawieniem
pieca załadowuje się go złomem, stapia się część wsadu i w ten sposób zapewnia się dobry styk
z przeciwelektrodą w momencie ponownego uruchomienia pieca.

298

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

Rys. 5.51. Schemat układu regulacji pieca łukowego prądu stałego, wg [267]

Urządzenie DC-AF ma wiele zalet w porównaniu z AC-AF. Przy mocy nie

przekraczającej 60 MW możliwa jest praca tylko zjedna elektrodą, co do 1/3 redukuje koszty
inwestycyjne i eksploatacyjne związane z urządzeniami nośnymi elektrod oraz ich automatyką.
Obciążenia mechaniczne urządzeń nośnych elektrod oraz napędów, a także toru
wielkoprądowego przy prądzie stałym – wobec nie występowania ciągłych zmian sił pola
magnetycznego – są znacznie mniejsze. Wyeliminowane jest dodatkowe obciążenie termiczne
konstrukcji stalowych wobec nie występowania prądów wirowych. Konstrukcja transformatora
piecowego jest mniej złożona, z uwagi na eliminację odczepów. Ograniczenie przetężeń
prądowych, zwłaszcza podczas zwarć zmniejsza koszty konserwacji wyłącznika piecowego,
który używany jest sporadycznie, np. przy przedłużaniu elektrody, ponieważ przy użyciu
regulatora prądu wartość I

może być sprowadzona do 0. Nie ma niebezpieczeństwa zerwania

łuku przy cos

> 0,866 oraz zanurzenia elektrody do kąpieli przy cos

< 0,5. Kolumna łuku

nie jest odchylana przez pole magnetyczne w kierunku ścian kotła, lecz utrzymuje się pionowo,
co ogranicza cieplne jej oddziaływanie na wymurówkę.

Zużycie materiału elektrodowego jest zdecydowanie mniejsze aniżeli w piecach AC-

AF. Wynosi ono 1,0

÷1,5 kg/Mg ciekłego metalu przy pracy w atmosferze powietrza, 0,5

kg/Mg – przy pracy z argonem [26], [62], [284]. Czynnik ten jest jednym z rozstrzygających o
przewadze urządzeń łukowych stałoprądowych. Większa dopuszczalna obciążalność prądowa
elektrod eksploatowanych w piecach DC-AF wynika m.in. z niewystępowania efektu
naskórkowości (rys. 5.52).

Oddziaływanie na sieć powodujące m.in. migotanie światła jest 2

÷3 razy mniejsze

aniżeli w przypadku urządzeń AC-AF. Wartości szczytowe natężenia hałasu powodowanego
łukiem stałoprądowym i przemiennoprądowym są podobne i zależą głównie od jakości złomu.
Czas emisji hałasu o największych natężeniach jest jednak mniejszy w przypadku urządzeń
stałoprądowych.

Przy przebudowie urządzeń AC na DC bez wymiany transformatora trzeba się liczyć z

tym, że możliwe jest zastosowanie wyłącznie 6-pulsowego układu prostownikowego, co tym
samym ogranicza do 65% moc czynną po stronie prądu

299

5. Nagrzewanie łukowe
____________________________________________________________________________

stałego w odniesieniu do znamionowej mocy pozornej transformatora piecowego. W takim
przypadku konieczne też jest stosowanie filtrów wyższych harmonicznych. W każdym jednak
przypadku filtry te można tak dobrać, że cos

≥ 0,95.

Rys. 5.52. Obciążalność prądowa elektrod grafitowych I

, w funkcji średnicy elektrod d

, w piecach łukowych

prądu przemiennego AC-AF i stałego DC-AF

Mając powyższe zalety urządzenia DC-AF na uwadze, trzeba uznać za racjonalny

pogląd o przyszłościowym ich charakterze dla stalownictwa.

5.2.4. Urządzenia łukowe do pozapiecowej obróbki stali

Jak to już zaznaczono w p. 5.2.1.4 wśród technik pozapiecowej obróbki stali końca lat
osiemdziesiątych trzy należą do łukowych: ASEA-SKF, VAD i LF.

Urządzenie ASEA-SKF zawiera następujące części składowe (rys. 5.53).

1. Próżnioszczelną kadź odlewniczą pełniącą podobną rolę jak kocioł w piecu łukowym, a

ponadto przeznaczoną do transportu metalu. Obudowa kadzi wykona na jest ze stali
niemagnetycznej, a jej wyłożenie jest dostosowane do rodzaju realizowanych w niej pro-
cesów metalurgicznych. Odlewanie metalu z kadzi odbywa się przez otwór w dnie;

2. Sklepienie z urządzeniami nośnymi elektrod i elektrodami zasilanymi z transformatora

trójfazowego oraz układy regulacji przesuwu elektrod;

3. Próżnioszczelną pokrywę połączoną z układem pompowym umożliwiającym wytwarzanie w

kadzi próżni poniżej 65 Pa w celu odgazowania metalu;

4. Mieszalnik indukcyjny, związany z kadzią i oddziałujący na wsad przez jej powierzchnię

boczną;

5. Dozownik dodatków stopowych;

300

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

6. Wyposażenie uzupełniające (urządzenia do podawania składników technologicznych w

postaci proszkowej, podgrzewania wstępnego kadzi, sterowania procesem automatycznego
pobierania próbek oraz pomiaru temperatury metalu) [10].

Rys. 5.53. Urządzenie ASEA do pozapiecowej obróbki stali

1 – urządzenie do dodawania składników stopowych, 2 – pomieszczenie na wyposażenie elektryczne i
hydrauliczne 3 – pomieszczenie na transformator, 4 – stanowisko do nagrzewania kadzi, 5 – kadź
piecowa, 6 – układ przesuwu kadzi, 7 – stanowisko odgazowania, 8 – sterownia
Zaczerpnięto z [10]

Urządzenie ASEA-SKF jest wykonywane w dwóch wersjach. Pierwsza wersja to

zestaw nieruchomej kadzi z mieszalnikiem (ruchome są sklepienie z elektrodami oraz
próżnioszczelna pokrywa współpracujące na przemian z kadzią). Druga wersja to zestaw kadzi
przesuwanej względem nieruchomych sklepienia i pokrywy współpracujących w różnej
kolejności z kadzią (wersja na rys. 5.53).

Moc jednostkowa urządzenia jest znacznie mniejsza w porównaniu z urządzeniem

łukowym wytopowym (około 100 kV·A/Mg). Pojemności kadzi przekraczają 150 Mg. Zużycie
właściwe energii w fazie podgrzewania wsadu trwającej 50

÷60 minut

301

5. Nagrzewanie łukowe
____________________________________________________________________________

wynosi 80 kW·h/Mg. Czas podgrzewania jak i kolejność operacji technologicznych, a
zwłaszcza odgazowania i podgrzewania do temperatury odlewania rzędu 1600°C jest
zróżnicowany. Mieszanie kąpieli można realizować zarówno podczas nagrzewania, jak i
odgazowania [321].

Urządzenie do odgazowania ciekłej stali i jej podgrzania metodą VAD składa się z

komory próżniowej zamykanej hydraulicznie opuszczaną pokrywą, która wyposażona jest w
konstrukcję nośną trzech elektrod oddzielnie regulowanych. Są one uszczelnione względem
pokrywy. W komorze próżniowej umieszcza się kadź. W odległości 60 cm od krawędzi kadzi
znajduje się podwieszony do pokrywy ekran termoizolacyjny z cegieł korundowych.

Wyposażenie elektryczne urządzenia do próżniowego podgrzewania kąpieli metalowej

jest dobrane w sposób zapewniający maksymalną szybkość podgrzewania rzędu 5 K/min przy
napięciu zasilania rzędu 240 V. Zużycie właściwe energii elektrycznej wynosi 35

÷70 kW·h/Mg

stali. Natężenie przepływu argonu podczas obróbki ciekłej stali zawiera się w przedziale 15

÷20

l/min. Maksymalne pojemności wsadowe kadzi – 80 Mg [278].

Urządzenia łukowe z piecami kadziowymi LF (Ladle Furnaces) mimo, że wprowadzone

najpóźniej, są obecnie dominującymi agregatami służącymi do pozapiecowej obróbki stali.
Według ocen z 1988 r. w świecie pracuje 160

÷170 takich urządzeń, a największe ma

pojemność 290 Mg. Z równym powodzeniem mogą one współpracować z urządzeniami
łukowymi, z konwertorami, a nawet z piecami martenowskimi, mimo że te ostatnie są z
nowoczesnego hutnictwa wycofywane [278]. Na rysunku 5.54 przedstawiony jest schemat
urządzenia LF, a ściśle rzecz biorąc urządzenia AC-LF, bowiem w użyciu są już pierwsze
urządzenia do obróbki pozapiecowej z piecami kadziowymi zasilanymi prądem stałym (DC-
LF).

Rys. 5.54. Łukowy piec kadziowy AC-LF

1 – otwór do wprowadzania dodatków stopowych, 2 – pokrywa kadzi chłodzona wodą,
3 – torkretowana masa izolacyjna, 4 – kadź, 5 – kształtka porowata, 6 – wlot argonu (azotu)

302

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

Podstawowymi elementami urządzenia są: piec kadziowy nazywany niekiedy pieco-kadzią,
układ zasilania w energię elektryczną, instalacja do wdmuchiwania argonu (azotu), układy
pomiarowo-regulacyjne.
W

skład pieca kadziowego wchodzą: kadź będąca odpowiednikiem kotła w piecu

łukowym, służąca zarazem do transportu stali, chłodzona wodą pokrywa z elektrodami;
mechanizm unoszenia lub unoszenia i odchylenia pokrywy oraz urządzenia nośne elektrod.
Rozwiązania tych mechanizmów są zbliżone do spotykanych w urządzeniach AF i wynikają ze
sposobu transportu kadzi. Gdy kadź jest podstawiona na stanowisko nagrzewania przy użyciu
wózka, pokrywa jest unoszona, gdy kadź jest transportowana dźwigiem, pokrywa jest unoszona
i odchylana w bok.

Rys. 5.55. Zależność mocy czynnej łuków i urządzenia LF w funkcji szybkości nagrzewania kąpieli stalowej w

piecu o pojemności wsadowej 43 Mg

Układ zasilania w energię elektryczną jest podobnie rozwiązany jak w urządzeniach
łukowych wytopowych, przy czym jego parametry są dostosowane do pracy wyłącznie z
wsadem ciekłym. Moc urządzenia dobierana jest do szybkości nagrzewania wsadu mającej
oczywiście związek ze stratami cieplnymi, z ilością doprowadzonego do kąpieli gazu oraz
energii niezbędnej do stopienia składników stopowych (rys. 5.55). Parametry urządzenia w
znacznym stopniu dostosowuje się do lokalnych warunków wynikających z usytuowania
stanowiska nagrzewania (niekiedy też odlewania) względem transformatora (lub prostownika i
transformatora). Ma to wpływ na długość i konfigurację toru wielkoprądowego, a więc także
na jego rezystancję i reaktancję, których wartości dla poszczególnych urządzeń wytopowych.
Dostosowuje sieje także do wymagań wynikających z procesów metalurgicznych, znacznie
bardziej zróżnicowanych aniżeli procesy wytapiania stali. Moc czynną urządzeń LF w funkcji
ich pojemności znamionowej ilustruje rys. 5.56. Najczęściej są to urządzenia trójfazowe
trójelektrodowe prądu przemiennego. W przypadku gdy piec kadziowy jest ustawiony
bezpośrednio na obrotowej platformie odlewniczej, z którą wykonuje obroty o ±175°,
usytuowanie transformatora i rozwiązanie toru wielkoprądowego wymagają rezygna-

303

5. Nagrzewanie łukowe
____________________________________________________________________________

Rys. 5.56. Moce urządzeń łukowych z piecami kadziowymi w funkcji pojemności znamionowej kadzi,

wg [112]

cji z jednej elektrody. Moce urządzeń dwuelektrodowych nie przekraczają jednak
8 MV·A [78].
Dwuelektrodowymi

są także urządzenia prądu stałego DC-LF. Istota pieców LF

polegająca na związaniu układu elektrod wyłącznie z pokrywą, wyklucza zastosowanie
przeciwelektrody w dnie kadzi, która jest podzespołem mobilnym. Z tego względu w
urządzeniach DC-LF zastosowano rozwiązania zjedna elektrodą grafitową oraz z zużywającą
się drugą elektrodą stalową zanurzoną w kąpieli. Pierwsza tego rodzaju konstrukcja o mocy
12,5 MV·A i pojemności wsadowej 92 Mg została oddana do użytku w r. 1986. Regulacja
napięcia w przedziale 140

÷325 V realizowana jest przy użyciu transformatora z 15 odczepami

[341].

Parametry układu elektrodowego urządzeń AC-LF różnią się także od znamionujących

urządzenia ĄC-AF. Najbardziej charakterystyczną różnicą jest mniejsza odległość między
elektrodami, określana zwykle ilorazem średnic koła podziałowego elektrod D

(okrąg

przechodzący przez osie elektrod) i elektrody d

W urządzeniach AC-AF, D

= 2,5

÷3,5 zaś w

urządzeniach AC-LF, D

= 1,7

÷3,1. Zużycie elektrod z zależy od gęstości prądu oraz czasu

obróbki stali w piecu. Rysunek 5.57 przedstawia te związki.

Rys. 5.57. Parametry układów elektrodowych urządzeń AC-AF

304

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

W celu homogenizacji składu kąpieli oraz wyrównania jej temperatury wdmuchiwany

jest do niej gaz obojętny (argon, a przy pewnych gatunkach stali – azot). Konieczność dobrego
wymieszania kąpieli, przy możliwie małym zużyciu gazu, wymaga doprowadzenia go do kadzi
przy niewielkim nadciśnieniu. Osiąga się to przy wdmuchu gazu przez porowatą kształtkę
umieszczoną w dnie kadzi (ruch kąpieli pokazany jest na rys. 5.54). Gaz może być także
wprowadzany do kąpieli przez zanurzoną od góry lancę. Potrzeba wtedy większej ilości gazu, z
czym wiążą się większe straty cieplne.
Jeśli chodzi o układy pomiarowo-regulacyjne urządzeń LF, to szczególna uwaga musi być
poświęcona automatyce ruchu elektrod. Czynnikami utrudniającymi jej w pełni skuteczne
działanie są:
- małe moce transformatorów, niskie napięcia łuków oraz małe prądy tzn. stosunkowo słabe i

krótkie łuki;

- mała powierzchnia kąpieli i wynikająca z tego podatność na jej falowanie, łącznie z

falowaniem żużla;

- wprowadzanie dodatków stopowych i wdmuchiwanie gazu;
- konieczność wyeliminowania nawęglania kąpieli.

Układy automatyki ruchu elektrod muszą charakteryzować się znacznie większą

czułością i szybkością działania aniżeli układy stosowane w urządzeniach AF. Można to
osiągnąć tylko przy bardzo starannym ekranowaniu wszystkich przewodów przenoszących
sygnały pomiarowe, także przy niskim poziomie sygnałów oraz precyzyjnie określonej
trajektorii eksploatacji urządzenia [78].

Urządzenia z piecami łukowymi kadziowymi, według powszechnych obecnie ocen,

dają możliwość wytwarzania stali wysokiej jakości szybciej, efektywniej i precyzyjniej niż
tradycyjne procesy rafinacji w piecach stalowniczych [278]. Z wielkim powodzeniem spełniają
one także rolę bufora regulującego odbiór metalu przez odlewnię lub agregat do ciągłego
odlewania stali.

5.2.5. Urządzenia łukowe z piecami próżniowymi

Pierwsze patenty dotyczące wykorzystania próżni w elektrometalurgii sięgają początku XX
stulecia ale dopiero od r. 1940 wprowadzono urządzenia łukowe z piecami próżniowymi do
przemysłu (W. Kroll w USA do topienia tytanu).

Jak to już zaznaczono przy opisie technologii łukowych (p. 5.2.1.4) urządzenia te są

stosowane głównie do przetapiania metali, przy czym w nowoczesnych urządzeniach istnieje
możliwość wprowadzania dodatków stopowych. Zasada ich działania polega na wykorzystaniu
ciepła powstającego w większości przypadków w wielkoprądowym łuku prądu stałego w
obszarze ciśnień 6,5

÷0,05 Pa (patrz p. 5.1.3.1). Urządzenia z zasilaniem prądem przemiennym

(wyłącznie trójfazowym) są rzadko stosowane. Ciśnienia w komorze poza obszarem
wyładowania są niższe - 1

÷0,01 Pa. Oprócz próżni

305

5. Nagrzewanie łukowe
____________________________________________________________________________

technicznej bywają także stosowane gazy obojętne przy ciśnieniach 1300

÷7800 Pa. Są one

niekiedy wprowadzane do komory w końcowej fazie procesu.

W użyciu są urządzenia z krystalizatorem oraz z autotyglem, stanowiące podstawowe

elementy próżniowych pieców łukowych. W urządzeniach z krystalizatorem realizowany jest
proces przetapiania i krzepnięcia wlewka, w urządzeniach z autotyglem – wyłącznie proces
przetapiania (metal pozostaje do czasu odlania w stanie ciekłym i utrzymywany jest w ruchu za
pomocą mieszalnika indukcyjnego).

Znacznie bardziej rozpowszechnione są urządzenia z krystalizatorami pracujące z

elektrodą stałą lub przetapianą jako wsadem. Elektrody stałe, a więc nieprzetapiane stosuje się
w urządzeniach przeznaczonych do przetapiania metali bardzo wysoko topliwych, takich jak
np. gąbka tytanu oraz do wytwarzania małych porcji metalu w celach badawczych (rys. 5.58a).
Próżniowe urządzenie łukowe z krystalizatorem i przetapianą elektrodą składa się z komory
próżniowej, krystalizatora, układu pomp próżniowych, konstrukcji do podwieszania elektrody
oraz jej opuszczania w miarę przetapiania, układu zasilania w energię elektryczną, urządzenia
do usuwania wlewków zakrzepłych w krystalizatorze oraz urządzeń kontrolnych i
pomiarowych.

Komora próżniowa ma kształt cylindryczny i jest chłodzona wodą. Przez szczelnie

zamykaną pokrywę górną wprowadza się do niej ruchomą prowadnicę z przymocowaną u jej
końca przetapianą elektrodą. Z prowadnicą, a tym samym z elektrodą, połączony jest ujemny
biegun źródła napięcia. Biegun dodatni połączony jest z krystalizatorem, a więc i z
przetopionym już wsadem.

Rys. 5.58. Schematy łukowych pieców próżniowych: a) z elektrodą stałą; b) z elektrodą przetapianą

1 – katoda (elektroda stała w przypadku a) i przetapiana w przypadku b), 2 – anoda (krystalizator),
3 – komora próżniowa, 4 – do układu pomp próżniowych
Zaczerpnięto z [129]

306

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

Stosuje się dwa rodzaje krystalizatorów: z dnem stałym oraz z dnem przesuwanym. W

częściej spotykanym rozwiązaniu krystalizatora z dnem stałym (rys. 5.58b), w miarę
przetapiania elektrody poziom metalu podnosi się, a wymaganą długość łuku utrzymuje układ
przemieszczania elektrody przetapianej. W tym przypadku długość wytapianego wlewka jest
ograniczona długością krystalizatora. Rozwiązanie z dnem przesuwanym może być
analogiczne do stosowanych np. w piecach elektrożużlowych (patrz rys. 4.16). Stosuje się
także inne konstrukcje [160]. Masa wytwarzanych wlewków sięga 100 Mg przy szybkości
przetapiania elektrody 0,5

÷0,7 kg/(kA·min). Wytwarzane wlewki mają najczęściej postać

bloków o przekroju kołowym, rzadziej – prostokątnym, a niekiedy formę grubościennych rur.

Jednym z trudniejszych problemów konstrukcyjnych i eksploatacyjnych jest

utrzymywanie możliwie stałego i krótkiego łuku. W warunkach próżni wymaga to
skomplikowanych układów regulacyjnych. Wiąże się z tym utrzymanie optymalnego prądu
mającego duże znaczenie dla efektów metalurgicznych. W przybliżeniu jest on proporcjonalny
do średnicy wewnętrznej krystalizatora D (przy wytwarzaniu bloków o przekroju kołowym)

(5.50)

przy czym k = 200

÷300 A/cm i zależy od rodzaju przetapianego metalu. Przetapianie prowadzi

się przy napięciach łuku o wartości kilkudziesięciu woltów, określanych z zależności (5.3).

Łukowe piece próżniowe są zasilane z prostowników na ogół sześciopulsowych, co

wynika z konieczności obniżenia współczynnika pulsacji poniżej 0,06. Jest to niezbędne z
uwagi na bardzo dużą podatność łuku na pulsację napięcia (łuk próżniowy znamionuje się małą
bezwładnością). Stabilne wyładowanie łuku wymaga więc stosowania wielofazowych układów
prostowniczych. W użyciu są prostowniki sterowane jak i niesterowane. Charakterystyka
źródła energii powinna być bardzo stroma w obszarze roboczym, a więc zbliżona do
charakterystyki źródła prądu.

Regulacja i stabilizacja napięcia (dopuszcza się odchyłki ±3%) realizowana jest w

sposób mieszany: zgrubny za pomocą przełącznika odczepów transformatora piecowego,
dokładny (w obszarze każdego odczepu) za pomocą dławika z podmagnesowaniem po stronie
wn lub kąta załączenia tyrystorów. Źródło zasilania powinno być tak dobrane, by możliwe było
obciążenie go dwukrotną wartością prądu znamionowego pieca.

5.2.6. Urządzenia łukowe w systemie
elektroenergetycznym

Eksploatacja urządzenia łukowego bez stosowania środków zaradczych powoduje wiele
negatywnych skutków w niektórych elementach systemu elektroenergetycznego,

307

5. Nagrzewanie łukowe
____________________________________________________________________________

a pośrednio także w wielu rodzajach odbiorników, nie wyłączając samych pieców łukowych.
Skutki te wynikają z konieczności dostarczenia do urządzenia oprócz mocy czynnej – także
mocy biernej, ze spadków i wahań napięcia zasilającego, asymetrii napięć oraz z nieliniowości
łuków.
Urządzenie łukowe jako odbiornik o charakterze indukcyjnym jest eksploatowane
najczęściej przy cos

= 0,65

÷0,80, co oznacza, że pobierana z sieci moc czynna jest równa w

przybliżeniu mocy biernej. Jeśli nie stosuje się kompensacji mocy biernej, to jej dostarczenie
do urządzenia łukowego powoduje – w porównaniu z obciążeniem czysto rezystancyjnym –
dodatkowe spadki napięć, a tym samym straty w urządzeniach do wytwarzania, przesyłu oraz
rozdziału energii elektrycznej.

Spadki napięć przy obciążeniu symetrycznym bez kompensacji można określić

następująco: Jeśli napięcie przewodowe na szynach elektrostalowni przy wyłączonym
urządzeniu łukowym równe jest

, to po jego włączeniu obniża się do wartości

, a

więc stosunek

(

)

[

]

)

(

(5.51)

przy czym:

Ru = Rł + R jest sumą rezystancji łuku i toru elektrycznego (łącznie z

transformatorem piecowym i ewentualnie dławikiem),

X – reaktancją toru elektrycznego

urządzenia łukowego,

– reaktancją sieci,

I – prądem zasilającym urządzenie łukowe.

Ponieważ

« X

zakłada się, że rezystancja sieci

= 0 (rys. 5.59). Iloraz modułów

(

)

(

)

(

)

(

)

−

(5.52)

Przy

< 1 można posłużyć się rozwinięciem

...

−

⋅

−

≈

−

z którego wykorzystuje się dwa składniki i wobec tego

(

)

−

≈

(5.53)

308

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

Rys. 5.59. Układ zasilania urządzenia łukowego, jego schemat zastępczy i wykres wektorowy napięć

Biorąc pod uwagę, że reaktancja sieci

, gdzie

jest mocą zwarciową

sieci na szynach elektrostalowni i mnożąc licznik oraz mianownik drugiego członu wyrażenia
(5.53) przez

, po uporządkowaniu otrzymuje się

(

)

[

]

−

≈

(5.54)

Względny spadek napięcia

≈

−

(5.55)

przy czym:

Q = 3I

X – moc bierna urządzenia łukowego; Q

= 3I

– moc bierna sieci.

Jak wynika z zależności (5.55), przy braku środków zaradczych, spadek napięcia

między szynami

A i B powoduje odchyłkę napięcia na szynach B elektrostalowni osiągającą w

typowych rozwiązaniach rząd 10% [309].

Transformator piecowy nie może być w takich warunkach wykorzystany w pełni,

ponieważ napięcie zasilające jest niższe od znamionowego napięcia pierwotnego. Moc czynna
urządzenia łukowego jest wówczas równa

( )

−

(5.56)

przy czym

– znamionowa moc pozorna transformatora.

309

5. Nagrzewanie łukowe
____________________________________________________________________________

Warunkiem likwidacji spadku napięcia jest kompensacja mocy biernej realizowana w

taki sposób, by w każdej chwili licznik wyrażenia (5.55) był równy w przybliżeniu zeru.

W analogiczny sposób można obliczyć odchylenie napięcia w każdym innym węźle

systemu, z którego zasilane są np. odbiorniki wrażliwe na obniżenie napięcia, a tym samym
daje się wyznaczyć minimalną moc zwarciową tego węzła gwarantującą spełnienie wymagań
odpowiednich przepisów.

Wahania napięcia w sieci zasilającej występują głównie w fazie roztapiania wsadu. W

urządzeniu przeznaczonym do realizacji pełnego cyklu produkcyjnego suma czasów
roztapiania w skali rocznej sięga 2400 h. Przy roztapianiu i częściowej obróbce wsadu ciekłego
czas ten rośnie do 3000 h [309]. Jeśli urządzenie łukowe jest agregatem przeznaczonym
wyłącznie do roztapiania zaś obróbkę stali prowadzi się poza piecem, system energetyczny jest
praktycznie przez cały czas działania pieca narażony na skutki powodowane specyfiką łuku
wielkoprądowego. Wahania napięcia sieci

∆ rzadko są we wszystkich fazach jednakowe.

Przy symetrycznym obciążeniu można je określić z podobnego wzoru jak spadki napięcia, a
mianowicie

min

max

∆

≈

−

(5.57)

przy czym:

max

min

- największe i najmniejsze wartości skuteczne połówki okresu 50

Hz w rozważanym czasie monotonicznej zmienności napięcia;

U – wartość skuteczna napięcia

znamionowego;

∆

Q – oscylacje mocy biernej wywołane pracą pieca łukowego w węźle sieci,

w którym moc zwarcia równa jest

W przypadku pojedynczego pieca moc bierna w fazie roztapiania

Q(1 ± 0,7), czyli

oscyluje wokół wartości ustalonej przy pełnym obciążeniu

Q. Oscylacje mocy biernej

∆

Q = l,4

Q oddziaływają na inne odbiorniki energii i przy znacznych wartościach

∆

Q, a zwłaszcza przy

małych mocach zwarciowych

wywołują dostrzegalne zakłócenia. Chodzi tu głównie o tzw.

zjawisko migotania światła, a także zaburzenia w odbiorze telewizyjnym.

Zjawisko migotania światła (flicker) występuje zarówno w przypadku lamp żarowych,

jak i wyładowczych, przy czym na wahania napięcia sieci 3,5

÷4,5 razy bardziej wrażliwe są

lampy żarowe [152]. Oko ludzkie jest szczególnie wrażliwe na migotanie światła, czyli
wahania strumienia świetlnego, natężenia oświetlenia lub luminancji w zakresie od 8

÷10 Hz i

to zarówno przy wahaniach napięcia o charakterze sinusoidalnym, jak i prostokątnym [323].
Wrażliwość ta przejawia się w postrzeganiu migotania, a po przekroczeniu pewnych
granicznych parametrów określających jego intensywność – w podrażnieniu centralnego
systemu nerwowego. Migotaniu światła, a w szczególności wyznaczaniu parametrów
determinujących to zjawisko, poświęcono w ostatnim czasie bardzo dużo prac [6], [171], [172],
[235], [304], [352]. Między innymi w ramach Międzynarodowej Unii Elektrotermii (UIE)
opracowany został miernik migotania światła, oparty na względnej odczuwalności migotania
[287],

310

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

[323]. Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC) opracowała także normę opartą na
wykorzystaniu tego przyrządu [138]. Na rysunku 5.60 przedstawiono w zależności od liczby
wahań napięcia na minutę i sekundę względne wartości wahań napięcia, przy których
migotanie światła staje się dostrzegalne. Liczba wahań napięcia w jednostce czasu równa jest
dwukrotnej wartości częstotliwości wahań, tzn.

n = 2f.

Rys. 5.60. Granica dostrzegalności migotania światła, wg [323]
1 – przy sinusoidalnym kształcie wahań napięcia sieci, 2 – przy kształcie prostokątnym

W celu sprawdzenia nieprzekraczalności granicy dostrzegalności migotania można się

także posłużyć wzorem ERA

[329]. W myśl tego wzoru ma to miejsce wówczas, gdy

100

≤

(5.58)

przy czym:

z,u

– moc zwarcia urządzenia łukowego,

– moc zwarcia sieci,

= 0,09

÷0,15 – współczynnik wrażliwości.

Wzór ten jest słuszny dla napięć przewodowych

≤ 132 kV. Według badań

amerykańskich z r. 1986, prowadzonych na piecach łukowych UHP, percepcja migotania
określona została tak jak przedstawia to rys. 5.61 [287].

Drugie z wymienionych zakłóceń powodowanych wahaniem napięcia – zaburzenia w

odbiorze telewizyjnym – są mniej krytyczne. Przy 10%-owych wahaniach napięcia o
częstotliwości 10 Hz, w pewnych rozwiązaniach odbiorników obserwuje się nieznaczne
zwężenie obrazu. W niektórych publikacjach wspomina się też o wpływie

311

ERA = Electrical Research Association (Wielka Brytania).

5. Nagrzewanie łukowe
____________________________________________________________________________

Rys. 5.61. Migotanie światła w zależności od wahań napięcia sieci przy eksploatacji pieców łukowych UHP,

wg [287]

tego rodzaju wahań napięcia na urządzenia komputerowe, [232], aparaturę biomedyczną,
urządzenia rentgenowskie i in. [287].

Z powyższego wynika konieczność sprawdzenia skutków jakie wywoła zainstalowanie

urządzenia łukowego w określonym miejscu systemu elektroenergetycznego już w fazie jego
projektowania. Z zależności (5.56) wynika, że wahania napięcia i wywołane przez nie skutki
będą do pominięcia przy dużej mocy zwarciowej sieci. Przy eksploatacji jednego pieca, jak to
wynika ze wzoru (5.58), zjawisko migotania światła nie będzie dostrzegalne jeśli spełniony
będzie warunek

400

S ≥

(5.59)

co oznacza po uwzględnieniu

że moc zwarciowa sieci musi być większa od mocy

zwarciowej urządzenia łukowego o 36

÷60 razy. Jeśli posłużyć się rezultatami przed-

stawionymi na rys. 5.60, to warunek eliminacji migotania jest ostrzejszy, mianowicie

≥

(5.60)

i taki bywa coraz częściej przyjmowany w praktyce.

Przy równoległej eksploatacji kilku urządzeń łukowych

≥

(5.61)

przy czym

z,z

jest zastępczą mocą zwarciową urządzeń łukowych zasilanych z tego samego

węzła sieci elektroenergetycznej.

Jeśli

n pieców ma taką samą moc zwarcia S

z,u

(5.62)

przy czym

według różnych autorów zawiera się w przedziale wartości [324]

312

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

≤

Dla urządzeń o niejednakowej mocy zwarciowej podawana jest m.in. zależność [323]

∑

max

(5.63)

przy czym:

z,u,max

- maksymalna moc zwarciowa spośród

N + 1 urządzeń zasilanych z tego

samego węzła;

z,u,i

– moc zwarciowa pozostałych

N urządzeń.

Wymagania określone nierównościami (5.60) i (5.61) są niekiedy trudne do spełnienia i

wówczas istnieje konieczność zastosowania szybkiej (podążającej za wahaniami napięcia)
kompensacji mocy biernej, co przy istniejących już rozwiązaniach (np. SYMSTAB firmy BBC
oraz TYCAP firmy ASEA) pozwala na 2,5

÷3 krotne obniżenie wartości tych wahań [152],

[329]. Tego rodzaju systemy oparte na łącznikach tyrystorowych umożliwiają równocześnie
poprawę cos

ϕ połączoną z eliminacją odchyleń napięcia, symetryzacją obciążeń oraz

eliminacją wyższych harmonicznych powodowanych nieliniowością łuku.

Asymetria napięcia jest to stan występowania różnych wartości napięć fazowych lub

międzyprzewodowych w poszczególnych fazach. Ilościowo jest ona określana
współczynnikiem asymetrii

równym składowej przeciwnej napięcia U- wyrażonej w %

składowej zgodnej

U+ lub w % napięcia znamionowego U

Asymetria w sieci wywołana przez urządzenie łukowe wpływa bezpośrednio na pracę

silników synchronicznych i indukcyjnych, ponieważ składowa przeciwna napięcia powoduje
indukowanie się pola magnetycznego o przeciwnym kierunku wirowania, co zmniejsza
moment napędowy i powoduje dodatkowe straty. Przepływ składowej przeciwnej i zerowej
prądu powoduje wzrost strat w liniach przesyłowych i transformatorach, a w wyniku tego może
ulec ograniczeniu zdolność przesyłowa układu elektroenergetycznego. Asymetria wpływa
także na pracę samych pieców [332].

Może być ona istotnie zmniejszona przy stosowaniu układów symetryzujących opartych

na podobnej zasadzie działania jak symetryzacją obciążenia sieci przez odbiorniki jedno- i
dwufazowe. Przy stosowaniu układów szybkiej kompensacji mocy biernej, symetryzacją reali-
zowana jest w połączeniu z ograniczeniem pozostałych niekorzystnych oddziaływań na sieć.

Prądy o częstotliwości ponadpodstawowej, których źródłem są łuki (patrz p. 5.1.3.1)

wywołują na reaktancji sieci spadki napięć i w efekcie ich odkształcenie w węzłach, z których
zasilane są inne odbiorniki. Dodatkowo powodują one straty w urządzeniach zasilających jak i
w pewnych kategoriach odbiorników. Działanie czułych aparatów elektronicznych, urządzeń
sterowanych sygnałami o częstotliwości akustycznej oraz przeznaczonych do przesyłu
informacji może ulec poważnym zakłóceniom. Z tych względów wprowadza się przepisy
ograniczające generację do sieci zakłóceń o częstotliwościach harmonicznych jak również o
widmach ciągłych. Piec łukowy prądu przemiennego generuje zakłócenia o wszystkich
częstotliwościach

313

5. Nagrzewanie łukowe
____________________________________________________________________________

ponadpodstawowych (rys. 5.12), przy czym nieparzyste i parzyste krotności częstotliwości
podstawowej wykazują wyraźne maksima. Kolejne maksima maleją w funkcji częstotliwości
mniej więcej o

Urządzenia łukowe prądu stałego są odbiornikami o podobnym charakterze przy czym

wyraźne maksima – obok podstawowej – wykazują częstotliwości harmoniczne

v = 6k + 1 przy k =

2, ...

(5.64)

przy amplitudach malejących teoretycznie według zależności

(5.65)

W rzeczywistości amplitudy wyższych harmonicznych odchylają się nieco od wartości
określonych zależnością (5.65). Są one zależne od kątów wyzwalania tyrystorów układu
prostowniczego, co przy stale zmieniających się ich wartościach prowadzi do modulacji
wyższych harmonicznych i występujących dla każdej harmonicznej wstęg bocznych.

Eliminacja wymienionych zakłóceń w urządzeniach starszego typu nie ma charakteru

kompleksowego i ogranicza się do jednego lub dwóch spośród wymienionych czynników.
Rozwiązania nowoczesne wyposaża się w szybkie zintegrowane układy z tyrystorowymi
członami wykonawczymi, pozwalające na istotne zmniejszenie wszystkich zakłóceń. W
układach tych wykorzystuje się sterowanie tyrystorowe:
- baterią kondensatorów,
- dławikiem lub baterią dławików,
- transformatorem o dużej impedancji zwarcia.

Rozwiązanie ze sterowanym dławikiem i stałą baterią kondensatorów przedstawione

jest na rys. 5.62. Dwa inne z regulowanym obciążeniem indukcyjnym (bateria kondensatorów
także stała) są zaznaczone linią przerywaną. Zasadniczym elementem tego układu jest dławik
powietrzny (umieszczony w każdej fazie). Jego moc bierna jest bezstopniowo regulowana za
pomocą tyrystorów. Równolegle do dławików, które dzięki sterownikowi tyrystorowemu
pozwalają uzyskać optymalne prądy (napięcia) niezależnie w każdej fazie, włączone są stałe
baterie kondensatorów. Stanowią one razem z szeregowo włączonymi dławikami i – jeśli to
niezbędne – dodatkowymi rezystorami tłumiącymi, elementy filtrów wyższych harmonicznych
i ewentualnie filtru szerokopasmowego.

Zasada działania układu jest następująca: Regulowana za pomocą sterowników

tyrystorowych moc bierna dławika (od 0 do mocy znamionowej) sumuje się z ulegającą
wahaniom mocą bierną indukcyjną urządzenia łukowego. Odbywa się to pod kontrolą
elektronicznego układu regulacyjnego w taki sposób, że suma tych mocy jest stała i równa w
każdej fazie.

Z kolei suma mocy indukcyjnych jest kompensowana mocą bierną pojemnościową

pochodzącą z nieregulowanej baterii kondensatorów (rys. 5.63).

314

5. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

Rys. 5.62. Układ minimalizacji oddziaływania urządzenia łukowego AC-AF na system elektroenergetyczny

1 – sieć, 2 – transformator piecowy, 3 – piec, 4 – transformator układu kompensacyjnego (4a –
transformator rozproszeniowy z reaktancją w obwodzie wtórnym), 5 – dławik powietrzny, 6 –
sterownik tyrystorowy, 7 – dławiki filtrów, 8 – kondensatory kompensacji mocy biernej spełniające
równocześnie rolę elementów filtrów, 9 – rezystory zapobiegające zjawiskom rezonansu równoległego,
10 – blok pomiarowy, 11 – blok obliczeniowy, 12 – regulator

Rys. 5.63. Zasada kompensacji mocy biernej urządzeń łukowych

Q – moce bierne: Q

– urządzenia łukowego, Q

– dławika sterowanego, Q

– baterii kondensatorów,

Q – pobierana z sieci

315

5. Nagrzewanie łukowe
____________________________________________________________________________

Kompensacja – jeśli to niezbędne – odbywa się do wartości współczynnika mocy bliskiej
jedności.

Na tej zasadzie oparty jest układ SYMSTAB [192]. Charakteryzuje się on bardzo dużą

szybkością działania z małym czasem martwym wynoszącym średnio 5 ms. Pozwala to
praktycznie bez opóźnień zareagować na każdą zmianę mocy biernej o częstotliwości
sięgającej 30 Hz, a więc istotnie ograniczyć zjawisko migotania. Możliwość „wchodzenia"
filtru kondensatorowego przy pewnych częstotliwościach w rezonans równoległy z reaktancją
sieci lub innym odbiornikiem jest w istotnym stopniu ograniczona zastosowaniem rezystorów
bocznikujących dławik. Tym samym niebezpieczeństwo powstania przepięć jest niewielkie.

Układ tego rodzaju z równym powodzeniem może być wykorzystany w urządzeniach

łukowych prądu stałego. Charakterystyczne ciągłe widmo częstotliwości dla tego rodzaju
odbiorników wymaga filtrów dla 2, 3 i 5 harmonicznej oraz filtru szerokopasmowego dla
wyższych harmonicznych. Konieczne jest stosowanie rezystorów tłumiących ponieważ przy
widmie ciągłym zawsze może dojść do rezonansu równoległego [192], [329].

5.2.7. Kompleksowa automatyzacja procesów
wytwarzania stali

Racjonalne wytwarzanie stali elektrycznej wymaga nie tylko zautomatyzowania funkcji
poszczególnych członów urządzenia łukowego, lecz także zautomatyzowania operacji
przygotowawczych i pomocniczych, właściwej koordynacji działania urządzeń
współpracujących oraz obsługi. Zarówno sam proces wytopu, jak i przygotowanie wsadu,
ważenie i transport, załadunek do pieca, pomiary temperatury kąpieli, pobieranie prób metalu,
analizy chemiczne, wprowadzanie dodatków stopowych i składników żużlotwórczych muszą
być w pełni skoordynowane. Sprawne i terminowe wykonanie tych operacji wymaga
przepływu informacji pomiędzy poszczególnymi stanowiskami [204]. W przeciwnym razie
utrudnione będzie podejmowanie decyzji, przedłuży się czas wytopu, zwiększy się zużycie
energii, a mogą wystąpić inne jeszcze zakłócenia w przypadkach, gdy mamy do czynienia z
eksploatacją nie jednego, lecz kilku urządzeń łukowych współpracujących coraz częściej z
agregatami ciągłego odlewania stali (COS). Synchronizacja urządzeń łukowych z agregatami
COS niewspółmiernie utrudnia automatyzację elektrostalowni w porównaniu z klasycznymi
technikami odbioru stali.

Wymienione czynniki sprawiają, że nowoczesne urządzenia łukowe eksploatowane

indywidualnie, a tym bardziej grupowo, są automatyzowane przy użyciu komputerów
stanowiących elementy systemów automatyki o zróżnicowanym stopniu zadań. Spośród nich
do najistotniejszych należą:

316

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

- inwentaryzacja składowisk złomu, dodatków stopowych i żużlotwórczych oraz sterowanie ich

namiarowaniem, transportem i załadunkiem;

- sterowanie procesem metalurgicznym, a w szczególności doborem optymalnego składu

wsadu, obliczaniem dodatków stopowych, żużlotwórczych, tlenu – na podstawie wstępnych
analiz składu wsadu oraz analiz laboratoryjnych;

- obliczanie bieżącej temperatury kąpieli i korekta mocy dostarczanej do pieca;
- sterowanie parametrami elektrycznymi urządzenia w celu realizacji dynamicznie mody-

fikowanej trajektorii eksploatacyjnej;

- sterowanie dopływem gazu lub oleju w przypadku skojarzonego roztapiania wsadu;
- sterowanie mocą bierną;
- synchronizacja z urządzeniami do obróbki pozapiecowej;
- synchronizacja współbieżnych procesów elektrostalowniczych w celu maksymalnego

wykorzystania mocy zadanej, zabezpieczenia przed przekroczeniem limitu mocy oraz
dostosowanie do wymagań COS;

- opracowanie raportów produkcyjnych i obliczeń statystycznych [204], [250].

Lista wymienionych zadań nie zawsze jest identyczna i zależy od wielkości kompleksu

stalowniczego, stopnia jego mechanizacji i automatyzacji, ma również związek z
indywidualnymi rozwiązaniami, np. dotyczącymi załadunku, rodzaju wsadu (żelazo gąbczaste)
oraz konstrukcji samego urządzenia łukowego.
W małych elektrostalowniach i przy modernizacji starszych obiektów, systemy sterowania
komputerowego spełniają nieliczne funkcje, np. sterowanie parametrami elektrycznymi i
zabezpieczenie przed przekroczeniem limitu mocy. W nowoczesnych wielkich
elektrostalowniach z wieloma piecami o dużej pojemności i mocy, w których rozwiązane jest
składowisko złomu oraz przygotowanie, ważenie i transport materiałów wsadowych oraz
właściwie wyposażone jest laboratorium metalurgiczne, opłaca się wprowadzać automatyzację
kompleksową, obejmującą sterowanie większością lub wszystkimi wymienionymi zadaniami
[204]. Opłacalność takich rozwiązań została wielokrotnie potwierdzona [22], [117].

Istnieje wiele tego rodzaju systemów, przy czym rozwiązania technicznie

zaawansowane mają wiele cech wspólnych. Na ogół są to systemy o strukturze hierarchicznej
[118]. Powiązania między komputerem piecowym i procesem realizowane są za
pośrednictwem układów I/O (urządzenia wejścia / wyjścia umożliwiające bezpośrednie
przekazywanie sygnałów pomiarowych do komputera oraz sygnałów sterujących do członów
wykonawczych automatyki), układów PLC (sterowników z pamięcią programowalną) lub obu
rodzajów tych układów. Do sterowania wyposażeniem elektrycznym nowoczesnych pieców
używa się najczęściej rozwiązań umożliwiających sterowanie swobodnie programowalne
(PLC), a wówczas sygnały pomiarowe bywają przekazywane do komputera piecowego za
pośrednictwem interfejsu szeregowego [111].

Urządzenie łukowe powinno być wyposażone w sprzęt komputerowy przedstawiony na

rys. 5.64. Dane dotyczące wsadu wprowadzane są za pośrednictwem

317

5. Nagrzewanie łukowe
____________________________________________________________________________

terminalu zlokalizowanego na składowisku złomu. W sterowni pieca znajduje się: monitor, na
którym przedstawiane są bieżące dane o procesie i urządzeniu, terminal przeznaczony do
sporządzania protokółu procesu, terminal do pracy w trybie konwersacyjnym, drukarka
przeznaczona do wydruku protokółów wytopu i sprawo-zdań oraz jednostka centralna
(komputer piecowy z pamięcią dyskową monitorem i klawiaturą). Komputer piecowy ma
połączenie z komputerami w laboratorium metalurgicznym i nadrzędnym komputerem
stalowni (wyższa warstwa w hierarchicznym układzie sterowania).

Rys. 5.64. Hardware stalowniczego urządzenia łukowego, wg [111]

W układzie całej stalowni sterowanej kompleksowo (rys. 5.65) najniższą warstwę sterowania w całej
hierarchii stanowią układy I/O, PCL, zapewniające łączność z procesem. W wyższej płaszczyźnie
zlokalizowane są komputery procesowe związane z każdym agregatem stalowni lub wydzielonym
zespołem urządzeń. W jeszcze wyższej płaszczyźnie usytuowany jest komputer stalowni przeznaczony
m.in. do koordynacji współdziałania wszystkich agregatów stalowni (pieców, składowisk materiałów
wsadowych, urządzeń do obróbki pozapiecowej, laboratorium metalurgicznego, urządzenia COS i in.).
Wykorzystywany on jest także do zarządzania i planowania produkcją, ustalania składu
poszczególnych wytopów. Jest on bezpośrednio połączony z centrum obliczeniowym całej huty,
odlewni.

318

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

Rys. 5.65. System komputerowy elektrostalowni, wg [111]

Zasadniczą funkcją systemu automatyki opartego na zintegrowanej sieci komputerów

jest sterowanie procesem realizowanym w piecu łukowym. Proces wytopu, a częściowo także
procesy w agregatach zintegrowanych z piecem łukowym są nadzorowane i aktywnie
sterowane przy wykorzystaniu następujących czynników: stałej sekwencji operacji
jednostkowych wykonywanych podczas każdego wytopu, modelu energetycznego procesu,
modelu metalurgicznego procesu, oraz energetycznej trajektorii ruchu pieca.

Cały proces jest dekomponowany na przedziały czasowe związane z realizacją

określonych operacji, przy czym przejście do każdego następnego przedziału odbywa się na
ogół automatycznie. Niekiedy tego rodzaju przejście wymaga przyzwolenia obsługi pieca.
Operacje takie jak spust, otwarcie sklepienia, przedłużenie elektrody oraz ilość i czas
wprowadzania materiałów wsadowych są rejestrowane i zapisane w protokóle wytopu.
Wszystkie inne dane dotyczące wytopu są natychmiast rejestrowane w pamięci komputera w
celu dalszej ich obróbki i wykorzystania.

Realizacja dynamicznego sterowania dopływem energii w czasie całego procesu

odbywa się na podstawie modelu energetycznego, który stanowi podstawę do ciągłego
tworzenia bilansu energetycznego. Wielkości wejściowe i wyjściowe tego modelu ilustruje rys.
5.66. Model jest wykorzystywany do wyznaczania energii zakumulowanej we wsadzie, a więc
i czasu pozostałego do końca określonego odcinka lub fazy procesu, np. roztapiania zawartości
kolejnego kosza złomu. Umożliwia też

319

5. Nagrzewanie łukowe
_______________________________________________________________________

Rys. 5.66. Struktura modelu energetycznego, wg [111]

obliczanie temperatury kąpieli stalowej. Niezależnie od tego przeprowadza się pomiar tej
temperatury i jeśli jego dokładność jest zadawalająca, rezultaty uwzględnia się w obliczeniach.

Wyniki obliczeń oparte na modelu energetycznym są wykorzystane do sterowania

dopływem energii do pieca. Realizuje się to przez zmianę napięcia zasilającego (przy użyciu
przełącznika zaczepów lub przełącznika gwiazda-trójkąt, a w przypadku urządzeń DC sterując
kątem wyzwalania tyrystorów) oraz przez regulację dostarczanego tlenu i ewentualnie paliw
ciekłych lub gazowych. Moc czynna łuków korygowana jest dodatkowo w zależności od
temperatur czynnika chłodzącego. Odbywać się to może przez zmianę napięcia łuku we
wszystkich trzech fazach równocześnie lub niezależnie.

Model metalurgiczny procesu (rys. 5.67) jest pomocny przy dochodzeniu do

docelowego składu stali. Umożliwia on określenie prawdopodobnego składu stali po
roztopieniu wsadu na podstawie szacunkowych danych o jego składzie. Następnie obliczana
jest ilość tlenu niezbędna do osiągnięcia docelowej zawartości węgla. Ilość ta jest z kolei
korygowana na podstawie analiz metalurgicznych. Model metalurgiczny pozwala także
określić niezbędne ilości dodatków stopowych przy zminimalizowaniu kosztów wytwarzania
stali o zadanych parametrach. Uwzględnia się przy tym rozdział tych dodatków na
wprowadzane do pieca i do kadzi. Optymalizacja procesu elektrostalowniczego nie zawsze
jednak opiera się na kryterium minimalnych kosztów wytwarzania stali [134], [263]. W
niektórych realizacjach procesu mogą być stosowane inne kryteria, np. maksymalnej
przelotności, minimalnych strat energii itd. Model energetyczny i metalurgiczny stanowią więc
podstawę do ustalania trajektorii eksploatacji urządzenia, która jest podczas wytopu
wielokrotnie modyfikowana [111], [144].

320

5.3. Technologie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

Rys. 5.67. Struktura modelu metalurgicznego, wg [111]

Mimo znacznych nakładów związanych z automatyzacją dużych nowych

elektrostalowni, obliczenia ekonomiczne wykazują, że ich zwrot możliwy jest w czasie nawet
poniżej l roku [204]. Wprowadzenie automatyzacji z wykorzystaniem systemu informa-
tycznego nawet w niepełnym wymiarze jest także wysoce korzystne [22], [158], [183].

5.3. Technologie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe
i urządzenia do ich realizacji

5.3.1. Główne procesy technologiczne

5.3.1.1. Redukcyjne wytapianie substancji z rud i z produktów
przeróbki rud

Jest to kategoria procesów polegających na wytwarzaniu przy udziale energii cieplnej
substancji prostych oraz złożonych, otrzymywanych w wyniku redukcji rud tlenkowych
względnie siarczkowych, stanowiących wraz z reduktorem, a w niektórych przypadkach także
z innymi składnikami, np. topnikami, wsad piecowy.

Do procesów takich zalicza się m.in. wytapianie żelazostopów, żółtego fosforu,

karbidu, cynku, surówki. W charakterze reduktorów używa się pierwiastków tworzących
bardziej trwałe związki z tlenem lub siarką aniżeli te, które występują w rudach, bądź związki
bardzo szybko odprowadzane z obszaru reakcji. Pierwiastki te

321

5. Nagrzewanie łukowe
____________________________________________________________________________

to: węgiel, krzem, aluminium, magnez, wapń. Nośnikami najbardziej rozpowszechnionego
reduktora jakim jest węgiel są: koks z węgla kamiennego, koks naftowy, koks pakowy,
półkoks, węgiel kamienny, -brunatny, -drzewny.

W zależności od rodzaju reduktora, procesy redukcyjnego wytapiania substancji z rud i

produktów przeróbki rud dzieli się na carbotermiczne (reduktor-C) i metalotermiczne
(reduktory - Si, Al oraz stopy Ca-Si, Al-Ca, Al-Fe-Si). Procesy carbotermiczne nie przebiegają
samorzutnie i dlatego wymagają dostarczenia energii z zewnątrz. Z kolei procesy
metalotermiczne mają charakter egzotermiczny. Spośród nich największe znaczenie
przemysłowe mają procesy z reduktorem krzemowym (tzw. procesy silikotermiczne) oraz z
reduktorem aluminiowym (tzw. procesy aluminotermiczne). Towarzyszy im wydzielanie się
bardzo dużej ilości ciepła, często wystarczającego zarówno do przeprowadzenia samego
procesu chemicznego, jak i do pokrycia strat cieplnych.

Z punktu widzenia elektrotermicznego interesujące są więc wszystkie procesy

carbotermiczne oraz te kategorie silikotermicznych i aluminotermicznych, których realizacja
wymaga dostarczenia uzupełniającej energii z zewnątrz. Te ostatnie bywają określone mianem
elektrosilikotermicznych i elektroaluminotermicznych. Pozostałe procesy, w których stosuje się
więcej niż jeden reduktor niewęglowy, nazywa się kompleksowymi.

Wytwarzanie żelazostopów zalicza się do podstawowej kategorii procesów redukcyj-

nych i wiąże się z rozwojem hutnictwa stali stopowych. Pierwiastkami stopowymi polep-
szającymi jakość stali są Ni, Cr, W, Si, Mn, Mo, Co, Ti, V, Nb, Zr i inne. Niektóre z nich (np.
Ni, Co) dodawane mogą być do kąpieli stalowej w postaci czystej. Większość pierwiastków
stopowych wprowadza się do kąpieli w postaci stopów z Fe, czyli żelazostopów. Żelazostopy
są to więc stopy jednego lub kilku metali i niemetali z Fe ale nie tylko. Zalicza się do nich
m.in. stop Ca i Si używany także do poprawy właściwości stali [301].

Stosowanie w metalurgii i odlewnictwie żelazostopów zamiast czystych metali jest po-

dyktowane względami ekonomicznymi, technicznymi i technologicznymi. Średnia zawartość
składników stopowych w stali wynosi obecnie kilka procent w stosunku wagowym, a dla
pewnych gatunków stali szybkotnącej sięga nawet kilkudziesięciu procent, a więc
zapotrzebowanie na żelazostopy jest pod względem ilościowym bardzo duże i ciągle wzrasta.

W Polsce wytwarza się wszystkie żelazostopy o masowym charakterze zużycia (żelazo-

krzem, żelazomangan wysokowęglowy, krzemomangan, żelazochrom, wysoko-, średnio- i
niskowęglowy) oraz niektóre żelazostopy specjalne (żelazomangan średnio- i niskowęglowy,
żelazowolfram, żelazotytan, krzem technicznie czysty; żelazochrom odwęglony) [301].

Wszystkie metale i metaloidy niezbędne do produkcji żelazostopów w stanie

naturalnym występują w postaci tlenków i siarczków. Wytwarzanie żelazostopów polega więc
na redukcji metalu lub metaloidu z jego związków i otrzymaniu stopu z żelazem lut innym
pierwiastkiem. Do tego celu używa się reduktorów stałych względnie gazowych.

322

5.3. Technologie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

Reakcja redukcji tlenku MeO reduktorem Me'

2MeO + 2Me' = 2Me'0 + 2Me (5.66)

może zachodzić gdy powinowactwo chemiczne reduktora Me' z tlenem jest większe niż
powinowactwo chemiczne z tlenem pierwiastka redukowanego. Wartość powinowactwa
chemicznego z tlenem określa się na podstawie standardowej entalpii swobodnej

∆G°.

Wiadomo, że reakcja redukcji zachodzi równocześnie z reakcją utleniania i dlatego związek
(5.66) można przedstawić jako sumę następujących po sobie przemian: dysocjacji MeO i
utleniania Me':

MeO

∆

−

∆

−

∆

(5.67)

Reakcja (5.67) zachodzić będzie samorzutnie, czyli bez dostarczania energii z zewnątrz przy

. Wartości

∆G° są funkcjami temperatur zaś równość

ma miejsce

w przedziale temperatur 1500 < T< 2500 K, a więc takie temperatury muszą być uzyskiwane
przy produkcji żelazostopów.

∆

−

∆

Reakcje chemiczne nie zachodzą jednak do pełnego wykorzystania reagentów i osiągają

równowagę przy pewnym ich stężeniu i pewnym stężeniu produktów reakcji. Poprawna
realizacja procesów wytwarzania żelazostopów wymaga znajomości tego stanu równowagi,
który definiowany jest przez tzw. stałą równowagi. W przeciwnym razie można przekroczyć
np. temperaturę procesu, kosztem dostarczonej energii, nie zyskując zwiększenia wydajności
procesu i uzysku podstawowego pierwiastka (procentowej jego zawartości w żelazostopie).
Jest to czynnik, który musi być uwzględniony przy wyborze optymalnych warunków
eksploatacji służących do tego celu pieców, zwanych także redukcyjnymi.

Wytapianie żelazostopów w elektrycznych piecach redukcyjnych realizuje się różnymi

metodami (rys. 5.68). Procesy carbotermiczne są najbardziej rozpowszechnione. Reduktory
węglowe są na ogół łatwo dostępne, tanie, istnieje łatwość przygotowania ich w postaci
dowolnej frakcji granulometrycznej. Produkty reakcji redukcji węglem mają postać gazową
(CO, CO2) i łatwo opuszczają strefę reakcji, co jak wiadomo zwiększa uzysk pierwiastków w
stopie. Wadą tych technologii jest duża zawartość węgla w produkcie w przypadku gdy jest on
przeznaczony do wytwarzania stali o małej zawartości C. Stąd rozwój technologii z
reduktorami Si i Al.

Najprostszym procesem carbotermicznym jest proces ciągły. Jeśli pominąć reakcje

tworzenia się żużla, to można go opisać równaniem

(

)

[ ]

yCO

(5.68)

323

5. Nagrzewanie łukowe
____________________________________________________________________________

słusznym w przypadku nie powstawania węglików lub równaniem

(

)

[

]

yCO

xMe

(5.69)

obowiązującym przy powstawaniu węglików.

Rys. 5.68. Metody wytapiania żelazostopów w urządzeniach łukowo-rezystancyjno-elektrodowych, wg [301]

Technologia ta stosowana jest przy wytwarzaniu żelazokrzemu, wapniokrzemu,

krzemomanganu, krzemochromu, żelazomanganu wysokowęglowego i żelazochromu
wysokowęglowego. Procesy te stosuje się także do wytapiania żużli chromowych i
manganowych, czyli produktów przeróbki rud zawierających Cr i Mn. Ciągłość procesu polega
na tym, że wsad ładowany do pieca od góry w sposób ciągły jest odbierany okresowo przez
spust metalu zbierającego się w wannie wyłożonej materiałem węglowym.

Procesy okresowe (żużlowe) są stosowane przy wytapianiu stopów W, Mo, V, Cr i Ni o

niskiej zawartości C i Si. Prowadzone są one w dwóch fazach: redukcyjnej i rafinacyjnej, a
jako wsadu używa się rud oraz bogatych żużli. Powstający w fazie redukcji żużel spuszcza się
z pieca zaś stop nasycony węglem rafinuje się dodatkiem bogatym w tlenki rudy wytapianego
metalu. Schemat reakcji w tym procesie jest następujący:

[ ]

(

)

[ ]

(

) (

)

[ ]

MeO

MeC

MeO

(5.70)

324

5.3. Technologie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

Proces okresowy jest stosowany do wytapiania żelazostopów wolframu, molibdenu i

kobaltu, a także do rafinowania kobaltu, żelazokobaltu, niklu i żelazoniklu. Jego odmianą jest
metoda blokowa stosowana do wytapiania żelazostopów o zawartości > 80%W, > 65%Mo,
żelazokrzemocyrkonu o zawartości

≤ 55%Zr, a także żelazoniobu i żelazotantalu. Są one

wytapiane w urządzeniach z wymiennymi tyglami, w których wsad dodawany jest porcjami
systematycznie przetapianymi. Żelazostop „narasta" w postaci ciastowatej masy krzepnącej od
dołu w miarę wprowadzania od góry nowych porcji wsadu przyjmując postać bloku. Proces
trwa 24

÷ 36 h, a po jego zakończeniu tygiel jest usuwany spod elektrod oraz demontowany w

celu wyciągnięcia bloku metalu. Kawałki metalu z żużlem oraz z peryferyjnych stref bloku
poddaje się ponownemu przetapianiu dodając je do wsadu pierwotnego [301].

Proces silikotermiczny stosuje się do wytapiania żelazostopów niskowęglowych. Jako

wsadu używa się stopów Si oraz rudy z dodatkiem topnika, którym może być CaO. Metoda jest
stosowana przy odtlenianiu tlenków manganu, chromu i wanadu. Współczesne procesy
silikotermiczne realizowane są w dwóch różnych piecach. W jednym wytapiany jest stop Fe-
Me-Si, a w drugim, pracującym okresowo, przetapia się żużel MeO-CaO o zawartości MeO
dochodzącym do 30%, otrzymywany podczas procesu realizowanego w piecu pierwszym.
Żużel ten jest w piecu drugim dodatkowo doredukowany przez dodatek nowych porcji Fe-Me-
Si. Obróbkę żużla można także zrealizować w procesie pozapiecowym. Spośród żelazostopów
niskowęglowych metodą ciągłą wytapia się stop Fe-Mn-Si.

Procesy elektroaluminotermiczne umożliwiają istotne ograniczenie w stopie

szkodliwych domieszek C, P, N, Zn, Pb i in. Ciepło uzyskiwane z energii elektrycznej jest
wykorzystywane wyłącznie do regulowania stanu cieplnego metalu i żużla, ponieważ
procesom tym towarzyszy wydzielanie się dużej ilości ciepła. Dzięki temu zwiększa się uzysk
wytapianego pierwiastka i zmniejsza się zużycie aluminium. Technologie
elektroaluminotermiczne stosowane są m.in. do wytwarzania bezwęglowego żelazochromu,
żelazoniobu, krzemocyrkonu [301].

Wytwarzanie żółtego fosforu

ma istotne znaczenie w związku z chemizacją rolnictwa.

Jest on niezbędny w produkcji nawozów mineralnych, fosforanów paszowych, środków
piorących. Fosfor można otrzymać z apatytów, a także z rud fosforowo-żelazowych. Rudy
apatytowo-nefelinowe zawierają do 38% P

i stanowią surowiec w ekstrakcyjnej technologii

otrzymywania kwasu fosforowego – czysto chemicznej, a więc nieelektrotermicznej metody
jego produkcji. Rudy ubogie, zawierające poniżej 21% P

można przerobić tylko metodą

elektrotermiczną.

Technologia sublimacji żółtego fosforu oparta jest na redukcji węglem zawartego w

rudzie ortofosforanu trójwapniowego w obecności krzemionki

(

)

SiO

(5.71)

Reakcja rozpoczyna się przy 1573 K. W piecu elektrycznym lepka stopiona masa ortofosforanu
reaguje z koksem w temperaturach 1673

÷ 1873 K. Przy tych

325

5. Nagrzewanie łukowe
____________________________________________________________________________

temperaturach fosfor zbiera się pod sklepieniem zamkniętego szczelnego pieca i jest z niego
odciągany z CO i innymi gazami, a następnie poddawany dalszej przeróbce poza piecem.
Polega ona na oczyszczaniu gazów z pyłów w elektrofiltrach, kondensacji P, który jest
następnie gromadzony w zbiornikach pod warstwą wody. W cel zapobiegnięcia kondensacji P,
obudowa elektrofiltru jest podgrzewana do 300°C przy użyciu azotu nagrzewanego metodą
rezystancyjną i cyrkulującego w obwodzi zamkniętym. Moc takiej nagrzewnicy zawarta jest w
przedziale 1,2

÷2,0 MW, przez mocy urządzenia łukowo-rezystancyjnego – 70 MW [83]. W

użyciu są także inne warianty obróbki wytwarzanych gazów i fosforu [218]. Zużycie właściwe
energii w tych procesach jest rzędu 14 000 kW·h/Mg [229].

Wytwarzanie karbidu

wiąże się głównie z zapotrzebowaniem przemysł chemicznego.

Poglądy dotyczące mechanizmów jego tworzenia nie są jednoznaczni Przy wysokich
temperaturach łuku zachodzą dwa następujące procesy:

)

(

CaO

)

(

CaO

→

(5.72)

)

(

)

kond

(

CaC

)

(

)

(

CaO

(5.73)

Oznacza to, że tlenek wapnia CaO, stanowiący z koksem - jako reduktorem – wsad, przechodzi
z fazy stałej (st) w parę (p). Następnie łączy się on z węglem dając w wynik karbid CaC2 w
postaci kondensatu (kond) oraz tlenek węgla stosunkowo łatwo odprowadzany jako gaz (g) z
obszaru reakcji.

Drugi mechanizm tworzenia się karbidu polega na łączeniu się z węgiel tlenku wapnia

znajdującego się w stanie ciekłym w postaci stopu z karbidem. Cieki karbid może w pierwszej
fazie powstać, np. w wyniku kondensacji par wg reakcji (5.72), (5.73). Jeżeli w piecu znajduje
się dostatecznie głęboka warstwa stop (CaC2·CaO) (c), to wprowadzany do niego ze wsadu
tlenek wapnia w stanie stałym CaO*(st) przechodzi w stan ciekły (c).

)

)(

CaO

CaC

Cao

(

)

(

CaO

)

)(

CaO

CaC

(

⋅

→

⋅

(5.74)

a następnie wiąże się z węglem

)

)(

CaO

CaC

(

)

(

)

)(

CaO

CaC

Cao

(

⋅

→

⋅

(5.75)

powiększając zawartość karbidu w stopie aż do pełnego przereagowania CaO z C, po czym
następuje spust.

Ten drugi mechanizm tworzenia się karbidu można więc zapisać następując

)

(

CaO

)

(

CaC

)

(

CaO

(5.76)

W piecu elektrycznym redukcyjnym zaobserwowano także trzeci mechanizm tworzenia

się karbidu polegający na reakcji węgla z Ca w postaci pary (p)

CaC

)

(

(5.77)

326

5.3. Technologie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

Spośród tych trzech mechanizmów najważniejszy jest drugi. Przebiega on przy

najniższych temperaturach (

≈ 2300°C), a więc jest pod względem energetycznym najbardziej

korzystny. Konstrukcja pieca jak również realizacja procesu technologicznego powinny więc
sprzyjać intensyfikacji drugiego spośród podanych trzech mechanizmów tworzenia karbidu
zwłaszcza, że zużycie właściwe energii elektrycznej w tym procesie wynosi 2700

÷2900

kW·h/Mg [83], [218].

Wytwarzanie cynku

w piecu łukowo-rezystancyjno-elektrodowym jest jedną z kilku

będących w użyciu technologii i jedną z dwóch – elektrotermicznych (druga realizowana jest w
piecach rezystancyjnych bezpośrednich). Nie jest to technologia bardzo rozpowszechniona,
ponieważ z całej światowej produkcji cynku (nie licząc elektrolizy) zaledwie kilka % wytwarza
się w piecach elektrycznych. Wsad składa się z wyprażonego koncentratu, półproduktów
zwrotnych, topników, koksu. Podstawowym składnikiem koncentratu jest ZnO. Przed
załadowaniem do pieca wsad jest podgrzewany do 850

÷900°C w piecu bębnowym. Niemal

cała ilość tlenku cynkowego zawartego we wsadzie redukuje się przed roztopieniem skały
płonnej i topnika. Temperatura kąpieli wynosi 1450°C. Pary cynku i innych metali oraz CO
powstający w wyniku procesu redukcyjnego przechodzą z pieca do kondensatora, w którym
utrzymuje się temperatura ok. 500°C i następuje skraplanie par. Tlenek węgla po odpyleniu
wyzyskuje się jako paliwo. Otrzymywany w wyniku skroplenia stop ma 99,2% Zn. Zużycie
właściwe energii (z uwzględnieniem zużycia energii przez urządzenia pomocnicze) wynosi
3000 kW·h/Mg [46].

Wytwarzanie surówki

metodą elektrotermiczną nie ma oczywiście zasadniczego

znaczenia w globalnej jej produkcji realizowanej głównie w wielkich piecach, bywa jednak
konkurencyjne w krajach nie dysponujących koksem, a posiadających wystarczającą ilość
taniej energii elektrycznej z elektrowni wodnych. Zużycie właściwe energii w tym procesie
zależy od jakości surowców wsadowych i zawiera się w przedziale 2100

÷2500 kW·h/Mg

[314].

5.3.1.2. Topienie rud

Jest to kategoria procesów polegających na topieniu rud bez prowadzenia reakcji chemicznych.
Topienie realizuje się w celu oddzielenia domieszek od metali i związków metali zawartych w
rudach przy: wzbogacaniu produktów poddawanych dalszej przeróbce, ujednorodnieniu
niektórych tlenków (rud) z przeznaczeniem na żużle syntetyczne i topniki, roztapianiu tlenków
przeznaczonych do wykorzystania w stanie ciekłym w innych procesach metalurgicznych lub
na odlewy kształtek ogniotrwałych (m.in. mulitowych), otrzymywaniu mineralnych materiałów
termo-izolacyjnych (waty mineralnej) i in. W grupie tej należy wymienić m.in. procesy
wytwarzania kamienia miedziowo-niklowego, miedziowego, tlenku magnezu, sublimacji z
surowca polimetalicznego tylko jednego pierwiastka, np. ołowiu, cynku, cyny.

327

5. Nagrzewanie łukowe
_________________________________________________________________________

Wytwarzanie kamienia miedziowo-niklowego

jest jednym z procesów pośrednich w

technologii wytwarzania niklu (miedź jest produktem ubocznym) i poprzedza tzw. proces
konwertorowania, polegający na dalszym wzbogacaniu surowców wyjściowych, czyli siarcz-
kowych rud miedziowo-niklowych. Są to rudy polimetaliczne i zawierają m.in. 0,3

÷4,5%

(rzadko więcej) niklu i 0,5

÷2,4% miedzi. Proces elektrotermicznego wytwarzania kamienia

miedziowo-niklowego stanowi alternatywę dla procesu realizowanego w piecu szybowym pa-
liwowym i wykazuje swoją nad nim przewagę w przypadkach, gdy skała płonna stanowiąca
jeden ze składników wsadu zawiera dużo substancji trudno topliwych, a zwłaszcza MgO.

Wsad do pieca (ruda, koncentrat miedziowo-niklowy, topniki) może być surowy lub

prażony. W tym drugim przypadku dostarczany jest bezpośrednio z pieca prażalniczego i ma
temperaturę 600

÷700°C. Wytopiony w piecu łukowo-rezystancyjno-elektrodowym kamień

miedziowo-niklowy zawiera łącznie 10

÷18% Ni i Cu gdy wytwarza się go ze wsadu surowego.

Ze wsadu prażonego otrzymuje się 25

÷35%Ni + Cu. Uzysk tych metali w kamieniu dochodzi

do 98%. Zużycie właściwe energii: 350

÷400 kW·h/Mg (wsad prażony) i 650÷750 kW·h/Mg

(wsad surowy) [46], [276].

Wytwarzanie kamienia miedziowego

jest procesem przeróbki koncentratu otrzymy-

wanego z rud, realizowanym głównie w piecach paliwowych, ale także w piecach elektrycz-
nych. Kamień miedziowy jest następnie przerabiany na miedź surową przez konwentorowanie.
Koncentrat może być dostarczany z pieca prażalniczego w stanie nagrzanym do temperatury
450

÷600°C lub w stanie zimnym. Oprócz koncentratu dodaje się niewielkie ilości topnika oraz

żużel konwertorowy o temperaturze ok. 1250°C także zawierający Cu, a będący produktem
odpadowym przy wytapianiu miedzi surowej w konwertorze. Koncentrat zawiera 16

÷18% Cu

zaś otrzymany kamień miedziowy – dwukrotnie więcej Cu. Zużycie właściwe energii elek-
trycznej przy proporcji mas składników wsadowych: koncentrat o temperaturze 450°C – żużel
równej 1:1 wynosi 420 kW·h/Mg [46].

Topienie naturalnego tlenku magnezu

- jednego z najbardziej trudnotopliwych mate-

riałów – prowadzi się w celu oddzielenia tlenków i pierwiastków zanieczyszczających MgO,
co następuje w czasie krystalizacji tego materiału w postaci bloku poddawanego następnie roz-
drobnieniu. W ten sposób otrzymuje się najbardziej czyste frakcje MgO, stosowane jako mate-
riał elektroizolacyjny w rezystancyjnych elementach grzejnych rurkowych, kablach grzejnych
oraz jako wysokiej jakości materiał ogniotrwały na wyprawę pieców łukowych [83].

5.3.2. Urządzenia łukowo-rezystancyjno-elektrodowe

5.3.2.1. Charakterystyka ogólna urządzeń

Urządzenie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe

jest to zespół środków technicznych

przeznaczonych do przemiany energii elektrycznej w ciepło w celach technologicznych

328

5.3. Technologie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

przy przepływie prądu przez ośrodek gazowy, stały i ciekły. Poszczególne rodzaje urządzeń
opartych na tak skojarzonej przemianie elektrotermicznej, bez względu na udział poszczegól-
nych metod nagrzewania w całkowitej przemianie, są identyczne lub zbliżone do siebie.

Tak jak to już zaznaczono w p. 5.1.3.2., skojarzone nagrzewanie łukowe, rezystancyjne

i elektrodowe (patrz rys. 5.12) należy brać pod uwagę przy ogólnym ujęciu zagadnienia. W
znacznej części urządzeń dominują dwie pierwsze formy konwersji (w ośrodku gazowym i
stałym), a przemiana w ośrodku ciekłym (zgodnie z przyjętą definicją – nagrzewanie elektro-
dowe), nie zawsze jest znacząca lub ma miejsce tylko w niektórych fazach procesu. W takich
przypadkach istnieje uzasadnienie w posługiwaniu się terminem „urządzenie łukowo-rezystan-
cyjne".

Ośrodkami ciekłymi, w których dokonuje się przemiana energii elektrycznej w ciepło

są: stopiony wsad, produkt procesu oraz żużel. Przy cyklicznym odbiorze produktu w postaci
ciekłej, najbardziej znacząca część energii elektrycznej jest zamieniana na ciepło bez obecności
fazy ciekłej. Jeśli chodzi o żużle, to jeśli nie stanowią wsadu, wytwarzane są często dopiero w
drugich fazach procesów, a wiele technologii zalicza się do bezżużlowych [294]. W użyciu są
jednak technologie (wytwarzanie fosforu, przeróbka koncentratów miedziowych), w których
przemiana energii elektrycznej w ciepło w ośrodku ciekłym ma znaczący udział.

Nierzadko utożsamia się piece z łukiem zakrytym z piecami redukcyjnymi i do topienia

rud. Jest to także nieścisłe, ponieważ do kategorii pieców redukcyjnych zalicza się i takie,
których działanie jest oparte np. wyłącznie na przemianie rezystancyjnej bezpośredniej, a przy
tym ich konstrukcja daleko odbiega od znamionującej urządzenia łukowo-rezystancyjno-elek-
trodowe. Korzystając z technologicznego kryterium klasyfikacji pieców łukowo-rezystancyjno-
elektrodowych można wyodrębnić: piece do redukcyjnego wytapiania substancji z rud i z
produktów ich przeróbki oraz piece do topienia rud (taka sama klasyfikacja dotyczy urządzeń,
których te piece są członami podstawowymi).

Z przedstawionego przeglądu technologii realizowanych za pomocą urządzeń omawia-

nej kategorii wynika, że jeśli za kryterium klasyfikacji uznać stan skupienia wytwarzanego w
nich produktu, należy wyodrębnić urządzenia z odbiorem produktu w stanie ciekłym, stałym
(metoda blokowa) oraz w postaci par (fosfor, cynk).

W skład urządzenia łukowo-rezystancyjno-elektrodowego wchodzą: piec z układem

elektrod, mechanizmy ich przesuwu i opuszczania, układy chłodzenia, mechanizmy załadunku
i dozowania wsadu, odciągi i urządzenia odpylające, niekiedy mechanizm obrotu wanny, układ
zasilania w energię elektryczną i układy pomiarowo-sterujące. Urządzenia i układy te cechuje
wielka różnorodność rozwiązań z uwagi na: specyfikę technologii, stan zaawansowania tech-
nicznego, duży przedział mocy na jakie są budowane 0,3÷120 MVA [201], [275], [313]. Prze-
widuje się, że w niedalekiej przyszłości górna granica mocy zwiększy się do 150 MV·A [271].

Piece łukowo-rezystancyjno-elektrodowe

mają kotły (wanny) o geometrii kołowej,

trójkątnej, owalnej oraz czworokątnej z liczbą elektrod od 1 do 9 (rys. 5.69).

329

5. Nagrzewanie łukowe
_________________________________________________________________________

Są to konstrukcje otwarte (odkryte) – czyli bez sklepienia, półzamknięte (zaopatrzone w kołpak
do wychwytywania pyłów i gazów) i zamknięte (hermetyzowane) (rys. 5.70). Płaszcze pieców
wykonuje się ze stali konstrukcyjnej lub kotłowej. Są one wyłożone materiałami ogniotrwałymi
o właściwościach dostosowanych do przeznaczenia urządzenia. Wewnętrzna część wyprawy
(wymurówki) tworzy rodzaj wanny, której ściany muszą ograniczać straty cieplne, przy
zachowaniu dobrej odporności na wypełniające je produkty oraz żużle, o ile tworzą się one
podczas procesu.

Rys. 5.69. Kształty wanien pieców łukowo-rezystancyjno-elektrodowych i sposób rozmieszczenia w nich elektrod

Rys. 5.70. Piece lukowo-rezystancyjno-elektrodowe: a) otwarty (odkryty); b) półzamknięty; c) zamknięty

1 – elektroda, 2 – wsad, 3 – kadź, 4 – kołpak, 5 – sklepienie

W celu zwiększenia wytrzymałości całej konstrukcji stosuje się zazwyczaj układy

chłodzenia wodnego i powietrznego. Chłodnice wodne umieszcza się m.in. w ścianach
powyżej powierzchni żużla. Sprzyja to tworzeniu się w kontakcie z wyłożeniem ogniotrwałym
warstwy zakrzepłego żużla i innych materiałów (tzw. gamisaż), skutecznie chroniącej wyprawę
przed zużyciem. Powietrzem chłodzi się spód pieca (trzon).

330

5.3. Technologie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

Odbiór produktów w postaci par odbywa się w sposób ciągły przez otwory w sklepieniu

lub w górnej części ścian bocznych. Produkty w postaci ciekłej, a także żużle, odbierane są
okresowo, a w piecach dużej mocy także w sposób ciągły przez otwory spustowe w części
dolnej ścian bocznych. Okresowo odbierane są produkty w postaci stałej, wytwarzane metodą
blokową.

Otwory do okresowego odbioru produktów i żużli w postaci ciekłej są zatykane masą

ogniotrwałą. Do tego celu w nowoczesnych rozwiązaniach używa się zatykarek wtłaczających
masę do otworów pod ciśnieniem do 1 MPa. Udrożnienie otworów na czas spustu realizuje się
mechanicznie lub elektrycznie. W tym drugim przypadku otwory spustowe wytapia się łukiem
elektrycznym, wytwarzanym między materiałem zatykającym otwór i prętem metalowym
zasilanym z jednej z faz pieca. W celu obniżenia napięcia łuku do 40-50 V w obwód włącza się
dławik lub stosuje zasilanie z oddzielnego transformatora.

Kształty kotłów (wanien) piecowych są dostosowane do liczby elektrod oraz do

rezystancji wsadu, która ma związek z geometrią i wymiarami wanien. Przy stosowaniu trzech
elektrod najprostszą jest wanna o przekroju kołowym. Istnieje m.in. łatwość nadania jej
powolnego ruch obrotowego, co poprawia wiele wskaźników technologicznych i
eksploatacyjnych procesów. Wanny czworokątne wykazują zalety w tzw. procesach
wielożużlowych, czyli charakteryzujących się dużym stosunkiem mas żużla i produktu (np.
przy wytwarzaniu żelazomanganu węglowego stosunek ten dochodzi do 1,5). Żużel i produkt
może być wówczas spuszczany z pieca przez otwory zlokalizowane na przeciwległych
ścianach wanny. Wanny o przekroju trójkątnym są odmianą wanien okrągłych. Stosuje się je
rzadko i tylko wtedy, gdy istnieje potrzeba zmniejszenia objętości wsadu w układzie
elektrodowym. Wanny owalne łączą zalety wanien o przekroju kołowym i czworokątnym [83].

Elektrody

we współczesnych piecach są wykonywane jako ciągłe i samo-spiekające i

tylko w szczególnych przypadkach zastępowane są elektrodami węglowymi lub grafitowymi.
Nazywane także elektrodami Söderberga, mają przekrój kołowy o średnicach do 3 m lub
prostokąty z zaokrąglonymi narożami o wymiarach przekroju poprzecznego sięgających 3 x
0,85 m. Są to elektrody pełne, najbardziej rozpowszechnione. Stosowane są także elektrody
drążone o średnicy zewnętrznej do 3,2 m i średnicy otworu

≈ 1m [218]. Otwór ten jest

wykorzystywany do zasypywania wsadu. Prądy elektrod w obecnie budowanych piecach
sięgają 185 kA [275].

Prąd do elektrod jest doprowadzany za pomocą zespołów płyt kontaktowych

wykonanych z mosiądzu i chłodzonych wodą. W piecach odkrytych są one zlokalizowane w
niewielkiej odległości od powierzchni zasypywanego wsadu, w piecach zamkniętych zaś tuż
nad sklepieniem lub w strefie sklepienia (np. piec do fosforu). Elektrody Söderberga formuje
się z masy elektrodowej zawierającej antracyt, węgiel retortowy, koks wysokojakościowy,
koks pakowy, koks naftowy, pak z węgla kamiennego oraz smołę. Masa ta po podgrzaniu do
120

÷200°C nabiera postaci ciastowatej i w takiej konsystencji jest wprowadzana do wnętrza

metalowego cylindra

331

5. Nagrzewanie łukowe
_________________________________________________________________________

stanowiącego płaszcz elektrodowy (rys. 5.71). Wewnątrz płaszcza, wykonywanego ze stali lub
aluminium, znajdują się żebra wzmacniające całość konstrukcji. Masa w dolnym końcu
elektrody ulega podczas realizacji procesu technologicznego spieczeniu na twardy blok w
wyniku nagrzewania się przez przewodzenie ciepła wzdłuż elektrody ze strefy reakcji oraz
częściowo wskutek generacji ciepła Joule'a. Spiekanie masy trwa w przedziale temperatur
400

÷800°C. W miarę upalania się elektrody,

Rys. 5.71. Elektroda ciągła Soderberga, wg [201]

1 – płaszcz elektrodowy 2 – żebra wzmacniające, 3 – spieczona masa elektrodowa, 4 – granica
spieczenia, 5 – masa elektrodowa nie spieczona, 6 – miejsce ładowania masy elektrodowej do płaszcza,
7 – płyty kontaktowe, 8 – doprowadzenia prądowe

równoległemu stopieniu ulega płaszcz. Przedłuża się wówczas górny koniec elektrody przez
dospawanie kolejnego odcinka płaszcza stalowego o długości około 1,5 rażą większej od
średnicy elektrody i wypełnieniu go świeżą masą elektrodową do poziomu 2

÷2,5m wyższego

od górnych krawędzi płyt kontaktowych. Ostatnio stosuje się także formowanie elektrod przy
użyciu wstępnie spreparowanych bloków, które umieszcza się w centralnej części elektrody
[83], [92]. W tym przypadku płaszcz wypełnia się całkowicie, tzn. do jego górnej krawędzi.

Elektrody Söderberga są tańsze od grafitowych, ponieważ nie wymagają długotrwałego

wypalania w piecach Achesona. Ich wadą jest emisja pewnej ilości

332

5.3. Technologie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

dymów i sadzy wytwarzających się podczas kalcynacji ze smoły [92]. Racjonalne gęstości
prądów w takiej elektrodzie zależą od przeznaczenia i mocy pieca. Zawierają się one w
przedziale od 2,5

÷7 A/cm

. W tablicy 5.2 podano niektóre parametry elektrod Söderberga.

Maksymalny prąd w elektrodzie, w A, określa się z formuły [83]

)

(

−

πδ

(5.78)

gdzie: d

– średnica elektrody w mm, g – grubość płaszcza elektrody w mm,

– głębokość wnikania prądu o częstotliwości 50 Hz w materiał elektrody w mm

639

422

⋅

co wynika stąd, że

= (35

÷80)10

-6

Ω m – rezystywność masy elektrodowej

Tablica 5.2. Niektóre parametry elektrod Söderberga, wg [83]

Średnica

elektrod

Grubość
płaszcza

Masa

elektrody

Maksymalny prąd w

elektrodzie

mm mm

Mg kA

1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
2200
2300
2400

2800 x 650

2,5
2,7
3,0
3,2
3,4
3,5
3,7
3,8
4,0
4,1
4,2
4,4
4,5
3,5

8,2

10,8
14,1
16,7
23,5
30,4
36,6
44,2
53,0
62,0
72,0
84,0
96,0
17,0

70,0
80,0
90,0
99,0

110,0
118,0
127,5
135,0
145,0
154,0
162,0
172,0
180,0
152,0

Długość x szerokość elektrody

Środkowa część elektrody między płytami kontaktowymi i trawersem 7 układu jej

przemieszczania jest umieszczona koncentrycznie w stalowym grubościennym cylindrze
nośnym (część 3 na rys. 5.72). U jego dolnego końca jest przymocowany pierścień, a do niego
– za pośrednictwem wieszaków – płyty kontaktowe. Dzielona konstrukcja wieszaka zapewnia
odizolowanie elektryczne płyt kontaktowych od cylindra nośnego.

Płyty objęte są pierścieniem dociskowym gwarantującym wymagany kontakt

elektryczny z elektrodą. Docisk płyt do elektrody bywa realizowany w sposób

333

5. Nagrzewanie łukowe
_________________________________________________________________________

Rys. 5.72. Elektroda ciągła z pełnym wyposażeniem

1 – elektroda, 2 – płyta kontaktowa, 3 – cylinder nośny, 4 – pierścień, 5 – wieszak płyty kontaktowej,
6 – pierścień dociskowy, 7 – trawers, 8 – hydrauliczny mechanizm opuszczania elektrody, 9 – układ
przemieszczania elektrody
Zaczerpnięto z [82]

334

5.3. Technologie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

mechaniczny, hydrauliczny lub pneumatyczny, gwarantujący wymaganą siłę docisku 50

÷80

kN. Pierścień dociskowy, ze względu na konieczność wyeliminowania zamkniętego obwodu
magnetycznego (ograniczenie nagrzewania), ma konstrukcję dzieloną. Jako zasadę przyjmuje
się, że wszystkie części w obszarze wielkoprądowym powinny być wykonane ze stali niema-
gnetycznej i chłodzone wodą [227].

Do górnego końca cylindra nośnego przymocowany jest na stałe trawers (belkowa kon-

strukcja nośna) z elektromechanicznym lub hydraulicznym (rys. 5.72) układem przemieszcza-
nia elektrody. Układ ten pozwala na opuszczanie i podnoszenie elektrody razem z zaciśniętymi
płytami kontaktowymi i cylindrem nośnym, co jest niezbędne przy automatycznej regulacji
mocy pieca. Nieco inne rozwiązania są stosowane w piecach do wytwarzania żółtego fosforu.

Niezależnie od mechanizmu przemieszczania, urządzenie łukowo-rezystancyjno-elek-

trodowe jest wyposażone w mechanizm opuszczania elektrody, która zużywając się musi być
systematycznie przesuwana o 1

÷2 cm co 1÷2 h. Istnieje wiele rozwiązań tych mechanizmów.

Zasada ich działania jest wspólna i opiera się na utrzymywaniu elektrody przez dwa niezależne
układy.

Opuszczanie dokonywane jest przy utrzymywaniu elektrody tylko przez jeden układ,

który przemieszcza się razem z elektrodą ku dołowi o 1

÷2 cm w stosunku do cylindra nośnego.

W tym czasie drugi układ zajmuje stałą pozycję i przejmuje utrzymywanie elektrody dopiero
po wykonaniu przez pierwszy wymaganego ruchu w dół. Z kolei pierwszy układ przemieszcza
się ku górze o 1

÷2 cm przejmując razem z drugim utrzymywanie elektrody. O taki sam skok –

po zluzowaniu – przemieszczany jest ku górze zespół płyt kontaktowych, który w pewnych
rozwiązaniach pełni funkcje jednego z dwóch układów utrzymujących. Przedstawione
rozwiązanie może być typu mechanicznego, hydraulicznego lub pneumatycznego.

System przygotowania, transportu i załadunku wsadu do pieca

zawiera składowi-

sko wsadu, wydział przygotowania wsadu, zasobniki wydziałowe zapasu dobowego wsadu i
zasobniki piecowe, z którymi piec połączony jest mechanizmami: transportu (transportery,
elewatory, czerpaki, elektryczne wciągniki przejezdne lub zsypy rurowe), dozowania i roz-
dzielania wsadu, kontroli poziomu wsadu w każdym zasobniku, otwierania otworów w zsypach
rurowych.

Oprócz załadunku przez zsypy rurowe stosowane we wszystkich rodzajach pieców

łukowych ładowanych wsadem stałym, w piecach odkrytych stosuje się załadunek bezpośredni
przy użyciu maszyn załadowczych przemieszczanych po specjalnych bieżniach wokół pieca na
poziomie górnej krawędzi wanny. Załadunek wsadu w stanie ciekłym odbywa się rynnami
umieszczonymi w ścianie bocznej (rys. 5.73).

Czoło elektrody znajduje się zazwyczaj w odległości 0,5

÷1,2 m od dna wanny. Przy

realizacji większości technologii elektroda jest zagłębiona we wsadzie, a u jej końca tworzy się
rodzaj tygla wypełnionego gazami i parami materiałów poddawanych przeróbce. W przestrzeni
tej wytwarza się łuk, a średnie temperatury tam panujące są równe 2500°C, maksymalne zaś –
6000°C [272]. Ścianki „tygla"

335

5. Nagrzewanie łukowe
__________________________________________________________________________

Rys. 5.73. Najczęściej spotykane rozwiązania załadunku pieca przy użyciu: a) zsypów rurowych i otworów

rozmieszczonych równomiernie w sklepieniu pieca; b) zsypów rurowych i pierścieniowych szczelin
wokół elektrod; c) maszyny załadowczej; d) zsypów rurowych i rynny załadowczej
1 – zasobnik dozujący, 2 – dozownik, 3 – transporter taśmowy, 4 – zsyp rurowy, 5 – zasobnik
piecowy, 6 – maszyna załadowcza, 7 – rynna do załadunku wsadu w stanie ciekłym 8 – elektroda,
9 – piec zamknięty, 10 – piec odkryty, 11 – lej spustowy

(fragment 1 na rys. 5.13a) mają strukturę węglikową wysyconą żużlem i metale (w przypadku
wytwarzania żelazostopów). Przy zanurzeniu elektrody w ośrodku ciekłym (stan taki ma
miejsce przy realizacji niektórych technologii, a także w pewny fazach wielu innych procesów
technologicznych), na styku elektrody z fazą ciek występują mikrołuki (patrz p. 5.1.3.2).

Realizacji procesów redukcyjnych towarzyszy powstawanie gazów, kto przemieszczają

się ku górze i unoszą ze sobą pyły. Ważna jest więc odpowiedni granulacja wsadu, by możliwy
był swobodny ich odpływ.

Odciągi gazów i urządzenia odpylające

stanowią bardzo ważne człony urządzeń

łukowo-rezystancyjno-elektrodowych. Wprawdzie konstrukcja wielu pieców, a zwłaszcza
występująca zwykle gruba warstwa wsadu 1,5

÷2,0 m, przez kto gazy i pyły przenikają, w

sposób istotny ogranicza emisję pyłów i straty unoszonej ciepła, tym niemniej problem
ograniczenia tych zjawisk jest poważny [151], [260]. Z 30

÷35% energii traconej w tych

piecach znaczną część unoszą ze sobą gazy i pyły których temperatura w zależności od typu
procesu zawiera się w przedzie 200

÷1000°C [266]. Zawartość pyłów w gazach waha się w

granicach 10

÷120 g/m

. Normalna objętość wydalanych z pieca gazów zależy od mocy pieca.

Na przykład d pieca o mocy 15 MW wynosi ona 2500

÷3000 m

/h, dla pieca 60 MW-

9000

÷12000 m

/h [272]. Energia zawarta w gazach powinna być odzyskiwana.

336

5.3. Technologie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

W rozwiązaniach nowych jest to realizowane, ale wymaga to dodatkowych urządzeń
utylizacyjnych.

Z punktu widzenia techniki odpylania istnieje różnica między piecami otwartymi i

zamkniętymi. W tych pierwszych powietrze „szkodliwe" jest zasysane z gazami procesowymi i
odprowadzane do urządzeń oczyszczających, podczas gdy z pieców zamkniętych odprowadza
się tylko same gazy (piec jest hermetyzowany z podciśnieniem pod sklepieniem). W piecach
otwartych udział jest tak znaczny, że urządzenia odpylające mieszankę gazowo-powietrzną
muszą mieć bardzo dużą wydajność. Są też one 3-krotnie droższe niż dla pieców zamkniętych.

W piecach półzamkniętych udział powietrza „szkodliwego" jest znacznie mniejszy

aniżeli w piecach odkrytych, a ich konstrukcja umożliwia dostęp do powierzchni wsadu. Jeśli
chodzi o nowe konstrukcje, to zaleca się budowę pieców zamkniętych przeznaczonych do
realizacji wszystkich procesów żużlowych (produkcja fosforu, kamieni i żużli), wytapiania
żelazostopów o temperaturze pod sklepieniem do 600°C (produkcja żelazochromu węglowego,
żelazomanganu, krzemomanganu, niskoprocentowego żelazokrzemu) wytwarzania karbidu,
surówki i cynku. Eksploatacja pieców zamkniętych wymaga znacznych nakładów na
przygotowanie wsadu o jednorodnej granulacji.

Piece półzamknięte buduje się głównie z przeznaczeniem do procesów

wysokotemperaturowych (produkcji żelazokrzemu 75%, krzemu krystalicznego [272].
Pieców odkrytych używa się do wytwarzania stopów metali z krzemem, o zawartości powyżej
75% Si. Odpylanie gazów jest często trudne ze względu na ich wysoką temperaturę i
właściwości. Dobre rezultaty osiąga się przy stosowaniu:
- filtru elektrycznego z chłodnicą wyparkową na wejściu;
- filtru workowego z chłodnicą rurową, chłodnicą wyparkową i/lub z chłodzeniem powietrza

„szkodliwego";

- cyklonu mokrego (tylko do pieców zamkniętych).
Zasadą powinno być stosowanie pieców zamkniętych wszędzie tam gdzie to możliwe [272].
Znane są już tego rodzaje konstrukcje do wysokoprocentowego Fe-Si. Można zatem
oczekiwać, że w latach 90-tych rozwiązania takie będą coraz częściej wprowadzane [275].

Mechanizm obrotu wanny

nie jest standardowym wyposażeniem wszystkich urządzeń

łukowo-rezystancyjno-elektrodowych. Uznano, że jest niezbędny przy produkcji stopów o
zawartości Si powyżej 45% [83]. Rysunek 5.74 przedstawia piec z tego rodzaju mechanizmem.
Wanna wykonuje ruchy obrotowe z prędkością 0,6

÷15°/h w dwie strony o 20÷45° od położenia

normalnego (ograniczenie to wynika z konieczności uniknięcia komplikacji urządzeń
załadowczych i wyładowczych). W rezultacie, np. przy wytwarzaniu żelazokrzemu 75%,
wzrasta uzysk Si o 6

÷8%, zużycie energii elektrycznej maleje o 5÷7%, rośnie wydajność

urządzenia o 8÷10%. Koszt urządzenia z mechanizmem obrotu wanny jest wyższy o 4

÷6%

[83].

337

5. Nagrzewanie łukowe
_________________________________________________________________________

Rys. 5.74. Urządzenie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe z piecem odkrytym do wytapiania żelazostopów o

mocy 22 MVA
1 – mechanizm obrotu wanny, 2 – płaszcz, 3 – wyprawa, 4 – transformator, 5 – tor wielkoprądowy, 6
– ekrany izolacyjne, 7 – hydrauliczny mechanizm przemieszczenia elektrody, 8 – mechanizm
opuszczania elektrody, 9 – płyty kontaktowe, 10 - płyta nośna mechanizmu obrotu wanny, 11 –
kołpak wyciągu gazów, 12 – strefa ruchu elektrody
Zaczerpnięto z [83]

5.3.2.2. Piece odkryte i półzamknięte

Piece odkryte

, tak jak wcześniej wspomniano, stosowane są nadal do wytwarzania stopów

metali z krzemem o zawartości Si powyżej 75% oraz krzemu krystalicznego, a w szczególności
żelazokrzemu wysokoprocentowego. Trudność zastąpienia ich piecami zamkniętymi, a więc w
poważnym stopniu rozwiązującymi problemy zanieczyszczania środowiska oraz utylizacji
wysokokalorycznego gazu wydzielającego się w procesie, wynika z konieczności opanowania
wielu niełatwych zagadnień konstrukcyjnych i eksploatacyjnych.
Przy niedostępnej do bezpośredniej obserwacji powierzchni wsadu, co ma miejsce w piecach
zamkniętych, utrudniona jest kontrola poprawności procesu technologicznego. W piecach
otwartych unika się następujących niekorzystnych czynników mających miejsce w piecach
zamkniętych [301]:

338

5.3. Technologie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe i urządzenia do ich realizacji
_________________________________________________________________________

1. Skutków braku przesuwania się wsadu w rurach lub lejach załadowczych, wynikających ze

znacznego wzrostu temperatury pod sklepieniem i w górnej części pieca. Wiadomo przy
tym, że przy rosnącej zawartości krzemu w stopie wzrasta temperatura procesu i trudności
wynikające z tego faktu potęgują się;

2. Wzrostu temperatury pod sklepieniem pieca i ilości pyłu w gazach odlotowych przy

niedoborze reduktora we wsadzie. Jeśli stan taki utrzymuje się dłużej, następuje
blokowanie przewodów odprowadzających gazy przez odkładające się pyły. Utrudnia to
utrzymanie założonego ciśnienia gazu, które pod sklepieniem nie może przekraczać 30 Pa
[275];

3. Odkładania się narostów pyłowych w rurociągach odprowadzających gazy w wyniku

nieszczelności instalacji, co powoduje zasysania powietrza;

4. Wzrostu zawartości wodoru w atmosferze gazowej na skutek obecności w piecu wody, co

wynika z nadmiernego zawilgocenia wsadu lub z przecieków w instalacji chłodzącej.

Wymienione czynniki wpływają nie tylko na wskaźniki eksploatacyjne urządzenia, ale

mogą być przyczyną powstawania wybuchów, które występują przy mieszance powietrza z
16

÷75% CO.

Reakcje metalurgiczne związane z wytwarzaniem żelazokrzemu są we wszystkich

rodzajach pieców takie same. Surowce wyjściowe to: krzemionka, materiały żelazodajne
(wióry i odpady stali węglowych) oraz węgiel. W uproszczeniu wynikowa reakcja o
charakterze egzotermicznym ma postać

SiO

+ 2C + nFe = Fe

Si + 2CO (5.79)

Temperatury poszczególnych reakcji cząstkowych, składających się na ten wynik, zawierają się
w przedziale temperatur 1500÷3125 K i zależą od zawartości krzemu w stopie. Zużycie
właściwe energii, mające głównie związek z zawartością Si, zawiera się w granicach:
5500

÷11500 kW·h/Mg [36]. Wartość opałowa gazów wydostających się z pieca równa jest

10000

÷11500 kJ/m

. Proces wytwarzania Fe-Si zalicza się do praktycznie bezżużlowych (na l

Mg Fe-Si 75% powstaje tylko 35

÷60 kg żużla).

Proces wytopu Fe-Si ma charakter ciągły z okresowym załadunkiem wsadu do gardzieli

pieca, z okresowym spustem stopu i żużla oraz z ciągłym wydalaniem gazów piecowych.
Podstawowym elementem pieca odkrytego jest wanna wyłożona materiałami ogniotrwałymi i
węglowymi (rys. 5.74). Jest ona wypełniona wsadem, w którym są zanurzone elektrody
samospiekające się, połączone torem wielkoprądowym z transformatorem piecowym (niekiedy
stosowane są 3 transformatory jednofazowe).

Osobliwością towarzyszącą wytwarzaniu wysokoprocentowego żelazokrzemu jest

spiekanie zewnętrznych warstw wsadu prowadzące do tworzenia się przetok, przez które
wydostaje się gaz, porywając ze sobą drobne cząsteczki wsadu. Gaz w piecu odkrytym spala
się nad gardzielą podgrzewając zewnętrzne warstwy wsadu. Stwarza to

339

5. Nagrzewanie łukowe
_________________________________________________________________________
bardzo trudne warunki pracy obsługi. Spaliny są odciągane znad otwartego pieca ci sprawia, że
ulegają one (80

÷100) krotnemu rozrzedzeniu powietrzem. I tak np. układ odciągowy spalin

znad odkrytego pieca o mocy 16,5 MV·A musi mieć wydajność 500000 m

/h, co stanowi po-

ważny problem inwestycyjny. O poprawności przebiegi procesu technologicznego decyduje
m.in. stopień zagłębienia elektrod i stan wsad wokół nich, łatwy do obserwacji w piecu odkry-
tym. Stopień zagłębienia elektrod zależ od napięcia fazowego na odbiorniku, prądu elektrod,
rezystancji wsadu i odległość między osiami elektrod. Ustabilizowany prąd obciążenia i nor-
malne zużycie energii świadczą więc pośrednio o prawidłowej pracy urządzenia.

Piece odkryte budowane są nie tylko z przeznaczeniem do wytwarzani

wysokoprocentowych stopów metali z krzemem, lecz także do wytwarzania w urządzeniach o
mocach 0,5

÷5 MV·A średnio i niskowęglowych stopów żelazomangan! Wyposażone są one w

piece przechylne z wanną obrotową, zasilane napięciem 130

÷370 V. Mechanizm przemiesz-

czenia elektrod jest podobny do stosowanego w urządzeniach łukowych, przy czym stojaki z
wysięgnikiem elektrod są ustawiane n fundamencie i w stosunku do przechylnego kotła zaj-
mują pozycję nieruchomą. Zużyci właściwe energii w tym procesie wynosi 4500÷5000
kW·h/Mg [90].

Piece półzamknięte

mają konstrukcje, których nie znamionują pewne niedogodności

pieców zamkniętych i wady pieców odkrytych, a w sposób istotny pozwalaj poprawić warunki
pracy oraz ograniczenie tzw. powietrza „szkodliwego", co prowadzi w efekcie do uproszczenia
instalacji odciągowych gazów i pyłów. Stosuje się je d wytwarzania żelazochromu, krzemo-
chromu, żalazokrzemochromu, żelazokrzemomanganu. Są one rozwiązane w sposób umożli-
wiający dostęp do powierzchni wsadu i w raz potrzeby jego mechaniczną obróbkę. Piec pół-
zamknięty jest wyposażony w kołpak umożliwiający ujęcie ulatniających się gazów i ich utyli-
zację w analogiczny sposób ja w piecach zamkniętych. Jest to element wyposażenia, który
musi być odporny na oddziaływania elektromagnetyczne wynikające z bardzo wielkich prądów
elektrod, które przechodzą przez umieszczone w nim otwory. Musi on także wytrzymać od-
działywań cieplne i chemiczne środowiska roboczego. Z tych względów kołpak wykonywany
je głównie ze stali niemagnetycznej, a ponadto jest chłodzony wodą. Oprócz otworów na elek-
trody, w kołpaku są otwory na rury doprowadzające wsad. Także i te elementy częściowo wy-
konuje się ze stali niemagnetycznej z chłodzeniem wodnym.

Kołpak jest połączony z opuszczanymi osłonami lub drzwiami. Tego rodzą rozwiązanie

czyni dostępną powierzchnię wsadu, a zarazem zapewnia prawie całkowitą szczelność pieca
przy poprawnej jego eksploatacji, tzn. gdy elementy osłony są zamknięte [227].

5.3.2.3. Piece zamknięte

W odróżnieniu od pieców odkrytych, w których gazy piecowe praktycznie bezpośrednio ule-
gają spalaniu w gardzieli zwiększając o 10% zużycie reduktora, piece zamknięte

340

5.3. Technologie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe i urządzenia do ich realizacji
_________________________________________________________________________

są rozwiązane w sposób umożliwiający wykorzystanie energii zwartej w 85

÷95% gazów oraz

realizację procesów, w których wytwarzane substancje znajdują się w fazie gazowej. Osiąga się
to przez zamknięcie wanny sklepieniem, rozwiązanym w sposób zapewniający swobodny
przesuw elektrod oraz możliwość załadunku wsadu. Spośród przedstawionych na rys. 5.73
rozwiązań najczęściej stosowane są konstrukcje a) oraz b).

Rys. 5.75. Piec zamknięty z lądowaniem wsadu zsypami rurowymi przez okrągłe otwory w sklepieniu

1 – zsyp rurowy, 2 – lej załadowczy, 3 – elektroda, 4 – uszczelnienie elektrody, 5 – sklepienie, 6 –
przewody odciągowe gazów i pyłów, 7 – rynna spustowa, 8 – płyta żelazobetonowa, 9 – czop nośny
wanny, 10 – rolki obrotu wanny, 11 – napęd układu obrotu wanny.
Zaczerpnięto z [176]

Rozwiązanie a) polega na uszczelnieniu elektrod względem sklepienia i podawaniu

wsadu zsypami rurowymi (rys. 5.75), które są nim całkowicie wypełnione. Wsad musi ponadto
wypełniać co najmniej w 1/3 zasobniki piecowe umieszczone u wlotów zsypów. Rozwiązanie
b) polega na zasypywaniu wsadu przez wąskie cylindryczne szczeliny w sklepieniu
usytuowane wokół elektrod, co sprawia, że jest on wprowadzany

341

5. Nagrzewanie łukowe
_________________________________________________________________________

do obszarów, w których najintensywniej się zużywa (rys. 5.76). Uszczelnienie elektrod osiąga
się tu przez zapełnienie wsadem wokółelektrodowych szczelin załadowczych przez które z
pieca wydostaje się 5

÷15% gazów piecowych, ulegających spaleniu na powierzchni wsadu.

Taka konstrukcja wymaga odizolowania sklepienia od pozostałych elementów wanny w celu
przerwania obwodu elektrycznego wobec zwierani; elektrody i sklepienia przez wsad
wypełniający szczelinę zasypową. W obu przypadkach odpowiednia granulacja wsadu sprawia,
że stanowi on czynnik uszczelniając; piec. Znane są także rozwiązania zsypów ze śluzami
[186], [218].

Rys. 5.76. Ładowanie wsadu wokółelektrodową szczeliną pierścieniową

1 – elektroda, 2 – płyta kontaktowa, 3 – zsyp, 4 – kołnierz, 5 – sklepienie, 6 – wsad

Pod sklepieniem utrzymywane jest stałe podciśnienie gazów, które w urządzeniach do

żelazostopów nie powinno odbiegać od wartości 2

÷30 Pa, przy czym jest on kontrolowane w

sposób ciągły.
Piece

zamknięte są stosowane do wytwarzania wielu rodzajów żelazostopów żółtego

fosforu, karbidu, cynku oraz żużli syntetycznych, topników, kamieni miedziowo-niklowego,
materiałów ceramicznych. Spośród żelazostopów wytwarza się w nich m.in. tak masowe
produkty jak żelazokrzem (światowa produkcja w r. 198 ok. 4,0·10

Mg, żelazomangan – 5·10

Mg oraz żelazochrom – 1,7·10

Mg). Jeśli chodzi o żelazokrzem, to w piecach zamkniętych

wytwarza się w zasadzie gatunek o zawartości Si poniżej 65%, ponieważ przy wyższej
zawartości krzemu temperatur gazów jest tak wysoka, że następuje spiekanie wsadu w
urządzeniach zasypowych prowadzące do poważnych trudności w realizacji procesów. Mimo
to opracowano już piece zamknięte do wytwarzania Fe-Si 75%-owego o mocach sięgających
115 MV·A [83], [275]. Urządzenie japońskie tej kategorii pokazane jest na rys. 5.77. Piec
wyposażony jest m.in. w 15 drzwi pełniących funkcję klap bezpieczeństwa, ot-

342

5.3. Technologie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe i urządzenia do ich realizacji
_________________________________________________________________________

Rys. 5.77. Piec zamknięty hermetyzowany do wytopu 75% żelazokrzemu

1 – zasypnik, 2 – zasobnik, 3 – dozownik, 4 – transporter, 5 – zasobnik piecowy, 6 – zsyp rurowy, 7 –
rura odciągów zanieczyszczonych gazów używana przy odłączonym urządzeniu odpylającym, 8 –
kołpak, 9 – ruchome urządzenie do przebijania powierzchni wsadu, 10 – kadź, 11 – płyty kontaktowe,
12 – elektroda, 13 – mechanizm obrotu wanny, 14 – płaszcz wanny, 15 – wziernik i klapy
bezpieczeństwa, 16 – zwężka Venturiego, 17 – sklepienie pieca, 18 – stacjonarne urządzenie do
przebijania powierzchni wsadu wokół elektrod, 19- przewód gazowy ze zraszaniem wodnym, 20 –
przewód odprowadzający gaz, 21 – cylinder zabezpieczający, 22 – tor wielkoprądowy, 23 – urządzenie
do usuwania pyłów, 24 – zamknięcie wodne, 25 – świeca (do wypuszczania nadmiaru gazu z jego
dopalaniem), 26 – oddzielacz kropel, 27 – ssawa, 28 – przewód kominowy z dopalaniem gazu, 29 –
gazociąg
Zaczerpnięto z [275]

otwierających się przy wybuchu gazów. Jest on także wyposażony w mechanizmy do
przebijania spiekającego się wsadu wokół elektrody, czyli w strefie do której wsad ten jest
doprowadzany, a odprowadzane są gazy [275].

Inne rozwiązanie polega na dopalaniu gazów piecowych w przestrzeni

podsklepieniowej przy takiej konstrukcji sklepienia, że stanowi ono element wytwornicy pary.
Wytwornica pary może być także zlokalizowana poza piecem [275].

Tego rodzaju rozwiązanie pozwala zmniejszyć zużycie właściwe energii elektrycznej

do 8600 kW·h/Mg, czyli o 30% w stosunku do znamionującego rozwiązania klasyczne, przy
równoczesnym spełnieniu wymagań ochrony środowiska.

343

5. Nagrzewanie łukowe
____________________________________________________________________________

Rys. 5.78. Schemat systemu technologicznego do wytapiania żelazostopów manganowych z podgrzewaniem

wsadu piecowego
1 – pojemnik wsadu zimnego, 2 – piec obrotowy, 3 – zasobnik, 4 – pojemnik, 5 – zasobnik piecowy,
6 – piec, 7 – urządzenia do oczyszczania gazu, 8 – węzeł zbrylania pyłów piecowych. Zaczerpnięto z
[275]

Piece zamknięte stosowane do wytopu stopów manganu są konstruowane jako

trójelektrodowe z wanną okrągłą lub sześcioelektrodowe z wanną prostokątną. Wanna pieca
jest wyłożona materiałami węglowymi. Wytop żelazomanganu wysokowęglowego jest
prowadzony przy stosunkowo niskich napięciach nie przekraczających 300V w urządzeniach o
mocy do 70 MV·A. Podwyższenie napięcia prowadzi do zwiększenia udziału łuku w bilansie
mocy, a tym samym do lokalnego wzrostu temperatury. Zwiększa się wówczas parowanie Mn,
które nie powinno przekraczać 8

÷10%. Elektrody w tym procesie powinny dlatego pracować

przy głębokim zanurzeniu we wsadzie kawałkowym. Według niektórych autorów wskazane
jest takie prowadzenie wytopu, by zminimalizować udział łuku jako wysokotemperaturowego
źródła ciepła. Wsad do pieców sześcioelektrodowych ładowany jest sześcioma zsypami w
sposób ciągły w strefę każdej elektrody. Gazy piecowe odprowadzane są dwoma przewodami
rurowymi. Spust stopu i żużla odbywa się po przeciwległych stronach wanny. Zużycie
właściwe energii w jednostkach 6-elektrodowych dużej mocy jest rzędu 2200 kW·h/Mg.

Są także w użyciu systemy ze wstępnym podgrzewaniem wsadu piecowego gazami

poreakcyjnymi z równoczesnym zgrubnym ich oczyszczaniem. Zmniejszenie zużycia energii
przy takim rozwiązaniu jest znaczące (rys. 5.78).

Innym stopem manganu, wytapianym m.in. metodą ciągłą w piecach zamkniętych, jest

niskofosforowy żużel manganowy.

W piecach zamkniętych dużej mocy wytapia się metodą ciągłą krzemomangan. W

użyciu są jednostki 80 MV·A pracujące przy napięciu wtórnym 120

÷200 V na ogół z wyprawą

węglową. Są to urządzenia 6-elektrodowe z wanną okrągłą lub prostokątną.

344

5.3. Technologie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe i urządzenia do ich realizacji
_________________________________________________________________________

Wsad ładowany jest w sposób ciągły. Dolny koniec elektrody powinien się znajdować w
odległości 0,9

÷1,2 m od dna wanny zaś płyty kontaktowe 3,0÷3,3 m od końca elektrody.

Ciśnienie gazów pod sklepieniem 3

÷5 Pa, temperatura ≤ 750°C. Zużycie właściwe energii:

6000 kW·h/Mg.

Piece zamknięte do wytapiania jednego z ważniejszych stopów – wysokowęglowego

żelazochromu osiągnęły moc 115 MV·A. Ich wanny są wyłożone materiałem magnezytowym.
Proces może być prowadzony jako żużlowy, przy zużyciu energii 6600

÷7150 kW·h/Mg lub

jako bezżużlowy
(6000 kW·h/Mg). Spust odbywa się przy temperaturze stopu 1350

÷1450°C.

Żelazochrom średniowęglowy jest wytwarzany w urządzeniach małej mocy (rzędu

kilku MV·A) w procesach okresowych przy zużyciu właściwym energii 1800-2400 kW·h/Mg.
Piece zamknięte stosowane są ponadto do wytwarzania żelazoniklu, żelazowolframu, topników
spawalniczych, różnych złożonych żelazostopów oraz stopów przejściowych, a także kamienia
miedziowo-niklowego.

Piece do wytapiania karbidu są to zwykle jednostki dużej mocy (kilkadziesiąt MV·A)

pracujące przy stosunkowo wysokich napięciach (powyżej 450 V) i dużych natężeniach
prądów. Oprócz pieców zamkniętych w użyciu są nadal półzamknięte. Wanna jest wyłożona
materiałami węglowymi. Piece zamknięte są wyposażone w mechanizmy obrotu wanny i
układy chłodzenia wodnego sklepienia. Podstawowa część wsadu podawana jest zsypami
rurowymi zaś niewielką jego ilość wprowadza się przez drążone samospiekające się elektrody,
co umożliwia operatywną korektę jego składu w trakcie procesu [83].

Piece zamknięte do sublimacji żółtego fosforu osiągnęły moce 80 MV·A. Mają one

wanny cylindryczne z płaskimi ściankami w strefie dwóch otworów spustowych żużla. Produkt
uboczny – żelazofosfor jest zlewany przez dwa otwory zlokalizowane po przeciwległej stronie
pieca (rys. 5.79).

Fosfor jest bardzo agresywnym pierwiastkiem, w powietrzu ulega samozapaleniu i z

tych względów konstrukcja pieca musi być w pełni hermetyczna. Wyprawa wanny jest
węglowa. Piec pracuje z garnisażem i dlatego stosuje się chłodzenie wodne zarówno ścian, jak
i trzonu pieca. Jest on zamknięty sklepieniem z betonu żaroodpornego, w którym są
umieszczone dwa otwory na elektrody, dwa otwory do odprowadzania gazów zawierających
fosfor i kilkanaście otworów załadowczych. Centralna część betonowego sklepienia jest
chłodzona wodą przepływającą wężownicami z miedzi. Ponad betonowym sklepieniem
umieszczona jest uszczelniona względem obudowy pieca wieloelementowa pokrywa ze stali
nierdzewnej. Dzięki odizolowaniu określonych jej elementów względem siebie nie istnieje
niebezpieczeństwo zwarć między elektrodami i obudową pieca. W celu zapobieżenia ulatnianiu
się gazów piecowych zawierających fosfor, do zsypów i w strefę uchwytów elektrod podawany
jest azot.

Doprowadzenia prądu do płyt kontaktowych oraz ich usytuowanie różnią się nieco od

spotykanych w dotychczas omawianych konstrukcjach. Mianowicie płyty te wraz z układem
dociskowym umieszczone są w cylindrze ochronnym ze stali

345

5. Nagrzewanie łukowe
________________________________________________________________________

nierdzewnej. Napięcia robocze sięgają 600 V, a prądy w elektrodach – 95 kA [83], [229].

Piece zamknięte do wytwarzania cynku są, podobnie jak piece do sublimacji fosforu,

przystosowane do odbioru wytwarzanej substancji w postaci par. Ich moce są rzędu kilku
MV·A, napięcia robocze 150

÷240 V.

Kamień miedziowo-niklowy wytwarza się w urządzeniach dużej mocy, przeważnie z

piecami prostokątnymi sześcioelektrodowymi. Sklepienie pieca jest wykonane z betonu
żaroodpornego zaś stacjonarna wanna wyłożona jest materiałami magnetyzowymi. Ciśnienie
gazów pod sklepieniem – 20 Pa. Spust żużla i kamienia odbywa się przez otwory spustowe
zlokalizowane na przeciwległych ścianach pieca [218].

Rys. 5.79. Piec do sublimacji fosforu o mocy 80 MV·A

1 – wyprawa, 2 – płaszcz, 3 – uszczelnienie, 4 – cylinder ochronny, 5 – układ chłodzenia wodnego, 6 –
element układu nośnego elektrody, 7 – układ hydrauliczny do przemieszczania elektrody, 8 –
urządzenie do opuszczania elektrody, 9 – część giętka toru wielkoprądowego, 10 – część sztywna toru
wielkoprądowego, 11 – sklepienie, 12 – zsypy rurowe, 13 – otwór do spustu żużla.
Zaczerpnięto z [83]

346

5.3. Technologie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe i urządzenia do ich realizacji
________________________________________________________________________

Spośród urządzeń z piecami zamkniętymi do topienia innych materiałów niemetalowych
należy wymienić oryginalną polską konstrukcję do ciągłego topienia bazaltu [264]. Wanna o
przekroju trójkątnym jest w górnej części rozwiązana w podobny sposób jak nowoczesne piece
łukowe tzn. chłodzona wodą. Zużycie właściwe energii w tym trójelektrodowym piecu wynosi
od 800

÷1300 kW·h/Mg i jest kilkakrotnie niższe aniżeli w piecach szybowych i wannowych.

5.3.2.4. Układy elektryczne urządzeń

Obwód główny urządzenia łukowo-rezystancyjno-elektrodowego zawiera odłącznik, wy-
łącznik, uzwojenie pierwotne i wtórne transformatora piecowego (niekiedy są to uzwojenia
dwóch szeregowo połączonych transformatorów), tor wielkoprądowy oraz elektrody.

Obwody pośrednie stanowią uzwojenia specjalne transformatora, połączone z

rozmaitymi elementami służącymi do kompensacji mocy biernej oraz symetryzacji mocy
czynnych odbiornika. Elementy te włącza się równolegle, szeregowo bądź z uzwojeniem

Rys. 5.80. Obwód główny urządzenia łukowo-rezystancyjno-elektrodowego zasilanego prądem stałym lub o

obniżonej częstotliwości, wg [36]
1 – wanna, 2 – elektroda, 3 – tor wielkoprądowy, 4 – przekształtnik napięcia,
5 – oszynowanie przekształtnika, 6 – transformator piecowy

347

5. Nagrzewanie łukowe
____________________________________________________________________________

dodawczym zarówno po stronie pierwotnej transformatora piecowego, jak i w obwodach
pośrednich (przy napięciu pierwotnym wyższym od 100 kV), a także po stronie wtórnej
(zwykle za pośrednictwem transformatora rozdzielającego). Przy obliczeniach parametrów
urządzenia, obecność układów kompensacji uwzględnia się w obwodzie głównym.

Oprócz obwodu głównego i pośrednich wyróżnia się obwody wspomagające, do

których zalicza się obwody pomiarowe, sterowania i zabezpieczające.

Większość urządzeń łukowo-rezystancyjno-elektrodowych, z punktu widzenia

elektrycznego, wykazuje wiele podobieństw do urządzeń łukowych przeznaczonych do
wytapiania stali [83]. Dotyczy to głównie (lecz nie wyłącznie) urządzeń zasilanych prądem
przemiennym. Należy bowiem odnotować pojawienie się również pierwszego pieca łukowo-
rezystancyjno-elektrodowego zasilanego prądem stałym lub o częstotliwości niższej od
sieciowej [36], [271].

Rys. 5.81. Częściej spotykane układy transformator-piec, wg [227]: a) z transformatorem trójfazowym i torem

bifilarnym zamkniętym w trójkąt na elektrodach; b) z trzema transformatorami symetrycznie
rozmieszczonymi wokół pieca, tor bifilarny zamknięty w trójkąt na elektrodach; c) z trzema
transformatorami jednofazowymi o stałej przekładni symetrycznie rozmieszczonymi wokół pieca
zasilanymi z regulacyjnego transformatora trójfazowego, z torem wielkoprądowym zamkniętym w
trójkąt na elektrodach; d) z transformatorem trójfazowym i kompensacją mocy biernej; e) z trzema
transformatorami jednofazowymi o regulowanym napięciu i torach wielkoprądowych bifilarnych

348

5.3. Technologie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe i urządzenia do ich realizacji
________________________________________________________________________

O ile jednak urządzenia AC-AF można na przełomie lat osiemdziesiątych i

dziewięćdziesiątych uznać za technicznie daleko zaawansowane, o tyle urządzenie łukowo-
rezystancyjno-elektrodowe tego nowego rodzaju należy ocenić jedynie jako rozwiązania o
bardzo obiecujących charakterystykach. Zasadniczą część obwodu głównego takiego
urządzenia przedstawia rys. 5.80.

Jeśli chodzi o rozwiązania klasyczne to piece o mocach do 15 MV·A włączane są do

sieci za pośrednictwem transformatora trójfazowego. Przy mocach większych stosuje się
bardzo często zasilanie z trzech transformatorów jednofazowych. Rozwiązania takie są
wprawdzie droższe, lecz ich zalety (mniejsza pracochłonność przy naprawach uszkodzeń w
jednej tylko fazie, możliwość istotnego skrócenia długości toru wielkoprądowego, polepszenie
parametrów toru, możliwość niezależnej regulacji napięcia w każdej fazie) decydują o ich
stosowaniu. Rysunek 5.81 przedstawia częściej spotykane konfiguracje transformator
(transformatory) – piec.

Elektryczne schematy zastępcze obwodów głównych urządzenia z uwzględnieniem

parametrów odbiornika zwykle sporządza się przy wyodrębnieniu składników związanych
oddzielnie z każdą formą przemiany elektrotermicznej. Na rysunku 5.82

Rys. 5.82. Elektryczny schemat zastępczy urządzenia łukowo-rezystancyjno-elektrodowego X

, R

– reaktancja i

rezystancja toru elektrycznego (transformatora i toru wielkoprądowego); R

– rezystancja

międzyelektrodowa górnego obszaru wsadu; X

– reaktancja wanny łącznie z reaktancja elektrody; R

– rezystancja elektrody; R

– rezystancja międzyelektrodowa dolnego obszaru wsadu; R

– rezystancje

łuku, R

– rezystancja wsadu bocznikująca łuk; R

– rezystancja kąpieli

349

5. Nagrzewanie łukowe
____________________________________________________________________________

pokazany jest jeden z możliwych wariantów takiego schematu, odnoszący się do urządzenia z
transformatorem trójfazowym. Wielkość X

nazywana niekiedy reaktancją wanny, jest w

rzeczywistości sumą reaktancji cząstkowych wszystkich elementów konstrukcyjnych i
składników wsadu wiodących prąd, poczynając od styku płyt kontaktowych z elektrodą.
Wartość X

, szacowana na 30

÷50 % [83] bądź na 30÷60% [175] całkowitej reaktancji

urządzenia, nie zależy praktycznie od rodzaju wsadu, lecz od mocy urządzenia (rys. 5.83).

Rys. 5.83. Reaktancja wanny pieca łukowo-rezystancyjno-elektrodowego w funkcji mocy urządzenia S

Elementami obwodów głównych o bardzo zróżnicowanej konstrukcji są tory

wielkoprądowe. Na rysunku 5.84 pokazany jest tor wielkoprądowy urządzenia 3-
elektrodowego z trzema transformatorami jednofazowymi.

Układy połączeń torów wielkoprądowych bywają zróżnicowane. Piece trójelektrodowe

o wannie okrągłej wyposaża się w tory połączone m.in. w gwiazdę na transformatorze, w
trójkąt na pakiecie szyn, w trójkąt na elektrodach lub końcówkach części giętkich toru od
strony transformatora. Piece trójelektrodowe o wannie prostokątnej mają tory połączone w
gwiazdę na transformatorze, trójkąt na końcówkach części giętkich, trójkąt na elektrodach.
Piece sześcioelektrodowe z wanną okrągłą mają tory tworzące gwiazdę otwartą z trzema
jednofazowymi transformatorami zlokalizowanymi w jednym pomieszczeniu lub
równomiernie wokół pieca w wierzchołkach trójkąta równobocznego. Piece
sześcioelektrodowe z wanną prostokątną wyposaża się w tory jak na rys. 5.84 [175].

Optymalne warianty torów wielkoprądowych urządzeń dużej mocy z wannami

prostokątnymi, zarówno przy połączeniu w gwiazdę na transformatorze, jak i w trójkąt na
elektrodach mają, praktycznie takie same średnie wartości reaktancji fazowych 0,75

÷0,80 mΩ

zaś urządzenia średniej mocy 1,1

÷1,2 mΩ. Optymalne tory urządzeń średniej i wielkiej mocy z

wanną okrągłą i z połączeniem w trójkąt na elektrodach mają reaktancje o wartościach
0,85

÷0,95 mΩ. Przykładowe parametry elektryczne obwodu wielkoprądowego zawiera tabl.

5.3.

Problem asymetrii toru, a tym samym mocy odbiornika, występuje zwłaszcza w

urządzeniach z wannami okrągłymi i prostokątnymi zasilanych z jednego transformatora. Przy
symetrycznym rozdziale mocy na poszczególne elektrody zapewnione

350

5.3. Technologie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe i urządzenia do ich realizacji
________________________________________________________________________

Rys. 5.84. Tor wielkoprądowy urządzenia sześcioelektrodowego z trzema transformatorami jedno fazowymi

1 – transformator, 2 – kompensator (elastyczne taśmy łączące wyprowadzenia transformatora
piecowego z ruroprzewodami 3), 4 – nieruchomy łącznik (element pośredniczący między
ruroprzewodami i giętką częścią toru), 5 – część giętka toru, 6 – ruchomy łącznik, 7 – elektroda,
8 – płyta kontaktowa, 9 – wieszak płyty.
Zaczerpnięto z [175]

351

5. Nagrzewanie łukowe
____________________________________________________________________________

jest prawidłowe obsuwanie się wsadu i równomierny przebieg procesów w przestrzeniach
reakcyjnych wokół elektrod, zwiększa się wydajność urządzenia, ulega poprawie jakość
produktu, obniża się jednostkowe zużycie energii oraz zapotrzebowanie na moc bierną.

Tabela 5.3. Rezystancja i reaktancja toru elektrycznego urządzenia

łukowo-rezystancyjno-elektrodowego o mocy
48 MVA, wg [83]

X R

Element toru

-3

Ω

% 10

-3

Ω %

Transformator

Tor wielkoprądowy

w tym: pakiet rur

część giętka

ruroprzewody

Styk płyta kontaktowa-

elektroda

Elektroda

Wanna + elektroda

0,300
0,550
0,165
0,074
0,311

-
-

1,150

15,0
27,5

9,0
3,5

15,0

-
-

57,5

0,032
0,060
0,055
0,001
0,004

0,058
0,050

16,0
30,0
27,5

0,5
2,0

29,0
25,0

Razem

2,000 100,0 0,200 100,0

W celu zmniejszenia asymetrii mocy fazowych piece zasila się m.in. ze specjalnych

układów transformatorowych umożliwiających indywidualną regulację napięć wtórnych każdej
fazy. Dopuszczalna różnica napięć wtórnych nie może jednak przekroczyć pewnej wartości
granicznej, ustalonej przez producenta transformatorów, a tym samym nie zawsze możliwa jest
pełna symetryzacja mocy w podany sposób. W takim przypadku dalszą symetryzację można
uzyskać przez zmianę głębokości zanurzenia elektrod we wsadzie. Ma to jednak wpływ na
zróżnicowanie przebiegu procesu technologicznego wokół poszczególnych elektrod.
Interesujące rozwiązanie problemu symetryzacji, połączone ze zmniejszeniem poboru mocy
biernej, zostało zaproponowane przez specjalistów polskich [18]. Polega ono na włączeniu w
poszczególne fazy toru wielkoprądowego uzwojeń pierwotnych dodatkowych transformatorów
przy równoczesnym wzajemnym połączeniu uzwojeń wtórnych tych transformatorów za
pośrednictwem dwóch czwórników o ściśle określonych parametrach.

5.3.2.5. Podstawowe parametry i charakterystyki urządzeń

Do podstawowych parametrów elektrycznych urządzenia należy zaliczyć moc czynną
odbiornika (pieca) P

nazywaną niekiedy mocą wanny, moc czynną strat elektrycznych P

moc czynną urządzenia P = P

, + P

, moc pozorną urządzenia S, napięcie

352

5.3. Technologie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

odbiornika (wanny) U

, napięcie fazowe wtórne transformatora piecowego U

, prąd elektrody

, współczynnik mocy urządzenia cos

ϕ, sprawność elektryczną urządzenia

. Charakterystyki

urządzeń są to związki między parami wymienionych wielkości. Określa sieje najczęściej
przyjmując jako zmienną niezależną prąd elektrody I

lub moc pozorną urządzenia S.

Oprócz wymienionych wielkości do parametrów charakteryzujących urządzenia należą

następujące wielkości geometryczne: średnica elektrody d

, odstęp między elektrodami,

średnica wanny D

i jej głębokość H

, wysokość wyprawy węglowej wanny H

, zagłębienie

elektrod we wsadzie h

Moc czynna fazowa pieca

365

⋅

(5.80)

przy czym: g – zadana przelotność urządzenia w Mg/rok, e – zużycie właściwe energii przy
wytwarzaniu danego produktu w kW·h/Mg, 365·24 – liczba godzin w roku, K

– współczynnik

wykorzystania czasu kalendarzowego (na ogół K

= 0,80÷0,95), K

– współczynnik

wykorzystania maksymalnej mocy, uwzględniający zmniejszenie mocy w czasie pracy pieca z
przyczyn technologicznych, z powodu wahań napięcia sieci, w okresach poprzedzających
postoje pieca i w okresach jego rozgrzewania (K

= 0,65÷0,85) [83].

Związek między mocą czynną pieca i napięciem użytecznym, a więc na odbiorniku, określa
równanie Mikulińskiego

(5.81)

przy czym c oraz n są to stałe statystyczne określone na podstawie znajomości charakterystyk
efektywnie pracujących urządzeń. Definiując sprawność elektryczną urządzenia następująco:

−

(5.82)

gdzie P

jest mocą czynną fazową urządzenia zaś P

– mocą strat elektrycznych w jednej fazie.

Stąd

cos

(5.83)

gdzie S, jest mocą pozorną fazową zaś

ϕ kątem przesunięcia między prądem fazowym I oraz

napięciem fazowym wtórnym U

Równanie (5.81) można więc przedstawić w postaci [57]:

(

cos

)

(5.84)

353

Przeprowadzona przez Rozenberga i Łykowa ocena 11 metod obliczeń parametrów elektrycznych i geometrycz-

nych urządzeń omawianej kategorii wskazuje na równanie Mikulińskiego jako najkorzystniejszy punkt wyjścia
do ich wyznaczenia [273].

5. Nagrzewanie łukowe
____________________________________________________________________________

O reaktancji wanny piecowej decyduje indukcyjność tej części elektrody, w której

wydzielająca się moc jest zaliczana do strat elektrycznych oraz indukcyjność pozostałych
elementów konstrukcyjnych (wykładzina węglowa wanny) oraz składników wsadu wiodących
prąd (patrz p. 5.3.2.4). Jeżeli zaliczyć reaktancję elektrody do reaktancji toru
wielkoprądowego, to można przyjąć, że indukcyjność pozostałych elementów jest na tyle mała,
że dla obszaru konwersji energii elektrycznej w ciepło użyteczne cos

≈ 1. Zatem P

= U

I, a

po uwzględnieniu (5.83)

(

cos

)

(5.85)

Po podzieleniu stronami podniesionych do kwadratu zależności (5.85) i (5.84 oraz
wprowadzeniu oznaczenia

I =

(5.86)

otrzymuje się

(

)

(

cos

−

(5.87)

Ponieważ sin

= X/Z = XI/U

X (X reaktancja fazowa toru elektrycznego), to

( )

cos

(5.88)

Po uwzględnieniu tego wyrażenia w (5.87) otrzymamy

( )

[

]

)

(

−

(5.89)

Ponieważ

( )

[

]

(

)

(

)

...

−

(5.90)

to biorąc pod uwagę rzeczywiste wartości

i X dla urządzeń, wystarczy uwzględnić dwa

pierwsze wyrazy szeregu (5.90) by błąd był do pominięcia. Jeśli w dalszym ciągu przyjąć, że

= const, co bywa często dopuszczalne, zależność (5.90) przechodzi w równanie kwadratowe

o rozwiązaniu [57]:

(

)

(

)

(

)

(

2
f

)

(

)

(

−

(5.91)

354

5.3. Technologie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

Przyjmowanie sprawności

za stałą nie jest konieczne. Jeśli zachodzi potrzeba uwzględnienia

zmian

w funkcji mocy elektrycznej, wówczas podobnie jak to u czyniono wcześniej z

cos

ϕ, również z

należy wyrazić za pośrednictwem

cos

γR

cos

−

(5.92)

Przy czym R jest średnią wartością rezystancji fazowej toru elektrycznego. Przekształcając
(5.92), otrzymuje się po uwzględnieniu (5.88)

(5.93)

( )

[

]

γR

γX

γR

cos

1/2

−

Po rozwinięciu w szereg członu w nawiasie kwadratowym i uwzględnieniu dwóch pierwszych
wyrazów otrzymuje się

(5.94)

γR

0,5(

cos

Wstawiając (5.94) do (5.87), otrzymujemy:

( )

2(1

γR

γX

−





















−

(5.95)

a po rozwinięciu w szereg wyrażenia w nawiasach sześciennych i uwzględnieniu dwóch
pierwszych wyrazów otrzymuje się równanie kwadratowe, którego rozwiązanie prowadzi do
wyniku [57], [217]

(

)

(

)

(

)

−













−













−

(5.96)

Znajomość

umożliwia określenie wszystkich parametrów elektrycznych charakteryzujących

urządzenie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe. Istotne w tej metodzie jest to, że nie istnieje
potrzeba zakładania wartości cos

ϕ oraz

, bowiem wyznacza się je z równań (5.88) i (5.92).

W celu obliczenia

muszą być znane wartości c, n, R oraz X. Tak jak wcześniej

zaznaczono, c oraz n dobiera się na podstawie danych o piecach już eksploatowanych,
znamionujących się optymalnymi wskaźnikami ruchowymi. Wartości R oraz X można
wyznaczyć na podstawie badań modelowych lub obliczyć m.in. przy użyciu metod podanych w
[5]. Przykładowe wartości c, n. R, X zawiera tabl. 5.4. Przykładowe charakterystyki
wyznaczone przy użyciu przytoczonych zależności przedstawia rys. 5.85.

355

5. Nagrzewanie łukowe
________________________________________________________________________

Tablica 5.4. Wybrane parametry urządzeń łukowo-rezystancyjno-elektrodowych różnych mocy

Moc urządzenia w MV

⋅A

5 15 30 60 100 5 15 30 60 100

Rodzaj
wytwarzanego
w urządzeniu
produktu

Reaktancja X

⋅10

Ω Reaktancja

⋅10

Ω

Żelazokrzem 75%
Krzemomangan

Żelazokrzemo-
chrom
Krzemowapń

Krzemochrom

Żelazochrom
węglowy

Żelazomangan

Krzemoglin

Żółty fosfor

Karbid

0.480
0.520

0.480
0.400
0.505

0.532
0.970
1.395
1.050
0.538
0.538

0.33
0.33

0.33
0.33
0.33

0.33
0.28
0.25
0.33
0.33
0.33

1.20

1.20
1.20

1.10

1.60
1.10

0.95

1.27
0.95
0.90

1.15

1.37
1.15
0.80

1.20

1.65
1.20
0.80

0.25

0.25
0.25

0.19

0.09
0.19

0.140

0.085
0.140
0.150

0.100

0.085
0.100
0.085

0.090

0.085
0.090
0.085

Piece z wanną okrągłą.

Piece z wanną prostokątną

Uwaga: Podane w tablicy 5.4 współczynniki c, n wymagają przy obliczaniu napięcia użytecznego U

ze wzoru

(5.77) podawania wartości mocy fazowej P

w W. Zachowują one ważność także przy obliczaniu pieców

sześcioelektrodowych, przy czym P

jest nadal mocą fazową, czyli wydzielaną w obszarze dwóch elektrod.

Rys. 5.85. Charakterystyki robocze urządzenia łukowo-rezystancyjno-elektrodowego do wytwarzania

żelazokrzemchromu i żelazokrzemu

Podane związki zachowują ważność dla obwodu prądowego z kompensacją wzdłużną

mocy biernej. Jeśli moc pieca jest znana i znany jest optymalny współczynnik

356

5.3. Technologie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe i urządzenia do ich realizacji
____________________________________________________________________________

mocy, łatwo jest określić niezbędną moc transformatora piecowego S. Urządzenia dużej mocy
pracują przeważnie przy P

= const. Moc pozorna transformatora do takiego urządzenia

cos

(5.97)

Jeśli znana jest wartość P

, wychodząc z podanych zależności wyznacza się średnią wartość

prądu w elektrodzie I

, który jest niezbędny do prowadzenia normalnego procesy

technologicznego. Dla pieca m-elektrodowego otrzymuje się [175]:

1/2

2n)R

n)(1

/m)

(3P

2n)R

n)(1

2(1

/m)

(3P

2n)R

n)(1

2(1

/m)

(3P

2n)R

















−













−

(5.98)
Jeśli chodzi o parametry geometryczne, to średnice elektrody określa się wychodząc z
przyjmowanych dla niej racjonalnych gęstości prądu J

rac

rac

max

πJ

(5.99)

Wszystkie pozostałe parametry określa się korzystając z metody podobieństwa
geometrycznego

B = B

(5.100)

gdzie B

jest bezwymiarowym parametrem geometrycznym (tabl. 5.5), B zaś wielkością

obliczaną [83].

W celu bardziej precyzyjnego ustalenia parametrów roboczych urządzeń już istnieją-

cych niezbędne jest sporządzenie bilansów energetycznych i materiałowych. Wyniki bilansu
energetycznego pieca zamkniętego do wytwarzania żelazokrzemu 65% zawiera tabl. 5.6.

Rozwiązania najnowsze umożliwiają sterowanie komputerowe wszystkimi

podstawowymi parametrami roboczymi urządzenia, mechanizmami przesuwu elektrod
zarówno podczas pracy normalnej jak i w stanach awaryjnych, urządzeniami załadowczymi,
odpylającymi, chłodzącymi. Określane są wszystkie niezbędne do prowadzenia procesu
informacje, m.in. moment spustu, a także wskaźniki charakteryzujące proces. W rezultacie
możliwa jest już optymalizacja procesu przy dowolnej funkcji celu.

Większość będących w użyciu programów komputerowych realizuje sterowanie mocą

przez zmianę napięcia przy zachowaniu zadanego położenia końców elektrod. Jeśli przełącznik
zaczepów napięciowych jest chwilowo zablokowany, program dopuszcza regulację wartości
prądu przez zmianę zagłębienia elektrody.

357

5. Nagrzewanie łukowe
____________________________________________________________________________

Według danych amerykańskich sterowanie komputerowe umożliwia zmniejszenie zużycia
właściwego energii o 5% i zwiększenie przelotności o 10% [275].

Tablica 5.5. Wartości parametru B

, wg [83]

Wielkość obliczana

Proces

dla pieca z wanną

okrągłą

dla pieca trójelektrodowego

z wanną prostokątną

Odstęp między
elektrodami

Bezżużlowy
Żużlowy

2.15

÷2.85

2.24

÷3.02

2.25

÷2.85

2.70

÷4.00

Średnica wanny
(długość wanny)

Bezżużlowy
Żużlowy

5.10

÷5.20

5.60

÷5.80

6.80

÷7.30

8.24

÷8.80

Wysokość wanny

Bezżużlowy
Żużlowy

1.80

÷2.00

2.00

÷2.50

1.80

÷2.00

2.00

÷2.50

Wysokość wyłoże-
nia węglowego

Bezżużlowy
Żużlowy

0.65

÷0.70

0.95

÷1.10

0.65

÷0.70

0.95

÷1.10

Zagłębienie elek-
trod we wsadzie

Bezżużlowy
Żużlowy

1.10

÷1.20

0.85

÷1.25

1.10

÷1.20

0.85

÷1.25

Tablica 5.6. Bilans energetyczny procesu wytwarzania żelazokrzemu 65% w piecu

zamkniętym, wg [275]

Przychód energii

Ciepło z energii elektrycznej
Ciepło z materiałów wsadowych

99.03

0.97

Razem 100.00
Rozchód energii

Na redukcje tlenków
Ciepło zakumulowane w stopie
Ciepło zakumulowane w żużlu
Ciepło zawarte w gazach
Ciepło zawarte w pyłach
Ciepło parowania wody ze wsadu
Ciepło oddawane przez powierzchnie
boczną pieca i trzon
Ciepło pobierane przez wodę chłodzącą
sklepienie, elementy układów załadunku
wsadu i odciągów gazów oraz pyłów
Inne straty

65.85
12.27

0.17
3.76
0.07
2.26

3.21

5.66
6.75

Razem 100.00

Zrealizowana w Polsce automatyka mikrokomputerowa urządzenia o mocy 30 MW do
wytwarzania karbidu pozwala wysunąć tezę, że po upowszechnieniu tego rodzaju sterowania,
należy z optymizmem mówić o możliwościach polepszenia wskaźników eksploatacyjnych
krajowych pieców łukowo-rezystancyjno-elektrodowych [342].

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:

więcej podobnych podstron