Wykład 1

Procesy Elektrometalurgiczne

Jest to grupa zagadnień obejmująca wytwarzanie stali w oparciu o energię elektryczną. Aby nagrzać stal o temperaturze pokojowej do temperatury
należy użyć energii o wartości 320kwh/tonę. Na przełomie XIX i XX wieku prowadzone były pierwsze próby wytapiania stali przy użyciu energii elektrycznej.

Procesy:

-metoda oparta na łuku elektrycznym (piec łukowy)

-inne: piec indukcyjny (zjawisko indukcyjności) urządzenia laserowe

Centra produkcji stali (piece łukowe):

-ZSRR, Brazylia, Szwecja - materiały żelazodajne

Stalownie oparte na piecach łukowych znajdują się tam gdzie występuje złom stalowy.

Złom elektryczny jest najbardziej korzystnym materiałem wsadowym, ze względu na niskie wartości energii włożone w jego przerób.

2 grupy:

-budowa pieca elektrycznego

-proces wytwarzania

Ciekła kąpiel metalowa - stal w stanie ciekłym

Ciekła stal - gotowy produkt stalowniczy ( otrzymywany na samym końcu procesu )

Złom stalowniczy - wszelkie materiały wsadowe ( w stanie stałym ) które mogą być użyte do procesu

Czystość metalurgiczna - zawartość gazu w stali oraz zawartość zanieczyszczeń, głównie w postaci wtrąceń niemetalicznych

procesy:

1. uzyskanie ciekłej kąpieli metalowej ( piec łukowy 30%, konwertor tlenowy 70% )

2. rafinacja pozapiecowa ( metalurgia wtórna ) gdzie wsadem jest ciekła kąpiel metalowa, na wyjściu otrzymujemy ciekłą stal

Odlewanie ciekłej stali

Piec łukowy cechuje się takimi parametrem jak : pojemność pieca.

Pojemność pieca oznacza ilość uzyskanej w jednym wytopie kąpieli metalowej.

Najczęściej stosowane są piece:

-najmniejsze 500kg

-piece małe do 10 ton

-piece średniej pojemności 10-50 ton

-piece dużej pojemności 100-150 ton

Związane jest to z rodzajem produkowanej stali. Na zwykłą stal węglową (ok. 80%) stosuje się piece małej piece o dużych pojemnościach.

Dla stali ( np. kwasoodpornej lub nierdzewnej ) stosuje się piece małej pojemności, dla konkretnego zamówienia.

W Polsce jest kilka stalowni z piecami łukowymi .

Huta Zawiercie - 2 piece łukowe o pojemności 140 ton ( wsadem jest ciekła surówka, tylko 5% złomu )

Stalownie Luccini w Warszawie 60 ton

Celsa w Ostrowcu 70 ton

Huta stalowa Wola - piec 40 ton

Piece łukowe używane są także do produkcji staliwa ( do procesów odlewania )

Metal - Odlew - 3 tony, 10 ton ( do produkcji odlewów )

Budowa pieców łukowych:

Mannesmann (Niemcy)

Voest Alpine (Austria)

Danieli (Włochy)

Wszystkie te firmy produkują piece, a także ich technologie.

Budowa pieca łukowego:

Piec składa się z trzech grup elementów:

1. urządzeń do magazynowania cieklego metalu

2. Urządzenia mechaniczne

3. Urządzenia elektryczne

Wykład 2

Budowa kotła pieca

Kocioł pieca wykonany jest zazwyczaj z dwóch elementów:

1. Cześć dolna - tzw. Trzon pieca

2. Część górna - tzw. Ściany pieca

Trwałość trzonu pieca jest rzędu 5-10 tysięcy wytopów, stąd remont tej części pieca wykonywany jest co 0,5-2 lata. Górna część pracuje od 200 do 500 wytopów. Remont tej części odbywa się co kilka miesięcy. Łączenie dolnej i górnej części pieca odbywa się przy pomocy specjalnych uchwytów z otworami w obu częściach konstrukcji i zaklinowaniu ich.

Budowa części trzonowej:

Elementem konstrukcyjnym tej części pieca jest pancerz stalowy mający kształt czaszy, zazwyczaj ze specjalnie ukształtowaną częścią na otwór spustowy.

Pancerz wykonywany jest z blach stalowych o grubości 15-55mm. W przypadku stosowania tzw. Mieszadła indukcyjnego blachy muszą być niemagnetyczne. Celem uzyskania odpowiedniej wytrzymałości magnetycznej, blachy od spodu posiadają użebrowanie. W dolnej tzw. balkonowej części wykonywany jest otwór w którym montowany jest otwór spustowy, służący do spustu ciekłej kąpieli metalowej. Na pancerzu wykonywane jest wyłożenie ogniotrwałe trzonu pieca. Jest to jeden z najważniejszych elementów pieca. W tej części znajduje się cały ciekły metal. W przypadku nieszczelności lub wad tej części może nastąpić wypływanie metalu poza piec.

Wyłożenie ogniotrwałe trzonu składa się z trzech części:

1. warstwa izolacyjna

2. warstwa podstawowa

3. warstwa robocza

1. Jest to warstwa ułożona bezpośrednio na pancerzu pieca. Warstwa ta ma zagwarantować, że temperatura pancerza pieca nie może przekraczać ok.
   (max
   ). Warstwa ta wykonywana jest ze specjalnych materiałów izolacyjnych, wykonywanych z włókien mineralnych, posiadających odpowiednią wytrzymałość. Grubość tej warstwy wynosi od 20 do 50 mm.

2. Warstwa ta wykonywana jest z kształtek ceramicznych, układanych na warstwie izolacyjnej w postaci kilku warstw. Stosuje się zazwyczaj kształtki magnezytowe lub dolomitowe o wymiarach zbliżonych do wymiarów klasycznej cegły. Grubość tej warstwy sięga 500-800 mm.

3. Jest to warstwa mająca bezpośredni kontakt z ciekłym metalem. Od stanu i jakości tej części wyłożenia, zależy czystość produkowanej stali oraz bezpieczeństwo pracy. Warstwę tą wykonuje się również z magnezytu lub dolomitu ale metodą ubijania. W tym celu stosuje się materiał w postaci proszkowej o różnym składzie granulo- metrycznym, który jest ubijany cienkimi warstwami. Następnie poddaje się procesowi suszenia i wypalania, celem uzyskania warstwy monolitycznej. Grubość tej warstwy jest rzędu 200-500 mm. Całkowita grubość wyłożenia ogniotrwałego wynosi od 500 do 1000 mm.

Waga materiałów ogniotrwałych dochodzi do kilkudziesięciu ton.

Otwór spustowy

Zazwyczaj otwór spustowy wykonywany jest w dolnej części trzonu pieca w tzw. części balkonowej (EBT - dolny spust metalu w trzonie pieca). Otwór spustowy to specjalna kształtka z materiałów ogniotrwałych zazwyczaj w kształcie prostopadłościanu mająca wykonany wewnątrz otwór do spustu metalu. Wysokość kształtki jest równa grubości wyłożenia ogniotrwałego trzonu. Wymiary poprzeczne to około 200-400 (200 na 200;

400 na 400).Otwór ma średnicę od 50 do 150 mm, wysokość zależy od wyłożenia. Trwałość takiej kształtki wynosi kilkanaście wytopów. Musi ona być tak umocowana aby można było ją dobrze wymieniać.

Starszej konstrukcji piece posiadają pancerz w dolnej części trzonu pieca w kształcie czaszy bez części balkonowej. Z boku natomiast posiadają wycięty otwór, do którego mocowana jest tzw. rynna spustowa i jest to wykonane z blachy (koryto) w którym umieszcza się wyłożenie ogniotrwałe. Rynna spustowa ma długość 2 do 4 metrów.

Ściany pieca

Klasyczne ściany pieca wykonywane były podobnie jak trzon. Elementem nośnym jest wówczas pancerz stalowy wykonywany z blach użebrowanych na zewnątrz. Wewnątrz pancerza znajduje się wyłożenie ogniotrwałe wykonywane z kształtek magnezytowo-chromitowych lub dolomitowych.

20-80%-20-80%

Czym więcej
tym lepsza odporność materiału ale niestety zwiększa to koszty.

Oddziaływanie energii cieplnej łuków po obwodzie ścian pieca jest nierównomierne. Wynika to z niejednakowej odległości poszczególnych punktów pieca od płonących łuków. Stąd oddziaływanie energii cieplnej na ściany pieca jest niejednakowe. Zużywanie się wyłożenia ogniotrwałego po obwodzie jest nierównomierne. Ze względu na koszty wyłożenia ogniotrwałego wykonuje się je z materiałów o różnej jakości( a tym samym cenie ) po obwodzie pieca. Materiały najwyższej jakości (chromitowo-magnezytowe) zawierają ponad 60%
umieszcza się w ścianach w pobliżu elektrod w tzw. gorących miejscach. Materiały magnezytowo-chromitowe ( o zawartości powyżej 60% MgO) umieszcza się w miejscach bardziej oddalonych od elektrod, gdzie oddziaływanie cieplne łuków jest mniejsze.

Nowoczesny piec łukowy posiada ściany pieca wykonane w postaci elementów chłodzonych wodą bez stosowania elementów ogniotrwałych.

Wykład 3

Budowa konstrukcyjna ścian pieca łukowego

Konstrukcja nowoczesnych elementów chłodzenia wodnego jest albo typu rurowego albo segmentowego. W systemie rurowym kocioł pieca wykonywany jest z poziomych rur stalowych, każda z nich indywidualnie zasilana jest wodą. W układzie segmentowym obwód kotła pieca składa się kilkunastu segmentów. Każdy segment jest indywidualnie zasilany wodą chłodzącą o dobranych parametrach chłodzenia. Segment wykonany jest w postaci równolegle umieszczonych rur stalowych.

Konstrukcja sklepienia pieca łukowego

Klasyczne sklepienie pieca łukowego wykonywane jest z mat ogniotrwałych, wówczas konstrukcja sklepienia zawiera stalowy pierścień służący do podtrzymywania wyłożenia ogniotrwałego. Na pierścieniu układa się wyłożenie ogniotrwałe w postaci kształtek ( prostopadłościan o nieco mniejszym wymiarze dolnym). Jest to konstrukcja typu samonośnego. Jako materiał ogniotrwały stosuje się kształtki z materiałów wysoko-glinowych ( wysoka zawartość
). Materiał ten charakteryzuje się dużą odpornością na wstrząsy cieplne. W sklepieniu wykonywane są trzy otwory do wprowadzania elektrod oraz jeden otwór do odciągu tzw. gazów odlotowych (pyły i gazy wydzielające się). Nowoczesne sklepienia wykonywane są podobnie jak ściany z elementów chłodzonych wodą. Około 85% powierzchni sklepienia jest zbudowana z elementów chłodzonych wodą. Stosuje się system chłodzenia rurowy lub segmentowy. Każdy segment ma indywidualne zasilanie wodą. Około 15% powierzchni sklepienia wykonuje się jednak z materiałów ogniotrwałych. Jest to element wokół elektrod grafitowych (elektrody są pod napięciem) mogą drgać i lekko przesuwać się od płaszczyzny pionowej. Gdyby ta cześć była metalowa istniało by niebezpieczeństwo zwarcia. Do wykonania tej części stosuje się zazwyczaj materiały których głównym składnikiem jest
. Kształt tego elementu może być różny. Średnica otworów na elektrody jest większa od średnicy elektrod o 20-30 mm. Gwarantuje to swobodne poruszanie się elektrod oraz niewielkie wydostawanie się gazów odlotowych. Integralną częścią sklepienia jest tzw. kruciec odciągowy. Konstrukcyjnie powiązany jest ze sklepieniem. Wykonywany jest w postaci kolan, chłodzony wodą (1-1,5 m) Sklepienie musi mieć możliwość wykonywania ruchów w płaszczyźnie poziomej i pionowej. Z reguły zawieszone jest na specjalnej konstrukcji składającej się z pionowego masztu obok kotła pieca oraz wysięgnika przytwierdzonego do masztu do którego podwieszone jest sklepienie.

Pionowy maszt stanowi zazwyczaj „tłok siłownika hydraulicznego”, który umożliwia podnoszenie i opuszczanie masztu. Konstrukcja musi umożliwiać jednocześnie obrót masztu.

Kocioł pieca łącznie z masztem łącznym sklepienia spoczywa na tzw. kołysce. Jest to element umożliwiający przechylanie pieca w kierunku okna roboczego lub otworu spustowego. Kołyska usadowiona jest na żelbetonowym fundamencie. Istnieją różne rozwiązania konstrukcyjne kołyski (typ zębatkowy, płaski). Cała konstrukcja kotła pieca jest tak wyważona, że samoczynnie znajduje się w postaci pionowej. Przechylenie pieca wymaga użycia siły. Zazwyczaj stosuje się siłowniki hydrauliczne, do odchylania pieca z pozycji pionowej. Do kołyski przytwierdzona jest również tzw. platforma robocza (pomost roboczy).

Cały mechanizm przechyłu pieca sterowany jest automatycznie z pulpitu operatora. Do napędu służy zespół siłowników hydraulicznych, napędzanych olejem.

Układ zasilania w energię elektryczną

Piec łukowy zużywa duże ilości energii elektrycznej. Od sterowania parametrami energii elektrycznej w dużym stopniu zależne jest zużycie tej energii. Stąd układ zasilaania w energię w dużym stopniu decyduje o kosztach wytwarzania. Układ składa się z trzech podstawowych elementów:

1. Transformator piecowy

2. Tor wielkopiecowy

3. Elektrody grafitowe

1. W celu zminimalizowania strat przesyłu energii do pieca stosuje się linię przesyłową o wysokich napięciach: 60 kV, 110 kV, 220 kV. Do realizacji procesu stosowany jest łuk elektryczny, który musi mieć niewielkie napięcie i duże natężenie prądu. W piecach napięcie łuku wynosi zazwyczaj od 300 do 1000 V. Natężenia płynących prądów są rzędu 10 do 100 kA. Aby zamienić parametry energii elektrycznej stosuje się transformator piecowy. Jest on umieszczony w oddzielnym pomieszczeniu. W pomieszczeniu tym znajdują się jeszcze urządzenia pomiarowe i sterujące energią elektryczną. Transformator wykonany jest z uzwojeń: pierwotnego i wtórnego z drutów miedzianych nawiniętych na rdzenie z blach stali magnetycznej. Całość umieszczona jest w pojemniku stalowym i zalana olejem. Uzwojenia wykonane są oddzielnie na każdą fazę przy czym uzwojenie pierwotne wykonywane jest segmentowo z wyprowadzaniem tzw. zaczepów co umożliwia zmianę ilości uzwojenia nawet w czasie pracy pieca, często pod obciążeniem stosuje się kilka do kilkunastu takich zaczepów co umożliwia stosowanie wielu wartości napięć po stronie wtórnej. Dzięki temu można stosować różne napięcia łuku podczas pracy pieca. Uzwojenie wtórne wykonywane jest z kilku, maksymalnie kilkunastu zwojów drutu miedzianego o dużej średnicy. Końcówki zwojów wyprowadzone są na zewnątrz obudowy w postaci szyn miedzianych wykonanych w postaci płaskowników. Uzwojenia są tak skonstruowane, że tworzą trzy szyny wyprowadzające napięcie z trzech faz. Wyprowadzone na zewnątrz szyny stanowią 1 element toru wielkopiecowego. Mają długość 500-1000mm i przekrój 80x20.

2. Tor wielkopiecowy składa się z trzech elementów:

-szyny transformatorowe

-przewody giętkie

-przewody rurowe

Transformator pieca łącznie z szynami jest elementem nieruchomym. Elektrody grafitowe będące ostatnią częścią układu zasilającego, wykonują ruchy podczas pracy pieca. Funkcję połączenia elementów nieruchomych z ruchomymi spełnia tor wielkopiecowy a właściwie tzw. przewody giętkie. Przewody te wykonywane są z linek miedzianych umieszczanych na specjalnym rdzeniu, chłodzonym wewnątrz wodą.

Przewody rurowe są ostatnim elementów toru wielkopiecowego, umieszczone bezpośrednio nad sklepieniem pieca. Umożliwiają doprowadzenie prądu od przewodów giętkich do elektrod. Ta część wykonywana jest z rur miedzianych chłodzonych wodą, przytwierdzonych do tzw. ramion nośnych elektrod. Przewody te są nieruchome względem elektrod. Poruszają się razem z nimi. W najnowszych rozwiązaniach stosowane są tzw. przewodzące ramiona nośne. Wykonywane z miedzi, częściej z aluminium, stanowią jednocześnie element nośny i przewodzący prąd elektryczny.

Wykład 4

3. Przewody rurowe łączą końce przewodów giętkich z elektrodami. Znajdują się bezpośrednio nad sklepieniem pieca w najtrudniejszych warunkach pracy. W klasycznym przypadku przewody te wykonywane są z rur miedzianych chłodzonych wewnątrz wodą (przekrój rur może być okrągły lub kwadratowy o wymiarach 100-300mm). Odcinek ten zakończony jest specjalnym uchwytem do mocowania elektrod. Zazwyczaj uchwyt składa się z obejmy otaczającej elektrodę i szczęki dociskowej obciskanej siłownikiem hydraulicznym. Konstrukcja tej części trzonu wielkopiecowego w płaszczyźnie poziomej jest złożone ze względów elektrycznych.

Stosowane są klasycznie dwa skrajne rozwiązania

1. układ kaplarny

Cechuje się jednakową ..............pojemnościową ze względu na jedną odległość przewodów od ziemi natomiast różną opornością indukcyjną związaną z różną pojemnością między kolejnymi przewodami.

2. układ triagonalny

Cechujący się jednakową opornością indukcyjną i różną opornością pojemnościową układu. Rzeczywiste rozwiązania mają czasami układ kilku rur w każdej fazie przeplatających się wzajemnie tak, ze .....................przewodów rurowych układ zmienia się z kaplarnego w regularny.

Układy te związane są z tzw. symetrią obciążenia pieca. Dąży się aby każda faza przewodów rurowych miała jednakową oporność zastępczą. Dzięki temu prądy płynące w każdej fazie będą jednakowe, parametry płonących łuków będą jednakowe oraz ilość energii w każdej fazie będzie jednakowa. Osiągnięcie takiego stanu w rzeczywistości jest trudne do zrealizowania, w praktyce każdy piec cechuje się pewnym stopniem niesymetrii. Oznacza to, że jedna z faz nazywana fazą wiodącą (mocną) posiada mniejszą oporność i płynący tam prąd jest większy, wydziela się w tej fazie więcej ciepła. Wyróżnia się również fazę tzw. opóźnioną, która cechuje się większą opornością, w której płynie mniejszy prąd, a wydzielające się ciepło w łuku jest najmniejsze. Trzecia faza (obojętna) ma parametry pośrednie. W układzie tym przewody rurowe wiodące prąd spełniają tylko funkcję elektryczną. Funkcję mechaniczną utrzymywania elektrod spełniają tzw. ramiona nośne wykonane z konstrukcji z blach stalowych. Przewody rurowe są wówczas przytwierdzone do ramion nośnych i odizolowane elektrycznie. W nowoczesnych rozwiązaniach stosowane są tzw. przewodzące ramiona nośne . Wykonane są one z miedzi lub aluminium o przekroju kwadratowym. Są one odizolowane elektrycznie od konstrukcji pieca i spełniają jednocześnie funkcję przewodzenia prądu a także funkcję nośną dla elektrod.

Układ zasilania

Piec łukowy zasilany jest energią elektryczną z sieci trójfazowej o wysokim napięciu (30,60,110 kV). Wymogi pracy pieca wymuszają układ zasilania składający się z następujących elementów.

Wyłącznik prądowy, transformator piecowy, czasami dla pieców o małej mocy transformatora zasilającego, szeregowo w układzie włączony jest dławik. Ma on na celu zwiększenie indukcyjności obwodu, szczególnie w początkowej fazie roztapiania złomu, kiedy łuki płoną w niskich temperaturach przy przesuwających się kawałkach złomu w bardzo niestabilnych warunkach. Czym większa indukcyjność tym łuk płonie lepiej.

Najważniejszym urządzeniem w układzie zasilającym jest transformator umożliwiający transformację parametrów dostarczanej energii. Energia od transformatora do łuku doprowadzana jest poprzez tzw. tor wielkopiecowy oraz znajdujące się bezpośrednio w piecu elektrody grafitowe.

Elektrody grafitowe

Ostatnim elementem układu zasilania w energię elektryczną są elektrody grafitowe (grafityzowane). Warunki pracy elektrod są bardzo trudne: wysoka temperatura, utleniające działanie atmosfery pieca, chemiczne oddziaływanie par metali oraz ciekłego żużla, penetracja łuku na trzonie elektrody. Warunkom tym mogą sprostać jedynie elektrody poddane grafityzacji. Elektrody są drogim elementem, zużywają się podczas procesu, a ich koszt jest jednym z ważniejszych podczas wytwarzania stali.

Trzy podstawowe parametry pieca łukowego:

-pojemność pieca

-zużycie elektrod

-zużycie energii elektrycznej

zużycie elektrod 2-3 kg/ tonę stali

Produkcja elektrod

Surowcami do produkcji elektrod są wysokiej jakości węgle antracytowe oraz oleje antracytowe, oleje pakowe (pochodzące z destylacji ropy naftowej) oraz pokruszone odpady elektrod grafitowych. Surowce te w odpowiednich proporcjach oraz odpowiednim składzie ziarnowym stanowią mieszankę produkcyjną. Przygotowaną mieszankę umieszcza się w prasach, gdzie pod wysokim ciśnieniem (100atm) formuje się tzw. odcinki elektrod. Odcinek elektrody ma średnicę z typoszeregu 200-600 mm i długość 2000-2500 mm, waga to 1,5-2 tony. Po uformowaniu odcinki poddaje się wstępnemu suszeniu i nagrzewaniu.

Wykład 5

Maksymalna wielkość ziaren dla elektron do 300mm wynosi 4mm. W elektrodach do 600mm maksymalna wielkość ziarn wynosi 10mm. Z przygotowanych materiałów tworzy się tzw. mieszankę wsadową zawierającą osiemdziesiąt kilka procent węgla antracytowego w odpowiednich ilościach poszczególnych frakcji oraz lepiszcza w postaci oleju antracytowego, lub innych materiałów pochodnych przy produkcji ropy naftowej. Tak przygotowana mieszanka umieszczana jest w specjalnych prasach hydraulicznych, w których następuje formowanie odcinków elektrod. Uformowane odcinki poddawane są wstępnemu wypaleniu w atmosferze obojętnej lub redukcyjnej. Odbywa się to w specjalnych piecach zazwyczaj opalanych gazem wg założonej krzywej opału. Operacja ta trwa od 300 do 400 godzin. Po wypaleniu odcinki elektrod poddaje się grafityzacji.

Przekształcenie węgla pierwotnego w postać grafitu.

Proces ten przeprowadza się w piecach typu Achesona. Źródłem ciepła jest energia elektryczna zamieniana na ciepło pod wpływem przepływu przez opornik, w którym jest grafityzowana elektroda. Elektroda umieszczona jest w specjalnie zaizolowanej komorze, obsypana pyłem grafitowym i podłączona do napięcia. Wymagana do grafityzacji temperatura to 2500÷2800˚C. Czas grafityzacji to 50÷70 godzin. Po grafityzacji odcinki elektrod poddaje się obróbce mechanicznej w celu uzyskania gładkich powierzchni walcowych i wewnętrznych oraz wykonaniu tzw. gniazda służącego do łączenia odcinków. Gniazdo stanowi stożkowy otwór nagwintowany znajdujący się po obu stronach odcinka elektrody. Do łączenia odcinków wykorzystywane są specjalne łączniki mające wymiary i kształt dopasowany do gniazda i są nagwintowane. Ważne jest, aby materiał, z którego robione są łączniki miał te same własności co elektroda. Odcinki elektrod dostarczane są do stalowni jako pojedyncze elementy. Odcinki łączy się w tzw. kolumnę elektrodową (z reguły 3 odcinki), co wykonuje się bezpośrednio w pobliżu pieca.

Własności elektrod grafitowych

1. Gęstość rzeczywista min. 2,2 kg/dm³,

2. Gęstość pozorna 1,5 kg/dm³

3. Oporność właściwa

• do średnicy 300mm 7÷11 [mm²/m]

• pow. średnicy 300 mm 3÷7 [mm²/m]

• Wytrzymałość na ściskanie min. 12 MPa

• Wytrzymałość na zginanie min. 4 MPa

• Utlenialność w temp 600˚C max. 45 [g/m²*h]

Mechanizm zużywania się elektrod

Podczas pracy pieca łukowego elektrody ulegają zużyciu

		Zużycie
Technologiczne				Przypadkowe
końcówki elektrody		pobocznicy elektrody		pęknięcia		złamania		straty na ogarek
oddziaływanie łuku, erozja wskutek działania metalu i żużla		utlenianie		zjawiska mechaniczne, wstrząsy termiczne, niedokładność wykonania połączeń poszczególnych elementów, charakter wsadu itp.

Zużycie technologiczne związane jest z przebiegiem procesu stalowniczego. Stanowi ok. 95% całkowitego zużycia. Zużywanie końcówki elektrody (czoła elektrody) związane jest z oddziaływaniem chemicznym żużla i metalu oraz poruszającym się łukiem elektrycznym.

Końcówka zużywa się praktycznie tylko wtedy gdy płonie łuk. Zużycie to jest proporcjonalne do kwadratu płynącego prądu łuku.

Zużycie pobocznicy wynika z utleniania powierzchni bocznej elektrod pod wpływem gazów będących w przestrzeni roboczej pieca. Zjawisko to zależy od składu chemicznego atmosfery gazowej, temperatury, szybkości przepływu gazów i czasu. Zachodzi ono niezależnie od parametrów prądowych procesu przez cały czas trwania wytopu.

Poza technologicznym zużyciem występuje zużycie tzw. przypadkowe. Jest ono wynikiem złamań, pęknięć i tzw. strat „na ogarek”. Złamania i pęknięcia związane są z jakością elektrod oraz w większym stopniu z jakością i sposobem załadowania złomu do pieca.

Zużycie przypadkowe jest wynikiem niedokładnej pracy obsługi pieca. Powoduje kłopoty technologiczne. Złamany kawałek elektrody dostaje się do kąpieli metalowej, powodując jej nawęglenie. Aby prowadzić proces technologiczny, złamany odcinek elektrody musi być wyjęty z pieca.

Układ sterowania systemu regulacji mocy

Celem regulacji poboru mocy w piecu łukowym jest optymalizacja wykorzystania energii elektrycznej zamienianej na ciepło.

Regulacja poboru mocy może odbywać się przez zmianę napięcia zasilającego transformatora piecowego lub poprzez regulację długości łuku. Długość łuku jest liniową funkcją jego oporności. Regulacja polega więc na sterowanie opornością łuku. W praktyce wykorzystuje się zarówno zmianę napięcia zasilającego w różnych fazach procesu technologicznego jak również reguluje się opornością łuku na zadanym poziomie. Zapotrzebowanie na energię podczas procesu technologicznego nie jest jednakowe. Stąd potrzeba regulacji. Obiektem regulacji jest jedna z trzech faz pieca łukowego. Regulator jest połączeniem urządzeń pozwalającym porównać wartości zmierzone opisujące łuk (napięcie, natężenie) z wielkościami zadanymi i likwidować powstające odchyłki.

Podstawowymi elementami systemu regulacji są:

1. Obiekt regulacji

2. Element pomiarowy i porównawczy

3. Element wzmacniający

4. Mechanizm wykonawczy

5. Element zadający

Powyższe elementy zawarte są we wszystkich systemach regulacji. Elementami uzupełniającymi i stabilizującymi prąd są:

6. Ujemne sprzężenie zwrotne pomiędzy elementem wykonawczym i porównawczym

7. Ujemne sprzężenie zwrotne pomiędzy elementem zwrotnym i porównawczym

8. Element wpływający na efektywność sprzężeń

Wykład 6

Obiektem sterowanym jest piec łukowy z torem wielkoprądowym. Obiekt sterowania współpracuje z systemem sterującym poprzez układ pomiarowy oraz element wykonawczy. Układ pomiarowy stanowi zespół mierników mierzący natężenie prądu, napięcie, moce czynne i bierne, współczynnik mocy. Mierniki podłączone są do układu przez zestaw przetworników prądowych i napięciowych. Zmierzone sygnały przekazywane są do elektronicznego bloku (2). Bezpośrednio przez układ (9). Umożliwia dopasowywanie ich przeliczenie itd. W bloku (5) generowane są zadane sygnały sterujące tzn. takie, które powinny występować w czasie pracy pieca. Sygnały te również przekazywane są do bloku (2). Głównym zadaniem bloku (2) jest porównywanie sygnałów zmierzonych z sygnałami zadanymi oraz wyprowadzenie informacji o powstających różnicach. Wyprowadzona w bloku (2) poprzez układ wzmacniający (3) przekazywana jest do elementów wykonawczych. Element wykonawczy zależnie od otrzymanej informacji generuje sygnał przesuwający elektrodę w takie miejsce, aby zlikwidować powstałą odchyłkę. Element wykonawczy realizuje swoje zadanie poprzez silniki hydrauliczne bądź elektryczne powodujące odpowiedni ruch elektrody. Jeżeli zmierzony sygnał (np. wartość natężenia prądu) jest większy niż zadany, to wypracowana w (2) informacja musi być taka, aby po jej wzmocnieniu spowodowała takie zadziałanie układu wykonawczego aby podnieść elektrodę. Podniesienie elektrody powoduje zwiększenie długości łuku co skutkuje wzrostem jego napięcia a zmniejszeniem natężenia prądu.

Jeżeli zmierzony sygnał jest mniejszy niż zadany, przykładowo natężenie prądu jest zbyt małe, to wypracowana informacja w (2) musi być taka, aby element wykonawczy spowodował przesunięcie elektrody w dół.

Występujący na schemacie bloki (6), (7) i (8) są dodatkowymi elementami bloku sterowania, których zadaniem jest stabilizacja pracy układu:

• dopasowanie szybkości reakcji bloku wykonawczego do różnicy odchyłki,

• dopasowanie czułości układu do aktualnych warunków.

Parametrem sterującym, który podlega regulacji jest napięcie łuku, natężenie prądu, a najczęściej jego oporność. Długość łuku elektrycznego jest funkcją jego napięcia.

Wyposażenie dodatkowe

Poza standardowym wyposażeniem, piec łukowy wyposażony jest w szereg urządzeń dodatkowych, których głównym zadaniem jest intensyfikacja pracy pieca łukowego. O zużyciu energii w piecu łukowym w dużym stopniu decydują straty cieplne. Straty te są wartością praktycznie stałą w czasie trwania procesu (zależą głównie od temperatury) są więc liniową funkcją czasu. O ekonomice wytwarzania stali decyduje więc ilość strat cieplnych czyli czas wytopu. Do urządzeń intensyfikujących zaliczamy:

1. Palniki gazowo-tlenowe

2. tzw. manipulator

3. Palniki dopalające

4. Technologia spienionego żużla

Ad. 1. Kształt pieca łukowego powoduje, że nagrzewanie wsadu jest nierównomierne. Występują miejsca, w których ilość energii pochodząca od łuków jest mała i nagrzewanie wsadu w tych miejscach jest dłuższe. Aby zlikwidować skutki tego zjawiska, montuje się w ścianach pieca dodatkowo palniki gazowo-tlenowe. Palnik zbudowany jest ze współosiowo rur umożliwiających doprowadzenie rurą wewnętrzną gazu ziemnego (w niektórych przypadkach zamiast gazu stosuje się oleje). Rurą zewnętrzną doprowadzany jest tlen, ciśnienie i ilość gazu i tlenu są tak dobierane aby następowało spalanie zupełne z niewielkim nadmiarem tlenu. Na zewnątrz tych dwóch rur są kolejne dwie służące do chłodzenia całej konstrukcji. Palniki umieszcza się w rejonie okna roboczego, w rejonie otworu spustowego oraz pomiędzy elektrodami.

Ad. 2. Manipulator jest urządzeniem składającym się z podstawy, na której umieszcza się zazwyczaj 3 lance mogące wykonywać ruchy we wszystkich płaszczyznach. Umieszczony jest na wózku jezdnym przed oknem roboczym. Lance stanowią zazwyczaj stalowe rury nie chłodzone wodą do których wiązkami doprowadzone są media. W przypadku trzech lanc, jedna z nich służy do wprowadzania do pieca materiałów na bazie węgla (mat. spieniających). Pozostałe lance służą do doprowadzania tlenu gazowego. Lance na manipulatorze pracują w różnych okresach procesu technologicznego. Zazwyczaj jedna lanca tlenowa pracuje przez cały czas trwania roztapiania. Początkowo wdmuchuje się tlen w rejonie okna roboczego na rozgrzany złom, co w wyniku utleniania składników złomu wydziela ciepło w reakcjach egzotermicznych i przyspiesza roztapianie składu. Lanca węglowa i druga tlenowa są wycofane z pieca. Po roztopieniu złomu w większej części wprowadza się do pieca wszystkie lance w taki sposób, aby lanca węglowa była zanurzona w żużlu w pobliżu granicy z kąpielą metalową, lanca tlenowa w kąpieli metalowej i druga lanca tlenowa nad powierzchnią żużla. Ad 3. Są to urządzenia umożliwiające dopalenie wytwarzanego w procesie tlenku węgla do CO₂. Zazwyczaj są to urządzenia umożliwiające albo wdmuchiwanie tlenu gazowego, albo umożliwiające pracę jako palniki gazowo-tlenowe. Są one skonstruowane podobnie jak palniki gazowo-tlenowe, cechują się mniejszą mocą cieplną (jeden palnik 2÷6 MW).

Ad. 4. Technika spieniania żużli ma na celu zwiększenie objętości żużla (a właściwie jego wysokości) bez zwiększania masy żużla. Potrzeba taka wynika ze zwiększenia sprawności procesów, tak aby cała długość łuku była osłonięta żużlem.

Wykład 7

Sprawność przekazywania energii przy wykorzystaniu technologii spienionego żużla.

a) zwarcie - sprawność przenoszenia energii 14% mocy

b) łuk otoczony do połowy spienionym żużlem - 36%

c) łuk całkowicie otoczony spienionym żużlem - 93%

d) częściowe nagrzewanie oporowe - 93÷100%

e) całkowite nagrzewanie oporowe - 100%

Spienianie żużla polega na wprowadzaniu do objętości żużla pęcherzy gazowych powodując zwiększenie (wysokości) objętości żużla bez zwiększania masy żużla.

Kryterium spieniania żużla stanowi parametr spienienia wyrażający możliwość zwiększania wysokości 2, 3 krotne zwiększenie wysokości oraz trwałość spienionej piany (jak długo po spienieniu faza ta może istnieć). Parametry te związane są z:

1. Ilością wytworzonych pęcherzy gazowych

2. Własnościami fizyko-chemicznymi żużla (w zależności od składu chemicznego)

3. Temperatura

Ad. 1. Wytworzenie pęcherzy gazowych może odbywać się:

a) w objętości żużla wg reakcji:


b) Na granicy podziału między metalem a żużlem wg reakcji:


c) W objętości metalu wg reakcji:


d)


Ad. 2. wytworzenie pęcherzy gazowych przechodzących do żużla nie wystarcza, aby żużel się spienił. Wytworzone pęcherze gazowe poniżej poziomu żużla przechodzą do jego objętości, przepływają przez całą jego wysokość i wypływają do atmosfery. O wysokości spienienia decyduje różnica pomiędzy prędkością tworzenia pęcherzy gazowych a prędkością ich wydzielenia się do atmosfery.

Powyższe zjawiska związane są ze składem chemicznym żużla, które określają lepkość i napięcie powierzchniowe, będące decydującymi parametrami o szybkości tworzenia pęcherzy gazowych.

Zależnie od składu chemicznego żużle mogą łatwo ulegać spienieniu lub praktycznie w ogóle nie ulegać spienieniu. Najłatwiej pienią się żużle tzw. zasadowe zawierające w swoim składzie powyżej 50% SiO₂ (?) oraz małe ilości CaO. Żużle wysokozasadowe mają własności do mniejszego spieniania. Z punktu widzenia stalowniczego, żużle niskozasadowe są niekorzystne. Optymalny skład chemiczny żużla stalowniczego, który ma dobre własności stalownicze i ulega spienieniu to:

a) zasadowość (CaO/SiO₂) - 1,5÷2

b) FeO - 20÷30%

c) MnO - 5÷10%

d) P₂O₅ - 1÷2%

Ad. 3. Temperatura w znaczący sposób wpływa na własności fizyko-chemiczne żużla. Jej wzrost powoduje zmniejszenie lepkości i napięcia powierzchniowego, co przyczynia się do zmniejszenia skłonności żużla do spieniania. Spienianie żużla prowadzi się przy niskich temperaturach (1600˚C).

OCHRONA ŚRODOWISKA

Z technologią roztapiania złomu w piecu łukowym związane jest wytworzenie znacznych ilości pyłów oraz gazów (tzw. gazy odlotowe). Wychwycenie powstających pyłów i gazów z pieca łukowego realizowane jest poprzez specjalny układ odciągu gazów przez tzw. czwarty otwór w sklepieniu.

{schemat układu odciągu spalin z pieca łukowego}

1. Komora dopalająca łącznie ze zbiornikiem tzw. grubszych frakcji.

2. Rurociąg częściowo chłodzony wodą.

3. Wentylatory zasilające.

4. Filtry tkaninowe.

5. Komin

Ad. 1. Bezpośrednio w pobliżu pieca usytuowana jest komora dopalająca. Wychwycone z przestrzeni pieca gazy zawierające około 60% azotu, ok. 15% O₂, ok. 10÷15% CO, oraz kilka procent CO₂ oraz ok. 1% do ciężaru wsadu pyłów (z tego 50÷60% FeO, ok. 30% ZnO, ok. 20% C). Zaciągane są poprzez czwarty otwór w sklepieniu do króćca odciągowego, gdzie poprzez szczelinę powietrzną przechodzą do komory spalania. Temperatura gazów uchodzących z pieca to ok. 1700˚C. Zazwyczaj szczelina powietrzna ma możliwość regulacji jej szerokości (200÷400 mm). Poprzez szczelinę zaciągane jest powietrze powodujące dopalenie CO do CO₂. Za szczeliną, zawartość CO w gazach jest rzędu 8÷10%. Komora dopalająca wykonana jest z blachy stalowej wyłożona wewnątrz materiałem ogniotrwałym, zazwyczaj w kształcie walca o średnicy 2÷4 metrów i wysokości 2÷6 m. Wewnątrz znajdują się przegrody wymuszające przepływ gazów.

W górnej części w pobliżu zaciągania gazów umieszcza się palnik gazowo-tlenowy lub lancę tlenową.

Konstrukcja palnika lub lancy musi być taka, aby zawartość CO w gazach po dopaleniu była mniejsza niż 1%.

Wymuszony obieg gazów w komorze wypalającej powoduje wytrącenie się grubszych frakcji pyłów, które osadzają się na dnie komory dopalającej. Dno komory jest tak skonstruowane, aby była możliwość odbierania zgromadzonych pyłów systematycznie.

Po wyjściu z komory dopalającej temperatura gazów jest rzędu 1400÷1500˚C (zawierają poniżej dopuszczalnych wartości CO oraz jedynie drobne frakcje pyłów).

W niektórych przypadkach komora dopalająca konstruowana jest jako wymiennik ciepła. Wówczas ściany komory wykonane są w postaci rurociągu, przez który przepływa woda. Przepływ wody jest tak dobrany, aby powstała para wodna, która przekazywana jest do dalszego wykorzystania. Wówczas część ciepła zawartego w gazach odlotowych wykorzystuje się w sposób użyteczny.

Wykład 8

Ad. 2. Gazy uchodzące z komory dopalającej mają temperaturę rzędu 1000˚C. Aby nastąpiło ochłodzenie ich, buduje się rurociąg odprowadzający o odpowiedniej długości (zależnie od wielkości pieca 200÷400 m). Rurociąg zazwyczaj zbudowany jest z rur stalowych o przekroju kołowym lub prostokątnym.

Ad. 3. Filtry tkaninowe. Na końcu rurociągu odciągowego znajduje się stacji filtrów tkaninowych. Jest zbudowana jako prostopadłościenny zbiornik stalowy, w którym znajduje się zestaw filtrów tkaninowych. Temperatura na wlocie do zbiornika nie może przekraczać 100˚C. Zadaniem tego układu jest wychwycenie z gazów odlotowych wszelkich pyłów i zanieczyszczeń.

Za zespołem filtrów znajduje się zestaw wentylatorów, które wymuszają przepływ gazów odlotowych. Instaluje się zazwyczaj 2 lub 3 wentylatory umożliwiające przepływ gazów z intensywnością od 50÷150 m³/h.

Za wentylatorami znajduje się komin, do którego kierowane są oczyszczone gazy odlotowe.

Gazy uchodzące z komina muszą spełniać odpowiednie normy ochrony środowiska.

Wychwytywane pyły w układzie odciągowym, których masa dochodzi do 1% produkowanej stali (masy stali), zazwyczaj są utylizowane.

Skład chemiczny pyłów zależny jest od rodzaju stosowanego wsadu oraz od technologii. Głównymi składnikami są:

1. FeO - 30÷80%

2. ZnO - 10÷50%

3. CaO - 5÷10%

4. zawartość C rzędu kilku procent

Powstające pyły mają wymiary rzędu setek części milimetra i często celem dalszej utylizacji, bezpośrednio obok stalowni znajduje się stanowisko do grudkowania lub brykietowania. Materiały wychwycone w układzie odciągowym utylizowane są w następujący sposób:

1. dodawane są podobnie do wsadu w piecu łukowym zwarte tlenki żelaza, co w procesie redukowania stanowią źródło żelaza metalicznego. Cząsteczki wapna i węgla są przydatne w procesie. Zawarte w nim tlenki cynku w 100% trafiają do układu odciągowego powodując, że w kolejnym wytopie zawartość tlenku cynku zwiększa się. Po uzyskaniu określonej minimalnej zawartości cynku w pyłach przekazywane są do zakładów produkujących cynk.

2. uzyskane materiały wykorzystuje się w zakładach wielkopiecowniczych jako wsad do taśmy spiekalniczej lub wielkiego pieca, ale tylko wtedy, gdy zawartość cynku jest niewielka.

W nowoczesnych piecach buduje się tzw. systemy kompleksowego osłonięcia pieca od środowiska. Układ taki obejmuje zamknięcie całego pieca w specjalnej komorze, z której w 100% powstające gazy są wychwytywane, która spełnia rolę komory dźwiękoszczelnej. Stosuje się układy typu „dog-house” (obejmuje sam kocioł pieca) i „elephant-house” (zajmuje większą powierzchnię).

Komory te buduje się z blach stalowych wyłożonych wewnątrz materiałem dźwiękochłonnym. W komorach znajduje się przesuwny element - tzw. brama, poprzez którą następuje załadowanie złomu oraz możliwy jest dostęp do obsługi pieca.

UKŁADY PODGRZEWANIA ZŁOMU

Celem zwiększenia sprawności cieplnej pieca prowadzone są prace nad wykorzystaniem energii cieplnej gazów odlotowych. Jednym z rozwiązań jest wykorzystanie ciepła gazów odlotowych do podgrzewania złomu ładowanego później do pieca. Aktualnie istnieje kilka opatentowanych rozwiązań realizujących to zadanie.

PIEC PRĄDU STAŁEGO

Poza klasycznym trójfazowym piecem łukowym stosowane są od niedawna piece prądu stałego. Rozwój tych pieców związany jest z rozwojem techniki urządzeń zasilających o wysokiej mocy.

Technologia

W piecu łukowym możliwa jest produkcja wszystkich gatunków stali. Zależnie od rodzaju produkowanej stali dobierana jest technologia produkcji. Najogólniej technologia obejmuje następujące tematy.

1. Naprawa pospustową

2. Ładowanie wsadu

3. Roztapianie wsadu

4. Świeżenie kąpieli metalowej

5. Odtlenianie i rafinacja kąpieli metalowej

6. Spust

Wykład 9

Stal w piecach łukowych wytwarzana jest ze złomu stalowego, znacznie rzadziej z redukcji bezpośredniej. Postać i rodzaj złomu determinuje wybraną technologię. Podstawowym kryterium doboru technologii jest gatunek wytwarzanej stali.

Wyróżniamy 3 podstawowe grupy technologii wytwarzania stali:

1. Technologia przetwarzania złomu niestopowego przy równoczesnym jego roztapianiu i świeżeniu tlenem gazowym, a uzyskiwany półprodukt poddawany jest dalszej rafinacji w piecokadzi.

2. Technologia odzyskowa przy przetwarzaniu złomu stopowego bez świeżenia tlenem gazowym. Uzyskiwany półprodukt rafinowany jest w urządzeniach metalurgii pozapiecowej, często próżniowych.

3. Technologia przetwarzania złomu wysokochromowego z późniejszą rafinacją w urządzeniach VOD lub konwertorach typu AOD.

Niezależnie od rodzaju technologii, piec łukowy służy do realizacji etapu produkcji od roztopienia złomu, do uzyskania ciekłej kąpieli metalowej (jest to roztwór Fe z C, Mn, Si i innymi pierwiastkami w nim zawartymi).

Uzyskiwanie składu chemicznego dla „gotowej stali” realizowana jest w dalszych etapach produkcyjnych.

Technologie w piecu łukowym obejmują:

1. Naprawa pospustowa.

Przed przystąpieniem do kolejnego wytopu bezwzględnie należy wykonać tzw. naprawę pospustową: a)ocena stanu technicznego wyłożenia ogniotrwałego trzonu i ewentualne usunięcie uszkodzeń, b)ocena stanu elektrod grafitowych i ewentualne wydłużenie kolumny elektrodowej, c)ocena stanu i przygotowanie otworu spustowego, d)ocena stanu wszystkich pozostałych elementów usuwanie drobnych awarii.

Naprawa pospustowa trwa 2-5 minut.

2. Magazynowanie materiałów wsadowych używanych do produkcji.

a) Złom; w przypadku złomu niestopowego stosuje się 1 składowisko na którym gromadzi się złom, segreguje się złom jedynie ze względu na postać. Oddzielnie drobny (wióry z obróbki mechanicznej), średni (kawałki blach, drobne kształtowniki) oraz złom gruby (kawałki dużych kształtowników, fragmenty konstrukcji).

b) Pozostałe materiały (żużlotwórcze, węgiel, żelazostopy) gromadzone są w specjalnych zasobnikach często połączonych z piecem systemem taśmociągów, przekazujących te materiały bezpośrednio do pieca. W stalowniach produkujących stale stopowe, jako wsad używa się różne gatunki złomu stopowego, wówczas składowisko podzielone jest na zasobniki, w których przechowywane są poszczególne gatunki złomu stopowego (związane ze składem chemicznym).

Wsad do pieca ładowany jest przy użyciu tzw. koszy załadowczych. Kosz ma kształt

walca zakończonego u dołu zamknięciem typu lamelowego lub łupinowego. Kosze ładowane są na składowisku i następnie przewożone nad piec do załadowania. Celem zoptymalizowania roztapiania złomu, złom do kosza musi być załadowany w sposób odpowiedni. Złom lekki umieszczany na dnie i na powierzchni ma zadanie zamortyzowania upadku złomu do pieca w czasie ładowania i ochrony wyłożenia ogniotrwałego trzonu. Złom lekki w górnej części, umożliwia szybkie roztopienie i przesunięcie łuków w głąb, aby zminimalizować oddziaływanie łuków na sklepienie. Złom średni po obrzeżach ma zadanie ochrony ścian pieca w czasie ładowania i później nie zsuwania się złomu w czasie roztapiania.

W środkowej części kosza, umieszczany jest złom gruby o największych gabarytach. Ta część złomu wymaga największych mocy elektrycznych najdłuższego czasu. Tak przygotowany złom w koszu po załadowaniu do pieca ma podobny rozkład.

Średni ciężar nasypowy złomu wynosi 0.8 - 1.5 Mg/m3. Po roztopieniu objętości metalu zmniejsza się 5-6 krotnie, stąd całą masę złomu, jaką należy załadować dzieli się na 2 lub 3 części. Każdą część ładuje się do pieca oddzielnie. Łącznie ze złomem do pierwszego kosza dodawane są materiały żużlotwórcze i węglonośne ( ok. 1% masy złomu stanowi wapno). Materiały węglonośne mają zwiększyć zawartość węgla w kąpieli metalowej do około 0.6%.

Po załadowaniu złomu z kosza do pieca, przykrywa się sklepienie, opuszcza elektrody, załącza napięcie i rozpoczyna roztapianie.

Program mocy ma zoptymalizować warunki roztapiania złomu. Na początku łuk elektryczny płonie w górnej części w pobliżu sklepienia pieca. W celu ochrony sklepienia na początku stosuje się mniejsze moce łuku: 80% max. Taką moc stosuje się przez około 1-2 min, aż topiący się złom spowoduje przesunięcie się łuków poniżej sklepienia.

Moc: 80% - 150 kWh, 100% - 240 kWh.

Drugim etapem jest roztapianie głównej masy wsadu, kiedy łuki płoną w środkowej części pieca, osłonięte są złomem, wówczas stosuje się maksymalna moc elektryczną. Cała energia wydzielana w łuku przekazywana jest do roztopionego złomu.

Po roztopieniu głównej masy wsadu, płonące łuki nie są osłonięte. Wówczas zmniejsza się moc łuku, tak aby ograniczyć oddziaływanie na ściany i inne elementy pieca. Pracuje się wówczas mocą np. 70% mocy maksymalnej. Z taką mocą pracuje się albo przez założony czas np. 3 min albo do momentu zużycia określonej porcji energii. W końcowej części roztapiania złomu, kiedy praktycznie duża część energii może być tracona do nagrzewania ścian, garu itd., jeszcze zmniejsza się moc łuku np. do 40% mocy maksymalnej i realizuje się tzw. dotapianie. Etap roztapiania trwa ok. 20-30 min. Po tym wyłącza się napięcie, podnosi elektrody i sklepienie i następuje ładowanie kolejnej porcji złomu. Procedura roztapiania jest podobna. Taka procedura stosowana jest do technologii bez spienienia żużla. Technologia ze spienianiem żużla w sensie elektrycznym jest prostsza. Roztapianie każdego kosza ma dwa etapy:

1. Początkowy z mocą około 80% mocy maksymalnej dla ochrony sklepienia.

2. Pozostałą część roztapiania prowadzi się z mocą maksymalną. Od momentu odsłonięcia ścian stosuje się spienianie żużla, dzięki czemu cała energia wydzielona w łuku pozostaje w żużlu i kąpieli metalowej i nie ma potrzeby zmniejszania mocy. Po całkowitym roztopieniu złomu przerywa się na chwilę łuki po to, aby zmniejszyć temperaturę oraz pobrać próbkę metalu do analizy na skład chemiczny.

W czasie roztapiania złomu następuje tworzenie kąpieli metalowej oraz rozpoczyna się przebieg reakcji chemicznych.

Wykład 10

Początkowo roztapianie złomu odbywa się pod elektrodami, pionowo w kraterach o średnicy nieco większej od średnicy elektrod. Po osiągnięciu przez elektrody poziomu tworzącej się ciekłej kąpieli metalowej, rozpoczyna się roztapianie wszerz. Ten pierwszy etap roztapiania, cechuje się niestabilną pracą łuków, następują częste zerwania łuku i ponowne jego zajarzenie. Czas takiej pracy wynosi około 5 min. Po osiągnięciu przez elektrody poziomu kąpieli metalowej, praca łuków stabilizuje się. Przez cały ten czas stosuje się maksymalna moc łuków, jaką zapewnia transformator zasilający. Od momentu osiągnięcia przez elektrody poziomu kąpieli metalowej, rozpoczyna się proces intensyfikacji roztapiania. Polega ona na :

1.stosowaniu palników gazowo-tlenowych.

2.wdmuchiwanie tlenu gazowego. Zazwyczaj przez okno robocze wdmuchuje się przy użyciu lancy tlenowej tlen gazowy, kierując go w rejony zimnych stref.

3.Spienianie żużla. W okresie roztapiania rozpoczyna się proces metalurgiczny utleniania składników kąpieli metalowej oraz tworzenia żużla. Ponieważ złom stalowy zawiera w swym składzie głównie żelazo, w pierwszej kolejności następuje utlenianie żelaza.

3[Fe]+3/2{O2}=3(FeO)

Jest to reakcja egzotermiczna z wydzieleniem dużych ilości ciepła.

Tlenek żelaza w temperaturze procesów w piecu często ulega dalszemu utlenieniu według reakcji:

3(FeO)+1/2{O2}=(Fe3O4)

Reakcja taka zachodzi do momentu bezpośredniego kontaktu FeO z tlenem gazowym.

Tlenek Fe3O4 cechuje się łatwością odparowania w temp. Procesu, stąd w I fazie roztapiania złomu , w przypadku stosowania tlenu gazowego z pieca wydzielają się znaczne ilości par Fe3O4 (tzw. brunatne pyły). W tym okresie przy intensywnym wdmuchiwaniu tlenu może dojść do strat 0,5-1% Fe. Powstające pyły wychwytywane są w układzie odciągu gazów. Jednocześnie z utlenianiem żelaza, rozpoczyna się utlenianie innych składników wsadu.

1.Krzem [Si] + 2[O] = (SiO2)

Krzem utlenia się praktycznie całkowicie z kąpieli metalowej. Jest to reakcja silnie egzotermiczna.

Tworząca się krzemionka rozpuszcza się tylko w powstałym wcześniej tlenku żelaza. Tworzy się tzw. fajalit: 2FeO*SiO2.

Przy wysokiej zawartości krzemionki w roztworze tworzącego się żużla następuje tworzenie kompleksowego jonu SiO₄^4- według reakcji:

(SiO2)+(2O^2-) = (SiO₄^4-)

Ciekły żużel jest roztworem kationów metali i anionów pojedynczych lub kompleksowych. Przy małej zawartości krzemu, SiO2 jest w postaci kationu Si²⁺ i anionu O^2-.

Przy większych zawartościach krzemionki, tworzy się anion kompleksowy SiO₄^1- lub inne kompleksy.

Drugim składnikiem wsadu utleniającym się w sposób znaczący jest Mn. Około 50% Mn utlenia się:

[Mn] + [O] = (MnO)

Jest to również reakcja egzotermiczna, ale ilość ciepła wydzielonego jest znacznie mniejsza. Tworzący się tlenek MnO ma własności zbliżone do FeO. W znacznym stopniu utlenia się również zawarty ewentualnie we wsadzie chrom.

2[Cr] + 3[O] = (Cr2O3)

Pozostałe składniki wsadu, mające powinowactwo do tlenu większe niż żelazo (Mo, wolfram, wanad) również ulegają utlenieniu w procesie roztapiania, w analogiczny do manganu czy chromu sposób.

Inne składniki wsadu, których powinowactwo do tlenu jest mniejsze niż do żelaza (Ni, Cu) nie ulegają utlenieniu i w takiej ilości, w jakiej były we wsadzie znajdą się w gotowej stali.

Jednym z głównych zadań procesu stalowniczego jest usunięcie pierwiastków szkodliwych: fosfor i siarka.

Utlenienie siarki i fosforu rozpoczyna się już w procesie roztapiania wg. rekacji:

2[P] + 5[O] = (P2O5)

[S] + (O^2-) = (S^2-) + [O]

Utlenianie fosforu zachodzi bardzo łatwo w procesie stalowniczym, ale bardzo łatwo następuje ponowna redukcja. Wynika to głównie z temperatury. W niższych temp. utlenia się fosfor. Zawartość P2O5 zazwyczaj nie przekracza 1%. Utlenić możemy do 50% fosforu zawartego we wsadzie. W metalurgii stosuje się pojęcie
tzw. stopnia odfosforowania.

Często do oceny stopnia odfosforowania używa się odwrotności
czyli
.

Czym większa wartość
tym lepszy stopień odfosforowania. Jeżeli zawartość
w żużlu przekracza 0,5% to tworzy się amon kompleksowy (PO₃^3-).

Celem zwiększenia stopnia odfosforowania tworzący się anion kompleksowy PO₃^3- wiąże się w sposób trwały z kationem wapnia Ca²⁺.

Siarka utlenia się w procesie stalowniczym inaczej niż inne pozostałe składniki. Jest to reakcja wymiany anionów na powierzchni podziału metalu z żużlem wg. schematu:

[S] + (O^2-) = (S^2-) + [O]

Siarka nie tworzy żadnego tlenku ani anionu kompleksowego w żużlu.

W celu związania chemicznego tworzących się anionów siarki lub fosforu, żużel powinien zawierać „wolne kationy” odpowiednich pierwiastków. Najbardziej korzystnym jest kation wapnia Ca²⁺, stąd do tworzenia żużla w procesie stalowniczym używa się w odpowiednich ilościach wapna palone, których głównym składnikiem jest CaO. CaO w ciekłym żużlu ulega rozpadowi na kation Ca²⁺ i anion O^2-.

Jony te reagują z innymi składnikami żużla tworząc trwałe związki.

Przykładem takiej reakcji jest:

[S] + (CaO) = (CaS) + [O]

W okresie roztapiania wsadu rozpoczyna się również proces utleniania węgla zawartego we wsadzie. Zjawisko to nosi nazwę świeżenia kąpieli metalowej. Utlenianie węgla zachodzi według reakcji [C] + [O] = {CO}.

Węgiel jest jedynym pierwiastkiem który utleniając się w czasie reakcji wytwarza fazę gazową. Jest to reakcja egzotermiczna z dużą ilością wydzielanego ciepła. Tworzący się produkt gazowy powoduje intensywne mieszanie kąpieli metalowej oraz mieszanie i spienianie żużla. Jest to reakcja heterogeniczna zachodząca na granicach faz, ale ma możliwość zachodzenia praktycznie w całej objętości kąpieli metalowej.

Zjawisko świeżenia jest bardzo korzystne z metalurgicznego punktu widzenia:

1.Umożliwia ujednorodnienie składu chemicznego w całej objętości.

2.Ujednorodnienie temperatury.

3.Zwiększa się powierzchnia podziału metal-żużel.

Korzystne warunki świeżenia występują jeśli utleni się co najmniej 0,3%C. Stąd we wsadzie często zwiększa się zawartość węgla dodając specjalne materiały ( surówka żelaza, węgiel, koks i inne ). W ostatnich latach zjawisko to ma mniejsze znaczenie, do „zamieszania kąpieli metalowej” stosuje się gaz obojętny wdmuchiwany do objętości kąpieli metalowej poprzez specjalne kształtki gazo-przepuszczalne umieszczone w trzonie pieca.

Okres roztapiania każdego kosza trwa 15-20 min zależnie od mocy transformatora zasilającego oraz zakresu intensyfikacji. W sumie okres roztapiania trwa 40-60 min. Okres roztapiania kończy się pobraniem próby w celu określenia składu chemicznego metalu oraz pomiarem temperatury. W okresie roztapiania zużywa się około 20 m³ tlenu gazowego (teoretycznie: 400-450 kW/h).

Wykład 11

Świeżenie kąpieli metalowej.

Okres świeżenia kąpieli metalowej obejmuje podawanie tlenu w postaci gazowej ( w niektórych przypadkach źródłem tlenu w kąpieli metalowej jest ruda żelaza).

Celem etapu świeżenia jest doprowadzenie tlenu do kąpieli metalowej potrzebnego do utlenienia składników kąpieli metalowej. Utleniamy głównie węgiel. Efektem utleniania jest gazowe CO powstawanie którego powoduje intensywne mieszanie kąpieli metalowej ( w niektórych przypadkach stosowane są w dnie kształtki gazo-przepuszczalne poprzez które wdmuchuje się gaz obojętny, czasami tlen i gaz ziemny dzięki czemu wywołuje się mieszanie kąpieli metalowej).

Mieszanie kąpieli ma na celu ujednorodnienie składu chemicznego, wyrównanie temperatury w całej objętości oraz zwiększenie powierzchni kontaktu pomiędzy ciekłym metalem a żużlem. Prawie wszystkie reakcje chemiczne zachodzące w procesie stalowniczym zachodzą na powierzchni podziału kąpiel metalowa-żużel. Zakres i szybkość tych reakcji zależy od wielkości powierzchni.

Mieszanie kąpieli metalowej intensyfikuje reakcji chemicznych, ma przyspieszyć reakcje utleniania składników kąpieli. Celem jest utlenienie składników niepożądanych. Głównie siarka i fosfor. Niejako przy okazji utleniają się inne składniki, których powinowactwo do tlenu jest większe niż żelaza: Si, Mn, Cr.

Usunięcie szkodliwych pierwiastków możliwe w procesie stalowniczym tylko tą metodą. Aby reakcje utleniania fosforu i siarki „zachodziły skutecznie” należy spełnić dodatkowo kilka warunków:

1. Fosfor 2[P] + 5[O] = (P₂O₅)

Utlenianie fosforu jest reakcją odwracalną zależną w dużym stopniu od temperatury. W niższych temperaturach łatwiej zachodzi utlenianie, ze wzrostem temperatury utlenianie następuje w mniejszym stopniu i występuje możliwość ponownej redukcji.

W związku z tym w początkowym okresie po roztopieniu wsadu utleniony fosfor, który w postaci P₂O₅ przeszedł do żużla musi zawierać tzw. wolne związki CaO, które reagują z P₂O₅

tworząc trwałe układy typu yCaO * x P₂O₅

Inną możliwością zapobieżenia tzw. redukcji zwrotnej jest wymiana żużla. Operacja ta polega na lekkim przechyleniu pieca w kierunku okna roboczego i usunięciu żużla zawierającego utlenione P₂O₅ , naprowadzeniu nowego żużla CaO, który będzie w stanie wchłonąć kolejne porcje P₂O₅.(możemy uzyskać fosfor na poziomie 0,005%P)

2.Siarka- reakcja przechodzenia siarki z metalu do żużla związana jest z tzw. wolnymi jonami tlenu w żużlu:

[S] + (O^2-) = [O] + (S^2-)

Przebieg reakcji w mniejszym stopniu zależny jest od temperatury. Ilość wolnych jonów tlenowych w żużlu wynika z zawartości Ca w żużlu. Jedynie CaO w żużlu dysocjuje

na Ca²⁺ + O^2- dostarczając tzw. wolnych jonów tlenowych. Inne składniki żużla, głównie krzemionka przyczyniają się do wiązania tlenu zmniejszając poziom wolnych jonów tlenu.

Z powyższego wynika, że głównym warunkiem usunięcia fosforu i siarki jest utworzenie żużla o odpowiednich własnościach. Im więcej CaO w żużlu a mniej SiO2 tym warunki do odfosforowania i odsiarczenia są lepsze. Jednym z głównych parametrów opisujących żużel jest tzw. zasadowość
^. Im większe V tym lepsze warunki do odfosforowania.

W praktyce zasadowość żużla w zakresie 1,5-2,5 gwarantuje uzyskanie niskiej temperatury topienia żużla i stosunkowo dużej ilości wolnych jonów tlenowych.

Wykład 12

Rafinacja kąpieli metalowej.

Ten etap technologiczny realizowany jest tylko w przypadku małych, starszej konstrukcji pieców łukowych. Obejmuje on:

1. Odtlenienie kąpieli metalowej.

Etap świeżenia polegający na wprowadzeniu do kąpieli metalowej tlenu wprawdzie utlenia składniki kąpieli metalowej, ale jednocześnie przyczynia się do wzrostu poziomu tlenu w kąpieli metalowej (może dochodzić do 500-600 ppm).

Odtlenianie realizowane jest poprzez dodanie do kąpieli metalowej, składników o powinowactwie do tlenu większym niż żelazo. W pierwszym etapie odtlenianie stosuje się głównie żelazo- krzemem FeSi, żelazo-manganem Fen lub FeSiMn.

Żelazostopy stosuje się w postaci kawałkowej dodając je metodą wrzucania do kąpieli metalowej. Czasami stosowane są tzw. brykiety aluminiowe.

Reakcje odtleniania są analogiczne jak przy świeżeniu kąpieli metalowej. Ilość żelazostopów zależna jest od poziomu tlenu w kąpieli metalowej oraz rodzaju stosowanego odtleniacza.

2.Po odtlenieniu następuje etap uzupełniania składu chemicznego kąpieli metalowej. Ma on na celu uzyskanie zawartości poszczególnych składników na zadanym poziomie, zależnym od gatunku produkowanej stali. W praktyce etap ten obejmuje pobranie próby i oznaczenie zawartości poszczególnych składników w kąpieli, obliczenie potrzebnych dodatków, dodanie tych dodatków do kąpieli, odczekanie od kilku do kilkunastu minut, ponowne pobranie próby celem sprawdzenia i uzyskania poprawnej zawartości.

3.W okresie rafinacji zachodzą również reakcje utleniania składników kąpieli metalowej, zachodzą często w objętości kąpieli, których produktem są fazy tlenkowe zawarte w jej objętości, stąd konieczność usunięcia tych faz tlenkowych do żużla.

Etap ten wymaga albo długiego czasu potrzebnego do wypłynięcia wtrąceń niemetalicznych, albo mieszania kąpieli metalowej, aby zjawisko wypływania przyspieszyć.

Jednym z ważniejszych zadań w okresie rafinacji jest uzyskanie żużla o odpowiednich własnościach. Najważniejszym jest uzyskanie poziomu FeO poniżej 1% oraz zasadowości na poziomie 2.

4.Uzyskanie odpowiedniej temperatury do prawidłowego spustu kąpieli metalowej i późniejszego odlewania.

Przed spustem pobiera się metalu i w zależności od wyniku dokonuje końcowej korekty składu chemicznego.

Ostatnią operacją rafinacji jest końcowe odtlenianie kąpieli metalowej. Realizowane jest zazwyczaj przy użyciu aluminium.

Spust

Ostatnim etapem technologicznym jest spust kąpieli metalowej. Dokonuje się go do kadzi ustawionej pod piecem albo poprzez rynnę spustową albo otwór trzonowy.

W okresie spustu występuje bezpośredni kontakt ciekłej kąpieli z atmosferą powietrza. W tym momencie zachodzi częściowe utlenienie składników kąpieli metalowej albo wchłonięcie tlenu. Stąd ważne aby czas spustu był jak najkrótszy a strumień metalu zwarty. Do kadzi przed spustem dodaje się materiały żużlotwórcze oraz odtleniające tak aby kąpiel metalowa została pozbawiona tlenu i pokryta jak najszybciej żużlem.

W nowoczesnym piecu łukowym szczególnie produkującym stale zwykłej jakości, proces technologiczny kończy się na roztopieniu złomu z maksymalną prędkością i maksymalnymi metodami intensyfikującymi. Nie przeprowadza się etapu świeżenia i rafinacji. Etap uzyskiwania odpowiedniego składu chemicznego realizowany jest w urządzeniach pozapiecowych ( głównie piecokadź).

---