Produkcja stali – historia i przegląd cz. IX - „Elektryczny piec łukowy – wykorzystanie energii elektrycznej do wytwarzania stali”

Jak mogliśmy się przekonać historia wytopu i produkcji stali jest mocno złożona i zawiła. Generalnie można stwierdzić, że wytapianie stali przeprowadza się w piecach martenowskich – stary proces, konwertorach i piecach elektrycznych.Jednak w nowoczesnych instalacjach hutniczych dominują piece konwertorowe, łukowe, próżniowe, pozwalające na uzyskanie najwyższej jakości stali.

Obecnie w świecie dominują dwa sposoby wytwarzania stali. Pierwszy sposób wytwarzania realizowany jest w tak zwanych hutach zintegrowanych, wytwarzających surówkę żelaza w wielkich piecach i przerabiających ją na stal w konwertorach tlenowych z udziałem złomu stalowego. Druga metoda wytwarzania stali realizowana jest w oparciu o złom stalowy w procesie elektrycznym w stalowniach wyposażonych w piece łukowe. W stalowniach elektrycznych stal wytwarzana jest ze złomu stalowego w łukowych piecach elektrycznych. W wyniku wieloletnich rozwojowych prac nad procesem otrzymywania stali, upowszechnił się układ technologiczny składający się z roztapiania złomu stalowego i świeżenia (utleniania domieszek) kąpieli metalowej w łukowym piecu elektrycznym, rafinacji i wykańczania (końcowej regulacji składu) w urządzeniach do pozapiecowej obróbki ciekłej stali i jej odlewania metodą ciągłą.

Rys.1. Przekrój łukowego pieca elektrycznego chłodzonego wodą z dolnym spustem (eletric arc furnace with water cooled panels and eccentric bottom tapping)

Łukowy piec elektryczny jest urządzeniem, w którym zamiana energii elektrycznej w cieplną odbywa się w łuku elektrycznym. Nagrzewanie materiałó w można przeprowadzić bezpośrednio – jeżeli łuk płonie między elektrodami a nagrzewanym materiałem – lub pośrednio, jeśli łuk płonie między elektrodami i promieniuje na nagrzewane materiały. Znaczenie przemysłowe ma nagrzewanie bezpośrednie.

Konstrukcja typowego elektrycznego pieca łukowego składa się:

• Układu posadowienia pieca.
• Pancerza.
• Trzonu.
• Ścian bocznych.
• Sklepienia.
• Toru wielkoprądowego.
• Kolumn nośnych z ramionami elektrod.
• Elektrod

W klasycznym ujęciu kocioł składa się ze stalowego pancerza wyłożonego wewnątrz materiałem ogniotrwałym. Pancerz stalowy stanowi konstrukcję nośną, wykonywany jest z blach o grubości 20-40mm, wzmocniony najczęściej użebrowaniem. W pancerzu wykonane są dwa otwory - jeden na otwór spustowy, drugi na tzw. okno robocze. Dolna część kotła ma kształt czaszy, tzw. trzon pieca, główna część to tzw. ściany. Wyłożenie ogniotrwałe trzonu wykonywane jest następująco: pierwsza warstwa ułożona bezpośrednio na pancerzu, tzw. warstwa izolacyjna wykonywana jest ”z twardych wełn mineralnych”, najczęściej na bazie Al2O3¬ , jej grubość to ok 20-40mm. Na tej warstwie umieszcza się warstwę podstawową wykonywaną z kształtek magnezytowych, ułożonych na suchej zaprawie. Na niej wykonuje się warstwę roboczą z magnezytu metodą ubijania. Całkowita grubość warstwy ogniotrwałej trzonu wynosi 50-100cm. Otwór spustowy to kształtka magnezytowa o grubości równej grubości trzonu, przekroju kwadratowym 200×200mm oraz okrągłym otworze pionowym. Sklepienie stanowi przykrycie kotła od góry, dla małych pieców wykonuje się z materiałów ogniotrwałych alundowych (na bazie Al2O3¬ ) konstrukcyjnie po obrzeżach sklepienia jest kształtownik sklepienia jako element nośny, na nim układa się kształtki alundowe. W dużych piecach sklepienia wykonuje się w postaci elementów chłodzonych wodą, analogicznie jak dla ścian. Część chłodzona wodą zajmuje ok 85% powierzchni sklepienia, środkowa część, w której znajdują się otwory na elektrody wykonywana jest z materiałów ogniotrwałych w postaci jednego elementu z betonu ogniotrwałego. W sklepieniu znajduje się ponadto otwór do odciągu gazów i pyłów.

W dobie dzisiejszej piec łukowy do produkcji stali jest, obok konwertora tlenowego, podstawowym agregatem metalurgicznym. W skali globalnej w piecach łukowych wytwarzało się w 1987 r. 26,5% stali, przy czym w większej części była to stal wysokiej jakości. Niektóre kraje oparły produkcję tego stopu w bardzo dużym stopniu, a nawet wyłącznie na piecach elektrycznych, wśród których dominują piece łukowe (Dania, Irlandia, Nowa Zelandia w 100%, Wenezuela - 84,9% Hiszpania - 58,4%, Norwegia - 56,9%, Włochy - 51,8%, Szwecja - 49,4%, Argentyna - 46,5%, Turcja - 44,9%, USA - 37,7%, Bułgaria - 35%). Nic też dziwnego, że stalownicze urządzenia łukowe osiągnęły ogromne pojemności i moce. Funkcjonują już urządzenia o mocach 200 MV-A z piecami o pojemnościach 360 Mg.

Elektrostalownie pracujące na terenie Polski:

• Huta Batory S.A. w Chorzowie,
• CELSA „Huta Ostrowiec” Sp. z o.o. (dwie stalownie) w Ostrowcu Świętokrzyskim,
• CMC Zawiercie S.A. w Zawierciu,
• Huta Stali Częstochowa Sp. z o.o. w Częstochowie,
• FERROSTAL Łabędy Sp. z o.o. w Gliwicach,
• Huta LW Sp z o.o. w Warszawie,
• HSW - Huta Stali Jakościowych Sp. z o.o. w Stalowej Woli

Literatura:
1. Encyklopedia BAT
2. Teresa Lis „Współczesne metody otrzymywania stali”
3. Czesław Podrzucki „Piece i urządzenia metalurgiczne stosowane w odlewnictwie”
4. www.ropczyce.com – źródło zdjęcia

Grzegorz Bielski, Ambasador Klubu ArcelorMittal AGH.