Produkcja stali – historia i przegląd cz. X - „Elektryczny piec łukowy – łuk elektryczny”

Znajomość działania podstawowych urządzeń wykorzystywanych przy wytopie stali jest ważnym elementem metalurgii i procesów produkcyjnych stali. Między innymi poniżej pozwoliłem sobie przybliżyć rolę i działanie łuku elektrycznego, który jest nieodzownym elementem konstrukcyjnym w elektryczny piecu łukowym.

W elektrometalurgii nastąpił decydujący przewrót związany z zastosowaniem transformatorów dużej mocy, które umożliwiły zbliżenie wydajności elektrycznych pieców łukowych do wydajności konwertorów tlenowych. Łukowy piec elektryczny jest urządzeniem, w którym zamiana energii elektrycznej w cieplną odbywa się w łuku elektrycznym. Nagrzewanie materiałów 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.

Nagrzewanie łukowe jest to nagrzewanie elektryczne oparte na efekcie Joule’a w gazach dopływających swobodnie do przestrzeni wyładowczej. Łukiem elektrycznym nazywa się wyładowanie powodowane termoemisją, emisją pod wpływem pola elektrycznego, a także wyładowanie, podczas którego wymienione rodzaje emisji występują równocześnie. Zapoczątkowanie wyładowania uzyskuje się różnymi sposobami w zależności od ciśnienia gazu, wartości prądu, konstrukcji i przeznaczenia urządzenia łukowego. Wyładowanie łukowe wielkoprądowe inicjowane jest najczęściej w wyniku zwarcia elektrod. Tego rodzaju zwarcie nosi nazwę eksploatacyjnego. Łuk jest więc w pierwszym rzędzie źródłem ciepła, lecz także źródłem promieniowania świetlnego i akustycznego. Przedstawia on sobą plazmę o równomiernej koncentracji elektronów i jonów dodatnich. Moce łuków wielkoprądowych sięgają wartości 100 MW, ich temperatury są zależne głównie od składników atmosfery o najniższych potencjałach jonizacji, a ponadto od natężenia prądu, średnicy kolumny łukowej, warunków odpływu ciepła oraz od ciśnienia, które przyjmuje wartości od atmosferycznego do 0,5 Pa (w łukowych piecach próżniowych). Temperaturę łuku z pewnym przybliżeniem T, można określić przy użyciu formuły
T = 800U

gdzie U jest potencjałem jonizacji gazu w obszarze wyładowania wyrażonym w V. Potencjały jonizacji gazów zawierają się w przedziale 3,87¸24,5 V, temperatura łuku może więc osiągać T = 20000 K (przy ciśnieniu atmosferycznym i w warunkach swobodnego wypromieniowania energii z kolumny). W piecach łukowych do produkcji stali (stalowniczych piecach łukowych) pracujących przy ciśnieniu atmosferycznym, temperatura kolumny łuku jest rzędu 8000 K.

Łuk bezpośredni prądu przemiennego w urządzeniach do wytwarzania stali występuje w układzie elektroda grafitowa – wsad stalowy w stanie stałym lub ciekłym Wsad stanowi punkt zerowy odbiornika złożonego z trzech łuków zasilanych za pośrednictwem toru wielkoprądowego z trójfazowego transformatora obniżającego napięcie do kilkudziesięciu – kilkuset woltów. Prądy łuku o wartościach przekraczających 100 kA nie należą do rzadkości.

Rys.1. Łuki bezpośrednie w stalowniczym urządzeniu łukowym.
(1- transformator, 2- tor wielkoprądowy, 3-elektroda, 4-łuk, 5-wsad)

W zależności od stosowanej technologii wytwarzania stali, w czasie prowadzenia procesu w łukowym piecu elektrycznym, wielokrotnie zmienia się wielkość mocy doprowadzanej do pieca oraz parametry elektryczne jej doprowadzania. Podążając dalej, możemy stwierdzić, że w zależności od doprowadzania mocy i jej ilości, zmienia się ilość wytwarzanego ciepła. Problem właściwego kierowania strumieniem cieplnym jest jednym z ważniejszych zagadnień prowadzenia wytopu. Moc łuku elektrycznego zależy od jego natężenia i napięcia. Ilość wydzielanego przez łuk ciepła można zmieniać, regulując natężenie przepływu prądu lub napięcie łuku. Zmiana napięcia powoduje zmianę długości łuku dla danych warunków otoczenia.

Zastosowanie transformatorów o szczególnie dużej mocy (UHP – UltraHigh Power) umożliwiło zwiększenie mocy doprowadzanej do pieca, co pośrednio wiążę się ze zwiększeniem długości łuku elektrycznego. Zwiększenie długości łuku elektrycznego może mieć negatywne skutki, głównie na sam piec. Im większa długość łuku elektrycznego, tym większa ilość wydzielanego przez łuk ciepła, co umożliwia przekazywanie do wsadu, lub kąpieli metalowej, większej ilości ciepła, jednak także powoduje większe obciążenia cieplne ścian i sklepienia pieca elektrycznego. Może ten efekt zostać wyeliminowany, stosując spieniony żużel. Grubość warstwy żużla powinna być większa od odległości między ciekłym metalem a końcem elektrody, przy której następuje zapalenie łuku – tzw. odległość zapalenia łuku). Przyjmuje się warunki:

• nierozgałęziony łuk – grubość warstwy żużla nieznacznie większa od odległości zapalenia łuku,
• półrozgałęziony łuk – grubość warstwy żużla w przybliżeniu równa 1,5 do 1,7 odległości zapalenia łuku,
• rozgałęziony łuk – grubość warstwy żużla powinna być co najmniej dwukrotnie większa od odległości zapalania łuku.

W niniejszym artykule ograniczyłem się do omówienia teoretycznej wiedzy na temat łuku elektrycznego w elektrycznym piecu łukowym, następnym razem skupię się na samych procesach zachodzących podczas wytopu stali w tym piecu. Tymczasem zapraszam do zapoznania się z filmikami na stronie youtube.com, gdzie jest wiele ciekawych materiałów filmowych, pokazujących zasadę działania elektrycznego pieca łukowego (np. http://www.youtube.com/watch?v=G6Uxh-xtU-g).

Literatura:
1. Encyklopedia BAT
2. Teresa Lis „Współczesne metody otrzymywania stali”
3. Mazanek T. „Elektrometalurgia stali”
4. Czasopismo „Hutnik” – 1991, nr 10 (Garbarz B.) oraz 1998, nr 3 (Turczyn S.)
5. Internet, www.freewebs.com

Grzegorz Bielski, Ambasador Klubu ArcelorMittal AGH.