5

5

NAGRZEWANIE ŁUKOWE

5.1. Zasady nagrzewania łukowego

5.1.1. Rys historyczny

Nagrzewanie łukowe jest to nagrzewanie elektryczne oparte na efekcie Joule'a w gazach
dopływających swobodnie do przestrzeni wyładowczej.

Prace dotyczące wykorzystania łuku elektrycznego do celów technologicznych

rozpoczęły się w połowie XIX wieku, kiedy to Francuz Marcel Déprez zbudował pierwsze
laboratoryjne urządzenie łukowe do topienia materiałów ogniotrwałych. Spośród badaczy
tworzących podwaliny tej metody nagrzewania należy ponadto wymienić:
- Pichona i Johnsona, którzy w r. 1853 pierwsi opatentowali sposób topienia metali w łuku

elektrycznym;

- P. Berthelota, który w r. 1862 zbudował aparaturę i przeprowadził w łuku syntezę acetylenu;
- W. Siemensa – konstruktora dwóch typów pierwszych przemysłowych pieców łukowych

(1879);

- Readmana, który jako pierwszy otrzymał w r. 1880 żółty fosfor metodą sublimacji w piecu

łukowym;

- P. Ery – twórcę pierwszego pieca łukowo-rezystancyjnego (1887);
- N. Moissana, który w 1890 r. otrzymał w piecu o dwóch poziomych elektrodach metaliczny

chrom, następnie W, Ti, Mo, U, a także węgliki różnych metali, później wytworzył w
swoim piecu wiele rodzajów żelazostopów oraz karbid;

- E. Stassano – twórcę pieca do produkcji żelaza z rudy (1898);
- P. Heroulte'a – jednego z największych badaczy i konstruktorów w dziedzinie elektrotermii,

którego koncepcje są aktualne do czasów dzisiejszych (w 1900 r. zbudował piec do wytopu
stali zwany piecem Heroulte'a).

216

5.1. Zasady nagrzewania łukowego
_________________________________________________________________________

Ograniczając się do przedstawienia jedynie niektórych badaczy, tworzących w wieku

XIX podstawy techniki elektrotermicznej opartej na łuku elektrycznym, warto w tym miejscu
wspomnieć o początkach jej rozwoju na ziemiach polskich. Otóż już w r. 1898 uruchomiono
w Ząbkowicach urządzenie do wytwarzania karbidu, o gigantycznej, jak na owe czasy, mocy
– 1100 kW [313].

Wiek XX wraz ze wzrostem produkcji energii elektrycznej przynosił nowe

rozwiązania i rozszerzanie zakresu zastosowania metody łukowej, przy czym główne wysiłki
badaczy ukierunkowane były na produkcję stali w piecach łukowych oraz żelazostopów i
karbidu w piecach łukowo-rezystancyjnych. 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 [139], 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 MVA z
piecami o pojemnościach 360 Mg.

Klasyczne urządzenia i procesy łukowe ulegają na przestrzeni lat 1970

÷90 daleko

idącym przemianom. Wprowadzane są technologie tzw. pozapiecowej obróbki stali, których
pewna część oparta jest także na wykorzystaniu ciepła łuku elektrycznego wytwarzanego w
kadziach. Nie są też pozbawione podstaw perspektywy eliminacji wielkich pieców oraz
oparcia produkcji stali w jeszcze większym stopniu na piecach łukowych, w których
przetapiany byłby produkt bezpośredniej redukcji wsadu żelazodajnego, czyli tzw. żelazo
gąbczaste o zawartości około 96% Fe, otrzymywane przy użyciu helu pod ciśnieniem 20 MPa
w temperaturze rzędu 1000°C, stanowiącego czynnik chłodzący reaktory
wysokotemperaturowe (HTR) [177]. Projekty tego rodzaju stalowni istnieją już od dawna
[239]. Jeśli dodać do tego ciągły wzrost produkcji żelazostopów, będących m.in. składnikami
wsadowymi przy produkcji stali jakościowych, to należy uznać metodę  łukową w wersji
autonomicznej, jak i skojarzonej (łukowo-rezystancyjno-elektrodowej) za technikę o wielkich
perspektywach rozwojowych.


5.1.2. Przemiana energii elektrycznej w ciepło
łuku elektrycznego

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

217

5. Nagrzewanie łukowe
_________________________________________________________________________

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.
Prąd zwarcia eksploatacyjnego nagrzewa silnie elektrody w obszarze styku. Rozsunięcie
elektrod wywołuje z powierzchni styku tej elektrody, która stanowi katodę, emisję termiczną
elektronów. Wskutek dużego natężenia pola elektrycznego w obszarze między elektrodami
(przy bardzo małych odległościach między nimi w chwili i zwarcia) następuje jonizacja
zderzeniowa gazu i wytworzenie się łuku. Ten rodzaj inicjacji i wyładowania stosowany jest
w większości elektrotermicznych urządzeń łukowych. Rozkład potencjałów w łuku pozwala
wyodrębnić trzy występujące w nich charakterystyczne obszary:
- katodowy ze spadkiem napięcia o wartości bliskiej potencjałowi jonizacji gazu w tym

obszarze;

- anodowy, w którym spadek napięcia zależny od warunków wyładowania i geometrii układu

elektrod osiąga wartości bliskie spadkowi katodowemu;

- kolumnę łuku, zajmującą największy obszar między elektrodami, w której gradient

potencjału ma niewielką wartość (rys. 5.1).

Rys. 5.1. Rozkład potencjałów w łuku w funkcji odległości między elektrodami U

– anodowy spadek napięcia,

– katodowy spadek napięcia, l

– długość łuku

Łączna długość obszarów katodowego i anodowego nie zależy od odległości
międzyelektrodowej i jest wielokrotnie mniejsza od długości kolumny łuku.
W warunkach wyładowania  łukowego, powielanie elektronów w kolumnie łukowej
wynikające z działania pola elektrycznego nie wpływa praktycznie na wartość prądu  łuku.
Elektrony niezbędną do jonizacji gazu energię uzyskują głównie w obszarze katodowym. W
tymże obszarze jony przejmowaną z pola elektrycznego energię przekazują w wyniku zderzeń
katodzie, podtrzymując jej wysoką temperaturę [202].
Łuk jest więc w pierwszym rzędzie  źródłem ciepła, lecz także  źródłem promieniowania
świetlnego i akustycznego. Przedstawia on sobą plazmę o równomierne] koncentracji
elektronów i jonów dodatnich. Moce łuków wielkoprądowych sięgają wartości 100 MW, ich
temperatury są zależne głównie od składników atmosfery

218

5.1. Zasady nagrzewania łukowego
________________________________________________________________________

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). Z pewnym przybliżeniem
temperaturę łuku T, można określić przy użyciu formuły

=800U

(5.1)

gdzie U

jest potencjałem jonizacji gazu w obszarze wyładowania wyrażonym w V [294].

Ponieważ potencjały jonizacji gazów zawierają się w przedziale 3,87

÷24,5 V, to

temperatura łuku może 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 i w zasadniczym stopniu mają na nią wpływ potencjały
jonizacji Fe, Mn, Mg, których pary znajdują się zawsze w obszarze wyładowania. W piecach
do produkcji żelazostopów, najniższe potencjały jonizacji (spośród pierwiastków których pary
znajdują się w obszarze wyładowania łukowego) zawarte są w przedziale 6

÷10 V, a więc

temperatura łuku w takich piecach wynosi 5000

÷8000 K. W piecu do produkcji karbidu

najniższy potencjał jonizacji ma Ca, mianowicie 6,1 V, stąd temperatura łuku – około 5000 K.
W piecach do wytwarzania żelazokrzemu i żelazomanganu temperatura łuku jest wyższa
6000

÷7000 K [294]. Jeśli łuk ma możliwość swobodnego oddawania ciepła i zasilany jest

prądem przemiennym, to za chwilowymi zmianami prądu nadążają zmiany temperatury z
niewielkim opóźnieniem. Opóźnienie to nie ma jednak istotnego wpływu na pracę pieców, z
uwagi na bardzo wysokie temperatury i dużą bezwładność ośrodków otaczających łuk.

Moc cieplna wydzielająca się w obszarze wyładowania łukowego jest odprowadzana

w trojaki sposób, a mianowicie przez konwekcję i promieniowanie oraz w wyniku zjawisk
przyelektrodowych (przekazywanie elektrodom energii kinetycznej przez jony i elektrony).
Na rysunku 5.2 przedstawiony jest przykładowy bilans mocy łuku prądu przemiennego o
napięciu U

=143 V i prądzie I

= 7 kA [283]. Należy

Rys. 5.2. Bilans mocy łuku prądu przemiennego, wg [283] R

– promieniowanie kolumny łuku, R

–

promieniowanie nagrzanych gazów

219

5. Nagrzewanie łukowego
___________________________________________________________________________

zauważyć, że największa wartość mocy jest przekazywana z łuku do otoczenia i wsad( drogą
konwekcji.

5.1.3. Charakterystyki łuku wielkoprądowego

5.1.3.1. Charakterystyki łuku prądu stałego

Charakterystyką łuku nazywa się związek między napięciem łuku U

i prądem łuku.

Rozróżnia się charakterystyki statyczne i dynamiczne łuku. Charakterystyką statyczna jest
zależność U

) w warunkach równości między mocą dostarczaną do łuku i mocą od niego

odprowadzaną (stan równowagi energetycznej). Wyznaczyć ją można w warunkach
znamionujących się stałością prądu łuku lub bardzo powolnymi jego zmianami w czasie
(dI

≈ 0). Charakterystyką dynamiczną jest zależność między napięciem i prądem łuku przy

tak dużej szybkości zmian prądu w czasie (dI

≠ 0), że nie jest możliwe zachowanie stanu

równowagi energetycznej w kolumnie łuku ze względu na jego bezwładność cieplną. Stąd
m.in. charakterystyka łuku prądu przemiennego dla wartości chwilowych jest charakterystyką
dynamiczną.

Postać charakterystyk statycznych i dynamicznych ma związek z wieloma czynnikami

i m.in. zależy od długości łuku, rodzaju elektrod i ich konfiguracji, środowiska wyładowania,
ciśnienia, warunków odpływu ciepła z kolumny łuku. Na tej podstawie, można wyróżnić
pewne kategorie łuków, występujące w określonych urządzeniach elektrotermicznych prądu
stałego, z których za najważniejsze należy uznać: stalownicze piece łukowe z atmosferą
naturalną, łukowe piece próżniowe, wysokonapięciowe piece łukowe do realizacji reakcji
chemicznych w fazie gazowej oraz łukowe piece kadziowe prądu stałego (DC-LF). W
każdym z tych urządzeń wyładowania łukowe występują w różnych warunkach.

Charakterystyki łuku prądu stałego w stalowniczych piecach z atmosferą

naturalną typu przemysłowego przytaczane w literaturze opierają się na niewielkiej liczbie
badań, ponieważ pierwsze takie obiekty zostały zbudowane dopiero w r. 1982. Stąd też
większość informacji literaturowych dotyczących charakterystyk łuku prądu stałego sprzed
roku 1982 ma związek z łukami małoprądowymi mimo, że niektórzy autorzy uważają je za
wielkoprądowe [202], [294]. Opublikowane wyniki badań obiektów zbudowanych w 1982 r.
objęły zakres prądowy do 40 kA i nie dotyczą fazy roztapiania złomu, lecz faz pracy pieca z
roztopionym metalem, stanowiącym anodę układu łukowego, którego katodą jest elektroda
grafitowa dużej średnicy. Dodatkowym elementem branym pod uwagę był żużel
przykrywający od pewnego momentu kąpiel stalową (anodę). Obiektami służącymi do
eksperymentów były urządzenia o mocy 6 i 12 MW [239].

Z badań tych wynika, że dla układu elektrod grafit – ciekła stal można wyodrębnić

trzy rodzaje tzw. łuku bezpośredniego oraz bezłukowy stan pracy pieca Łuk I rodzaju
występuje w układzie elektroda grafitowa – kąpiel stalowa bez żużla

220

5.1. Zasady nagrzewania łukowego
________________________________________________________________________

Łuk II rodzaju występuje w układzie elektroda grafitowa – ciekła stal przykryta warstwą żużla
i jest częściowo odkryty (widoczny ponad warstwę  żużla).  Łuk III rodzaju jest całkowicie
„otulony"  żużlem. Bezłukowy IV rodzaj pracy polega na nagrzewaniu rezystancyjnym
bezpośrednim  żużla. Taki przypadek ma miejsce przy bardzo dużej konduktywności  żużla.
Rysunek 5.3 ilustruje układy grzejne charakterystyczne dla wymienionych czterech stanów
pracy pieca.

Rys. 5.3. Różne rodzaje łuku w stalowniczym piecu łukowym prądu stałego

Charakterystyki statyczne łuku rodzaju I są przedstawione na rys. 5.4a. Wynika z nich,

że napięcie łuku jest praktycznie niezależne od prądu łuku. Pewne odchylenia od przebiegu
liniowego, szczególnie dla łuków długich, są spowodowane autoabsorbcją promieniowania
plazmy łuku (dla małych prądów) oraz zmianami konduktywności plazmy (dla prądów o
średnim natężeniu). Charakterystyki statyczne przedstawione na rys. 5.4 są ilustracją związku,
w którym U

, jest funkcją 13 parametrów [1].

Charakterystyki statyczne łuku rodzaju II przedstawia rys. 5.4b. Wyładowanie łukowe

„przebija" żużel, który przykrywa anodę (kąpiel stalowa). Bocznikujące działanie żużla jest w
tym przypadku niewielkie i może być pominięte. W części zakrytej łuku inne są warunki
przejmowania ciepła, co szczególnie uwidacznia się dla małych prądów (opadające części
krzywych). Podobne wyniki otrzymał także H.G. Kunze badając pierwszy piec łukowy prądu
stałego o pojemności 55 Mg w zakresie prądów do 70 kA [179].

Charakterystyki statyczne łuku rodzaju III ilustruje rys. 5.4c. Łuk jest całkowicie

zakryty. Przy małych prądach bocznikujące działanie żużla wyklucza istnienie wyładowania
elektrycznego, które pojawia się dopiero przy dostatecznie dużym natężeniu prądu, czemu
towarzyszy obniżenie się napięcia łuku. Przejście ze stanu wyładowania o łuku całkowicie
zakrytym do stanu z łukiem częściowo zakrytym ma charakter ciągły.

Charakterystyki statyczne przedstawione na rys. 5.4d dotyczą pracy bezłukowej. Są

one zbliżone do charakterystyk odbiorników rezystancyjnych liniowych.

221

5. Nagrzewanie łukowego
________________________________________________________________________

Rys. 5.4. Charakterystyki statyczne luku pieca stalowniczego prądu stałego, wg [1]: a) przy łuku całkowicie

odkrytym (I rodzaju); b) przy łuku częściowo otulonym (II rodzaju); c) przy łuku całkowicie
otulonym (III rodzaju); d) przy pracy bezłukowej (IV rodzaju)
l

– długość łuku, l

– grubość warstwy żużla,

, – konduktywność żużla, l - odległość między

czołem elektrody i powierzchnią kąpieli stalowej

Nieznaczne nieliniowości wynikają ze zjawisk dynamicznych w żużlu związanych z
przepływem prądu. Stan pracy bezłukowej występuje przy małych odległościach między
katodą i anodą, co ma miejsce przy rozsuwaniu elektrod po zwarciu eksploatacyjnym przy
dobrze przewodzącym żużlu. Przejście z pracy bezłukowej do łukowej przy określonym
napięciu wymaga wobec tego zwiększenia długości łuku, po czym można go ponownie
skrócić bez obawy przejścia do pracy bezłukowej.
Łuk w układzie elektroda grafitowa – złom stały, a więc w warunkach bardzo intensywnego
odpływu ciepła z kolumny, odznacza się znacznie większym natężeniem pola elektrycznego.
Wobec braku innych danych można przyjąć, że dla tego przypadku charakterystyka statyczna
może być wyrażona zależnością

(5.2)

przy czym: l

– długość łuku w mm, a = 22 V – suma spadku napięcia anodowego i

katodowego. W okresie roztapiania b= 10

÷12 V/mm, w okresie utleniania b = 3,5÷4,0 V/mm,

w okresie rafinacji b = 1,0÷1,2 V/mm [83].

222

5.1. Zasady nagrzewania łukowego
_________________________________________________________________________

Kolumna wyładowania łukowego ma kształt zbliżony do ściętego stożka. Gęstość

prądu w miejscu jej styku z katodą (plama katodowa) jest równa około 5·10

A/m

praktycznie niezależna od prądu łuku przy I

> 400 A. W kolumnie łuku gęstość prądu jest

mniejsza (średnia wartość ok. 10

A/m

). Plama katodowa zajmuje stałą pozycję na

elektrodzie (najczęściej na jej krawędzi) nie dłużej niż 100 ms, po czym razem z kolumną
łuku przemieszcza się na inne miejsce z prędkością 10

÷100 m/s.

Charakterystyki łuku prądu stałego w piecach próżniowych obejmują pracę w

obszarze ciśnień 6,5

÷0,05 Pa. Wyładowanie łukowe występuje w parach metali zaś atomy

gazów resztkowych są praktycznie neutralne. Wynika to stąd, że atomy metali mają znacznie
niższe potencjały jonizacji aniżeli atomy gazów resztkowych. Łuki w piecach próżniowych
(bezpośrednie) są krótkie, a więc natężenia prądów – duże. Z uwagi na znaczne
rozpowszechnienie tych pieców zostały one stosunkowo dobrze zbadane i znane są ich
charakterystyki statyczne dla prądów sięgających kilkudziesięciu kA [83].

Współcześnie buduje się dwie kategorie próżniowych urządzeń łukowych: z

autotyglem (piece odlewnicze) i z krystalizatorem (do wyciągania wlewków), przy czym
krystalizator może być rozwiązany tak jak w urządzeniach elektrożużlowych (p. 4.2.5) [244].
Urządzenia z krystalizatorem są znacznie bardziej rozpowszechnione i z tego względu dalsze
informacje będą dotyczyły wyładowania łukowego charakterystycznego dla tego rozwiązania.

Układ elektrod w próżniowych urządzeniach łukowych prądu stałego z krys-

talizatorem może mieć katodę stałą bądź roztapianą. Katodą stałą jest grafit lub wolfram,
anodę stanowi stopiony metal (głównie Mo, Zr, Ti, bardzo rzadko stal). Układy takie nie są
stosowane zbyt często. Największe znaczenie przemysłowe mają piece z katodą roztapianą
wykonaną z poddawanego przetapianiu metalu o określonym składzie chemicznym (rys. 5.5).
Oznacza to, że stanowiący anodę wlewek ma zbliżony skład chemiczny do katody. Odległość
między katodą i anodą musi być mniejsza aniżeli odstęp między katodą i krystalizatorem. W
przeciwnym razie łuk

Rys. 5.5. Łuk w próżniowym piecu łukowym z katodą roztapianą

1 – katoda, 2 – łuk, 3 – krystalizator chłodzony wodą, 4 – anoda (kąpiel metalowa), 5 – krzepnący
wlewek

223

5.1. Zasady nagrzewania łukowego
__________________________________________________________________________

przerzuca się na ścianki krystalizatora mające potencjał anody. Z drugiej strony odległość
między elektrodami nie może być zbyt mała z uwagi na możliwość zwarć powodowanych
przez topione krople metalu opadające z katody na anodę. Przy średnicach katod 50

÷500 mm,

długość łuku przy topieniu różnych metali zawiera się w przedziale 10

÷50 mm (najczęściej

÷30 mm).

Wysoka temperatura w strefie topienia powoduje powstawanie par metalu, w których

występuje łuk. Ciśnienie poza obszarem wyładowania (w komorze próżniowej pieca) jest
wielokrotnie niższe.

Charakterystyka statyczna łuku próżniowego ma postać ;

(5.3)

przy czym:

a – suma przyelektrodowych spadków napięć (dla elektrod stalowych 15

÷19 V,

niklowych 16

÷19 V, chromowych 20÷25 V, tytanowych 20÷27 V, i molibdenowych około 30

V, wolframowych 25

÷32 V); k – współczynnik proporcjonalności (2·10

-3

Ω dla stali, 4·10

-3

Ω

dla Ti, 5,5·10

-3

Ω dla molibdenu); l

– długość łuku;

d – średnica katody; l

– prąd łuku.

Zależność (5.3) odwzorowuje prawe części przedstawionych na rys 5.6 charakterystyk

statycznych wyładowania w próżni. Lewe części charakterystyk (opadające) nie dotyczą
wyładowania łukowego.

Rys. 5.6. Charakterystyki statyczne wyładowania w próżni

Cechą charakterystyczną łuku próżniowego są bardzo duże gradienty potencjału w

obszarach przyelektrodowych (do 100 MV/cm). W efekcie znaczący udział ma tu autoemisja
elektronowa (pod wpływem natężenia pola). Na przykład przy topieniu metali
trudnotopliwych prąd autoemisji elektronowej stanowi 80

÷85% prądu całkowitego (reszta

termoemisja) [83].

Wyładowanie łukowe stałoprądowe w wysokonapięciowych piecach łukowych do

realizacji reakcji chemicznych w fazie gazowej charakteryzuje się

÷20 kV.

224

5.1. Zasady nagrzewania łukowego
_________________________________________________________________________

Łuk występuje między elektrodami stałymi chłodzonymi wodą. Jego długość dochodzi do
kilku metrów, przy czym wykorzystuje się do tego celu oddziaływania pól magnetycznych
[314].

Wyładowania łukowe stałoprądowe w piecach kadziowych nie były dotąd

przedmiotem tak wyczerpujących badań, jakie zrealizowano w odniesieniu do stalowniczych
pieców  łukowych prądu stałego [341]. Piece kadziowe prądu stałego (DC-LF) są
przeznaczone do tzw. pozapiecowej obróbki stali i wobec tego można przyjąć, że charakter
łuku elektrycznego będzie podobny do tego jaki ma miejsce w stalowniczych piecach
łukowych prądu stałego w końcowej fazie wytopu (łuk III rodzaju).

5.1.3.2. Charakterystyki łuku prądu przemiennego

W dalszym ciągu przedstawione będą charakterystyki dynamiczne i przebiegi czasowe
wielkości elektrycznych znamionujących  łuk prądu przemiennego, występujący w
urządzeniach najbardziej rozpowszechnionych w przemyśle. Do takich zaliczają się
stalownicze urządzenia  łukowe oraz urządzenia  łukowo-rezystancyjno-elektrodowe
przeznaczone do redukcyjnego wytapiania metali z rud i do topienia rud. Mamy w tym
przypadku do czynienia z łukami wielkoprądowymi bezpośrednimi i w niewielkim zakresie z
łukami pośrednimi (między elektrodami grafitowymi), spotykanymi w urządzeniach o
niewielkiej pojemności wsadowej i mocy. Trzeba jednak zaznaczyć, że łuki, nawet tej samej
kategorii urządzeń, mogą znamionować istotne różnice, wynikające z lokalnych warunków
eksploatacyjnych, a zwłaszcza z realizowanej technologii.

Brak dotąd bliższych danych dotyczących charakterystyk łuku w łukowych piecach

kadziowych prądu przemiennego (AC-LF), stosowanych do pozapiecowej obróbki stali.
Można jednak przyjąć, że charakterystyki te będą zbliżone do znamionujących pracę pieców
łukowych w końcowej fazie cyklu roboczego, obejmującego – oprócz roztapiania złomu –
wszystkie pozostałe elementy procesu technologicznego (łuk „otulony" żużlem).

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 (rys. 5.7). Prądy łuku o wartościach przekraczających 100 kA nie należą do
rzadkości.

W łuku prądu przemiennego prąd zmienia kierunek przepływu, co wiąże się ze zmianą

biegunowości elektrod. Elektroda grafitowa nagrzewa się do znacznie wyższej temperatury
niż wsad, na co składa się kilka czynników, a m.in. fakt znacznie większej pojemności
cieplnej wsadu w porównaniu z elektrodą, szybkie przemieszczanie się łuku po powierzchni
wsadu i bardzo dobra jego przewodność cieplna właściwa. Grafit i stal znamionują więc różne
intensywności emisji termicznej elektronów. Ma to ważący

225

5. Nagrzewanie łukowe
___________________________________________________________________________

Rys. 5.7. Łuki bezpośrednie w stalowniczym urządzeniu łukowym

1 – transformator, 2 – tor wielkoprądowy, 3 – elektroda, 4 – łuk, 5 – wsad

Podobnie jak w stalowniczym piecu prądu stałego i w tym przypadku można

wyodrębnić trzy rodzaje łuku oraz nie mający istotnego znaczenia stan pracy bezłukowej,
charakterystyczny tylko dla technologii z żużlem spienianym. Rodzaje występujących łuków
wiążą się ściśle z fazą realizowanego procesu i odznaczają się odmiennymi charakterystykami
dynamicznymi.

Rys. 5.8. Przebiegi czasowe wielkości elektrycznych charakteryzujących łuk w piecu stalowniczym w okresie

roztapiania złomu (wielkości względne), wg [320]: a) napięcie łuku

)

(

dla

= 610.2 V;

b) prąd łuku

)

(

τ dla

= 80.9 kA; c) konduktancja łuku

dla

= 307 S;

d) moc łuku

dla

= 30.7 MW

226

5.1. Zasady nagrzewania łukowego
_________________________________________________________________________

Łuk I rodzaju występuje między elektrodą grafitową i zimnym złomem stalowym

podczas jego roztapiania. Napięcie łuku ma kształt zbliżony do prostokątnego z dużym
udziałem części stochastycznej, wywoływanej szybkim przemieszczeniem się łuku (rys.
5.8a). Dodatnie i ujemne połówki napięcia różnią się między sobą zarówno pod względem
kształtu jak i czasu trwania wyładowania, które rozwija się dopiero po osiągnięciu
odpowiednio dużej wartości napięcia między elektrodami

u′

i kończy się gdy obniża się

ono do pewnej wartości

przy czym zwykle

′′

≥

′

. Przebieg napięcia charakteryzuje

się wyraźnymi pikami, znamionującymi „zapłon" łuku w danej połówce. Mogą występować
nawet przerwy w przepływie prądu podczas połowy okresu [320].

Przebieg chwilowych wartości prądu łuku jest przedstawiony na rys. 5.8b. W

porównaniu z napięciem jest on „wygładzony". Ma na to wpływ tor wielkoprądowy,
działający jak filtr dolnoprzepustowy. Opóźnienia w powstaniu wyładowania przejawiają się
przerwami w przepływie prądu. Konduktancja łuku

= i

(rys. 5.8c) charakteryzuje się z

kolei ekstremalnie wysoką dynamiką i zmienia się od zera podczas przerw w przepływie
prądu do nieskończenie wielkiej wartości przy zwarciu. Chwilowe wartości mocy łuku (rys.
5.8d)

= u

zmieniają się tak jak konduktancja, okresowo z częstotliwością dwukrotnie

większą od sieciowej.

Łuk II rodzaju występuje między elektrodą grafitową i wsadem stalowym stopionym.

Jak wynika z rys. 5.9a przebiegi napięć chwilowych są mniej odkształcone, co wynika ze
stabilizacji „zapłonu" łuku. Udział w tym przebiegu części stochastycznej jest mniejszy.
Kształt krzywych napięcia jest bliski prostokątnemu zaś dodatnie i ujemne połówki różnią się
od siebie nieznacznie. Prąd ma przebieg zbliżony do sinusoidalnego i nie występują przerwy
w jego przepływie (rys. 5.9b).

Rys. 5.9. Przebiegi czasowe wielkości elektrycznych charakteryzujących łuk w piecu stalowniczym po stopieniu

złomu, wg [320]: a)

)

(

dla

= 428.5 V; b)

)

(

dla

= 93.3 kA; c)

dla

= 290 S; d)

dla

= 37 MW

227

5. Nagrzewanie łukowe
___________________________________________________________________________

Warunki wyładowania łukowego są w tym przypadku znacznie korzystniejsze z uwagi na
wzrost temperatury: elektrod, atmosfery piecowej oraz wszystkich innych elementów
znajdujących się w otoczeniu łuku. Obserwuje się wzrost do 15% wartości maksymalnej
konduktancji resztkowej łuku przy przechodzeniu prądu i napięcia przez zero (rys. 5.9c).

Łuk III rodzaju jest „otulony" przez spieniony żużel. Występuje on między elektrodą

grafitową i stopionym wsadem z mniejszym lub większym bocznikującym działaniem żużla.
Kolumna łuku jest więc przykryta całkowicie żużlem, co istotnie zmienia jego warunki
cieplne, a ponadto ogranicza zużycie właściwe energii o około 30 kW·h/Mg stali.
Wyładowanie łukowe jest wyjątkowo stabilne zaś przebiegi czasowe minimalnie
odkształcone rys. (5.10). Technologia produkcji stali z udziałem żużla spienionego uznawana
jest za bardzo oszczędną [320]. Przebiegi napięcia zbliżony jest w tych warunkach do
sinusoidalnego, prąd jest praktycznie sinusoidalny. Konduktancja resztkowa osiąga aż
40

÷50% wartości maksymalnej: (rys. 5.10c). Jest to wynik bocznikującego działania żużla

oraz utrudnionego odpływu? ciepła z kolumny łuku.

Rys. 5.10. Przebiegi czasowe wielkości elektrycznych charakteryzujących łuk w piecu stalowniczym przy

kąpieli stalowej przykrytej żużlem spienianym, wg [320]: a)

)

(

τ dla

= 335.5 V; b)

)

(

τ dla

= 99.5 kA; c)

dla

= 329 S; d)

dla

= 32.8 MW

Przy niewielkich natężeniach prądu łuk „otulony" może ulec „zgaszeniu", co oznacza

przejście do pracy bezłukowej z żużlem jako jedynym źródłem ciepła typu rezystancyjnego.
Ten stan pracy nie należy jednak do normalnych.

Charakterystyki dynamiczne

) omówionych trzech rodzajów łuków występujących

w stalowniczym urządzeniu łukowym pokazane są na rys. 5.11. Wynika z nich, że łuk
każdego rodzaju jest odbiornikiem nieliniowym odznaczającym się

228

5. Nagrzewanie łukowe
___________________________________________________________________________

Rys. 5.12. Gęstości widmowe względne w okresie roztapiania, wg [320]: a) napięcia łuku S

(f) dla S

6,30·10

/Hz; b) prądu łuku S

(

τ) dla S

= 3,29·10

/Hz; c) konduktancji łuku S

(

τ) dla

= 1,8·10

/Hz; d) mocy łuku S

(

τ) dla S

= 2,14·10

/Hz

[343]. Częstotliwością normatywną dla funkcji charakteryzujących u

oraz i

jest 50 Hz.

Gęstości widmowe konduktancji i mocy są unormowane względem składowych stałych tych
wielkości.

Z przedstawionych rezultatów wynika, że napięcie łuku II rodzaju zawiera głównie

składową o częstotliwości 50 Hz oraz składowe będące nieparzystymi krotnościami tej
częstotliwości. Częstotliwości – będące parzystymi krotnościami 50 Hz i wywołane asymetrią
obu połówek napięcia – uwypuklają się w części stochastycznej charakterystyki w niewielkim
stopniu.

Inny charakter ma widmo częstotliwościowe prądu łuku. Zdeterminowane ono jest nie

tylko charakterystykami dynamicznymi łuku, lecz także rodzajem i parametrami obwodu
zasilania. I tak dla obwodu jednofazowego widmo częstotliwościowe zawiera wszystkie
harmoniczne napięcia, przy czym wartości poszczególnych harmonicznych zależą od
współczynnika mocy urządzenia łukowego. Dla symetrycznego obwodu trójfazowego prąd
nie zawiera harmonicznej trzeciej i jej wielokrotności. Harmoniczne te pojawiają się wraz z
wystąpieniem asymetrii obwodu [320]. Na rysunku 5.12 gęstości widmowe prądu zawierają
trzecią harmoniczną o amplitudzie mniejszej o około 40 dB od wartości amplitudy
harmonicznej podstawowej.

W miarę upływu czasu od chwili rozpoczęcia cyklu wytopowego łuk zmienia swój

charakter, co przejawia się w zmniejszaniu składowych harmonicznych i stochastycznych.

230

5.1. Zasady nagrzewania łukowego
_________________________________________________________________________

Deterministyczne składowe wielkości charakteryzujących łuk mogą być

przedstawione w postaci szeregu Fouriera. Na przykład dla napięcia łuku mamy

( )

(

∑

∞

kω

sin

)

(5.4)

przy czym:

u – składowa stała. U

– wartość skuteczna harmonicznej k,

– faza początkowa

k - tej harmonicznej.

Mając na uwadze fakt, że wartość skuteczna sygnału okresowego niesinusoidalnego

jest równa pierwiastkowi kwadratowemu z sumy kwadratów wartości skutecznych
poszczególnych harmonicznych tego sygnału [29]

(5.5)

charakteryzuje się go współczynnikiem zawartości wyższych harmonicznych w sposób
następujący:

(5.6)

Jeśli chodzi o napięcie i prąd łuku, to celowe jest posługiwanie się współczynnikiem
zawartości wyższych harmonicznych nieparzystych i parzystych

(5.7)

(5.8)

Z ostatnich trzech zależności wynika, że

= k

+ k

, a ponieważ

jest stosunkowo mały,

w przybliżeniu można przyjąć

≈ k

Analogicznie definiuje się współczynniki zawartości harmonicznych dla prądu. Dla

konduktancji dynamicznej łuku G

zawartość harmonicznych określa współczynnik

(5.9)

przy czym

g – jest średnią wartością składowej stałej.

Znajomość wartości współczynników k i s wyznaczanych np. w trakcie procesu

topienia służy do identyfikacji łuku i bywa wykorzystywana do prowadzenia procesu
technologicznego w warunkach wytopu z żużlem spienionym,

zmienia się w granicach

÷40%, przy czym największa wartość, bliska charakterystycznej dla sygnału prostokątnego

(43,5%), występuje kilka minut po rozpoczęciu topnienia złomu [320].

231

5. Nagrzewanie łukowe
__________________________________________________________________________

Łuk prądu przemiennego w urządzeniach do redukcyjnego wytapiania substancji

z rud i z produktów ich przeróbki oraz w urządzeniach do topienia rud jest zawsze
bezpośrednim, występującym między elektrodą grafitową (węglową) i wsadem pozostającym
w stanie stałym lub ciekłym, a także w obu stanach równocześnie.  Ma  to  wpływ na dość
istotne zróżnicowanie łuków w tych urządzeniach. Nie bez znaczenia jest przy tym fakt, że
pewna grupa procesów technologicznych realizowanych w tych urządzeniach należy do
egzotermicznych. Z tych względów przedstawiona będzie tylko ogólna charakterystyka tego
rodzaju  łuków z zaznaczeniem cech, które są wspólne dla większości przypadków
związanych z redukcyjnym wytapianiem substancji z rud, produktów ich przeróbki oraz
topieniem rud.

Rys.5.13. Odbiorniki z częściową przemianą energii w łuku i ich schematy zastępcze: a) łukowo- rezystancyjny i

jego schemat zastępczy b); c) łukowo-rezystancyjno-elektrodowy i jego schemat zastępczy d)
1 – spieczona warstwa wsadu (ścianki „tygla"), 2 – wsad stopiony, 3 – łuk, 4 – elektroda, 5 – wsad
stały, 6 – żużel, 7 – mikrołuki; R

– rezystancja łuku (mikrołuków), R

, – rezystancja wsadu stałego

– międzyelektrodowa rezystancja wsadu, R

– rezystancja ośrodka ciekłego

Najważniejszy wpływ na charakterystyki odbiornika tej kategorii ma fakt

równoczesnej konwersji energii elektrycznej w cieplną ogólnie rzecz biorąc w ośrodku
gazowym, stałym i ciekłym, czyli w sposób skojarzony (rys. 5.13). W układzie

232

5.1. Zasady nagrzewania łukowego
_________________________________________________________________________

przedstawionym na rys 5.13a elektrody (z materiałów węglowych) są zagłębione w
poddawanym topieniu wsadzie. Łuk wytwarza się między elektrodą i stopionym wsadem
(niekiedy pokrytym warstwą żużla) przy pomijalnie małej mocy wydzielanej w ośrodku
ciekłym. Wsad jest bocznikowany przez łuk. Jeśli mamy do czynienia z układem
wieloelektrodowym (przypadek najczęstszy), to dodatkowo może występować przepływ
prądu przez wsad nieroztopiony, wypełniający przestrzeń między elektrodami należącymi do
różnych faz (rys. 5.13b).

W układzie jak na rys. 5.13c elektrody są zanurzone w warstwie żużla (niekiedy

stanowi on wsad) lub w ośrodku ciekło-stałym (stopiony wsad lub żużel przemieszany z
nieroztopionymi składnikami stałymi). W takim przypadku 40—80% mocy wydziela się w
pobliżu elektrod na styku elektroda – ośrodek ciekły, gdzie tworzą się mikrołuki,
bocznikowane przez bezpośrednio stykające się z elektrodą składniki ciekłe [186]. Reszta
mocy wydziela się w bardziej odległych od elektrody obszarach ośrodka ciekłego oraz w
ośrodku stałym jeśli on występuje i styka się z powierzchnią boczną elektrod. Schemat
elektryczny takiego odbiornika ilustruje rys. 5.13d.

Urządzenie z piecami, w których konwersja energii elektrycznej w ciepło dokonuje się

w układach jak na rys. 5.13 należy więc zaliczyć do łukowo-rezystancyjnych lub łukowo-
rezystancyjno-elektrodowych. Nie jest przy tym rzadkością, że w trakcie procesu zmianie
ulegają proporcje mocy wydzielanych w ośrodkach gazowym, stałym i ciekłym, nie
wyłączając praktycznego zaniku jednej czy też dwóch metod nagrzewania, w tym także
łukowej. Teoretycznie stosunek mocy wydzielanej w łuku

do mocy całkowitej odbiornika

P zawiera się w granicach 0

÷1. Na przykład przy produkcji karbidu w jednostkach dużej

mocy

/P = 1/3, przy wytwarzaniu niektórych gatunków żelazokrzemu iloraz ten jest równy

około 1/5.

Zagłębienie elektrody we wsadzie, sprawiające, że wokół obszaru wyładowania

łukowego tworzy się naturalny „tygiel" (przypadek a) na rys. 5.13), wywołuje bardzo
korzystne warunki temperaturowe łuku w porównaniu z łukiem odkrytym. W konsekwencji
odkształcenia przebiegów elektrycznych są mniejsze aniżeli w stalowniczych piecach
łukowych. Wynika to z wysokiego stopnia jonizacji środowiska gazowego w „tyglu" w czasie
normalnej pracy pieca. Jeszcze bardziej korzystne warunki wyładowania występują w
przypadku mikrołuków (rys 5.13c).

Rys. 5.14. Przebiegi czasowe wielkości elektrycznych w piecu łukowo-rezystancyjno-elektrodowym do

wytwarzania krzemomanganu: a) względne napięcie odbiornika

)

(

τ dla

= 155 V;

b) względny prąd odbiornika

)

(

τ dla

= 49,5 kA;

233

5. Nagrzewanie łukowe
_________________________________________________________________________

Przykładowe charakterystyki wartości chwilowych napięcia i prądu pieca łukowo-
rezystancyjnego (łukowo-rezystancyjno-elektrodowego) pokazane są as rys. 5.14. Odnoszą
się one do procesu wytopu krzemomanganu (65 % Mn, 18 ÷ 20% Si, 15÷17% Fe) w piecu
trójfazowym, trójelektrodowym o maksymalnych wartościach; mocy – 7,2 MW, prądu – 35
kA, napięcia 110 V [294]. Analiza przebiegów wartości chwilowych napięcia i prądu
wyznaczonych w trakcie realizacji jednego cyklu produkcyjnego pozwala wysnuć następujący
wniosek: w miarę polepszania się warunków cieplnych wyładowania, charakterystyki
upodabniają się do przebiegów sinusoidalnych. Pokazane przebiegi odnoszą się do
sumarycznego prądu płynącego przez odbiornik. Wyładowanie łukowe ma charakter ciągły
bez przerw znamionujących to zjawisko w piecu stalowniczym [294].

5.2. Technologie łukowe i urządzenia
do ich realizacji

5.2.1. Główne procesy technologiczne

5.2.1.1. Wytapianie i roztapianie metali ze złomu

Przy charakterystyce głównych procesów technologicznych terminy „wytapianie" i
„roztapianie" dotyczyć będą procesów technologicznych realizowanych w jednym urządzeniu
łukowym. Wytapianie rozumiane będzie jako proces kompletny, roztapianie – doprowadzenie
wsadu do stanu ciekłego i częściową jego obróbkę technologiczną, której główna faza
odbywać się będzie w innym urządzeniu (poza piecowym), niekoniecznie łukowym.

Do tych kategorii procesów zalicza się wytwarzanie stali, czyli stopów żelaza

zawierających do 2% węgla, żeliwa (zawartość C powyżej 2%), Al oraz stopów Ni i Cu. Ze
złomu wytwarza się w urządzeniach łukowych zarówno stale szlachetne, jak i zwykłe stale
węglowe, staliwa – czyli różne gatunki stali odlewane bezpośrednio w formy i w zasadzie nie
poddawane dalszej przeróbce plastycznej, żeliwa wysoko-jakościowe (stopowe, ciągliwe,
sferoidalne). Wytwarzanie żeliw, Al, stopów Ni i Cu, w porównaniu ze skalą produkcji stali,
ma znaczenie marginesowe.

Znaczenie największe mają obecnie technologie wytwarzania stali ze złomu. Duża

różnorodność technologii tej kategorii ma związek z rodzajem i wymaganym stopniem
czystości produktu końcowego, jakością stosowanego złomu, wielkością, liczbą i generacją
urządzeń łukowych w stalowni lub odlewni, wyposażeniem tych zakładów w agregaty
wspomagające ich pracę (np. urządzenia do przygotowania wsadu, do wytwarzania tlenu,
urządzenia odlewnicze), z wielkością produkcji,

234

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
__________________________________________________________________________

z warunkami zasilania w energię elektryczną, z wymaganiami ekologicznymi, a także z
innymi czynnikami o znaczeniu pośrednim.

Technologie wytapiania i roztapiania stali ze złomu realizowane są głównie w

urządzeniach łukowych trójfazowych typu Heroulte'a (z łukiem bezpośrednim, czyli
wyładowaniem między elektrodami i wsadem), a ostatnio także w urządzeniach prądu stałego.
W użyciu są również małe piece jednofazowe z łukiem pośrednim, czyli wyładowaniem
między dwiema elektrodami grafitowymi usytuowanymi z reguły poziomo. Ich udział w
ogólnej produkcji elektrostali jest znikomy.

Piece Heroulte'a charakteryzują się pracą okresową o przeciętnym czasie jednego

wytopu od 1

÷6 h, przy czym nowe technologie roztapiania realizowane są w czasie < 2 h.

Złom do pieców ładowany jest przy użyciu koszy wsadowych. Znane są już jednak
rozwiązania z ładowaniem ciągłym. Realizacja jednego wytopu wiąże się z załadowaniem od
jednego do trzech koszy złomu.

Wytapianie stali z utlenianiem w piecu łukowym jest klasyczną i najbardziej

uniwersalną technologią w grupie podstawowej. Obejmuje ona roztopienie złomu zimnego,
wyeliminowanie niepożądanych domieszek i gazów, oraz uszlachetnienie stali przez
wprowadzenie składników stopowych. Cały wytop dzieli się na fazy: przygotowania pieca,
załadunku pieca, roztapiania złomu, utleniania czyli świeżenia, rafinacji oraz fazę spustu do
kadzi lub maszyny odlewniczej. Ponadto w trakcie procesu, poczynając już od roztapiania,
wprowadza się w określonej kolejności składniki stopowe. Rysunek 5.15 ilustruje przebieg
tego procesu.

Rys. 5.15. Przykładowy przebieg kompletnego procesu wytapiania stali w piecu łukowym średniej mocy

– moc czynna luku,

τ – czas, U

– napięcie wtórne fazowe transformatora zasilającego piec

(wyższe od napięcia łuku o spadek w wielkoprądowym torze zasilającym)

W fazie utleniania usuwane są m.in: C, Mn, Si, P, Cr, W [208]. Częściowo także

żelazo  łączy się z tlenem. Są to reakcje egzotermiczne. Tworzące się przy tym tlenki oraz
dodane wapno powodują utworzenie się  żużla pokrywającego powierzchnię metalu. Tlenki
krzemu  łączą się w żużlu z tlenkami manganu i żelaza. Tlenki fosforu tworzą z tlenkami
żelaza związki, w których na miejsce żelaza wchodzi wapń.

235

5. Nagrzewanie łukowe
___________________________________________________________________________

Do związania fosforu niezbędne są więc tlenki żelaza. Występują one pod postacie rdzy w
złomie, jednak ich ilość jest zbyt mała i z tego względu po ukończeniu topienia! dodaje się do
kąpieli pewną ilość rudy żelaznej, wdmuchuje się do kąpieli tlen lub sprężone powietrze
[176]. Tworzące się przy tym tlenki węgla CO i CO

wydzielane są z kąpieli czemu

towarzyszy tzw. wrzenie metalu.

Po ustaniu „wrzenia" z powierzchni metalu usuwany jest żużel i przeprowadza się

odtlenianie kąpieli połączone z usunięciem domieszek siarki. Osiąga się to np. przy użyciu-
żelazokrzemu i żelazomanganu. Powstające MnO i SiO

kosztem rozpuszczonego w kąpieli

tlenu, wydzielają się wypływając na jej powierzchnię. Na początku okresu odtleniania, czyli
redukcji, zawartość węgla w stopie powinna być mniejsza o 0,03

÷0,08% od docelowej

wartości minimalnej tego pierwiastka, gdyż wprowadzone do pieca żelazostopy i mączka
odtleniająca zawierają w sobie pewną ilość węgla. Jeśli zachodzi potrzeba podwyższenia
zawartości C, na powierzchnię metalu, po usunięciu żużla, wprowadza się rozdrobniony koks
lub złom z elektrod grafitowych.

Po wprowadzeniu do kąpieli odtleniaczy i jej nawęgleniu naprowadzany jest nowy

żużel, który poddawany jest odtlenianiu. Równocześnie z odtlenianiem żużla następuje
dyfuzyjne odtlenianie kąpieli.

Dodatki stopowe zaczyna się wprowadzać już w okresie roztapiania i czynność tę

realizuje się w czasie całego cyklu produkcyjnego. Nikiel miedź i molibden wykazują
znacznie mniejsze powinowactwo do tlenu aniżeli żelazo. Z tego względu pierwiastki te
wprowadza się razem ze złomem lub w okresie roztapiania oraz utleniania. Podczas wytopu
nikiel, miedź i molibden praktycznie nie utleniają się. Molibden i nikiel wprowadza się w
postaci tlenków (NiO, CaMoO

). Wolfram, wykazujący bardzo duże powinowactwo do tlenu,

musi być wprowadzony do kąpieli po jej odtlenieniu. Podawany jest on w postaci
żelazowolframu. W okresie rafinacji wprowadza się także mangan, chrom, krzem, wanad i
tytan w postaci stopów z żelazem. Obowiązuje przy tym zasada, że im większe
powinowactwo do tlenu wykazuje dany dodatek stopowy, tym później wprowadza się go do
kąpieli. Na przykład żelazotytan wprowadza się bezpośrednio przed spustem stali.

Przedstawiona wyżej technologia, nazywana zasadową, ze względu na zasadowy

charakter używanego w niej wapna, umożliwia wytop stali o dowolnym składzie. W wielu
przypadkach, w zależności od wymagań odnoszących się do jakości stali i rodzaju złomu
będącego do dyspozycji, technologia poszczególnych faz procesu zasadowego jest
modyfikowana lub upraszczana. Celem tych zmian jest skrócenie czasu wytopu, polepszenie
jakości stali, a także lepsze wykorzystanie cennych składników wsadowych, z których część
jest tracona [209], [176].

Wytapianie stali bez utleniania. W technologii zasadowej w fazie utleniania

całkowicie lub częściowo utleniają się m.in. Si, Mn, Cr, W, V zawarte w złomie, Jeśli złom
zawiera Al i Ti, to utleniają się one całkowicie już w fazie roztapiania. Tworzące się tlenki
usuwane są z żużlem. W celu maksymalnego wykorzystania tych pierwiastków proces
prowadzi się bez utleniania, a więc nie wprowadza się rudy i ogranicza reakcje utleniania w
fazie topienia. Rezygnacja z utleniania
236

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
_________________________________________________________________________

uniemożliwia usunięcie C, P, H oraz N wprowadzanych w złomie i dlatego realizacja tej
technologii jest możliwa wówczas, gdy wsad piecowy zawiera mniej tych pierwiastków
aniżeli wymagana ich ilość w gotowym produkcie [176].

Wytapianie stali z utlenianiem bez usuwania żużla utleniającego jest stosowane w

przypadkach, gdy wytapianie bez utleniania nie gwarantuje obniżenia zawartości H i N do
wymaganego poziomu. W takim przypadku do wsadu wprowadza się odpady stopowe i
zestawia się go w taki sposób, by zawartość węgla w metalu była 0,1

÷0,2% wyższa, fosforu

zaś niższa od wymaganej wartości końcowej. Roztapianie realizuje się w sposób klasyczny.
Jeśli wsad zawiera W, to celowe jest utlenianie pod półkwaśnym żużlem magnezytowo-
keramzytowym. Utlenianie realizowane jest dmuchem tlenu. W rezultacie „wrzenia" kąpieli
usuwane są gazy i szybko wzrasta temperatura kąpieli. Następnie żużel jest odtleniany przez
wprowadzenie do niego mielonego żelazokrzemu i koksu. Cenne pierwiastki stopowe W, Cr,
Mn przechodzą do metalu. Dalszy przebieg procesu ma charakter klasyczny. Zaletą tej
technologii jest m.in. skrócenie czasu wytopu i zwiększenie wydajności o 10

÷15% w

porównaniu z topieniem pod dwoma żużlami [176].

Wytapianie stali bez dyfuzyjnego odtleniania jest stosowane przy produkcji takich

gatunków stali konstrukcyjnych, którym nie stawia się zbyt dużych wymagań odnośnie
zawartości wtrąceń niemetalicznych i siarki. Po zakończeniu fazy utleniania z powierzchni
kąpieli ściąga się żużel, a do pieca ładuje się pewną ilość wapna i tłucznia szamotowego. W
ten sposób tworzy się nowy żużel. Następnie do pieca wprowadza się odtleniacze i dodatki
stopowe. Po ich roztopieniu i uzyskaniu wymaganej temperatury końcowej kąpieli, następuje
spust do kadzi. W celu uzupełnienia procesu odtleniania do metalu znajdującego się w kadzi
dodaje się 0,05

÷0,10% Al.

Proces ten jest podobny do martenowskiego, podobna jest jakość stali otrzymanych

przy użyciu tych technologii. Czas wytopu może być skrócony do 1

÷2 h. Technologia ta jest

w szerokim zakresie wykorzystywana przy wytopie stali na odlewy kształtowe. Stosuje się ją
także przy produkcji stali niestopowej w piecach o bardzo dużej pojemności i bardzo wielkiej
mocy właściwej (tzw. piece UHP). W tym zakresie jest ona konkurencyjna dla technologii
martenowskiej opartej na wsadzie stałym.

Proces wytapiania bez dyfuzyjnego odtleniania umożliwia także otrzymanie stali

wysokiej jakości nie ustępującej stalom otrzymywanym w innych procesach elektrycznych,
jeśli podczas spustu metalu do kadzi lub po spuście zrealizuje się rafinację metalu (technika
tzw. pozapiecowej obróbki stali polegająca m.in. na rafinacji żużlem syntetycznym,
przedmuchu neutralnym gazem w kadzi, odgazowaniu próżniowym) [176].

Roztapianie stali z utlenianiem jest jeszcze bardziej uproszczonym procesem

produkcyjnym i obejmuje tylko część procesu wytwarzania stali. Druga część realizowana
jest poza piecem łukowym, m.in. w specjalnej kadzi odlewniczej, z możliwością użycia jako
źródła ciepła technologicznego autonomicznego urządzenia łukowego. Opracowanie tej
technologii ma związek z wprowadzeniem do metalurgii

237

5. Nagrzewanie łukowe
___________________________________________________________________________

konwertorów tlenowych, które umożliwiają uzyskiwanie stali dostatecznie doba jakości po
niższych kosztach aniżeli przy użyciu pieców martenowskich. Pieca martenowskie zaczęto
więc eliminować, co nie pozwalało na przerabianie całej ilość złomu, który zużywany był
dotąd w piecach martenowskich, a nie mógł być zużyta w konwertorach ponieważ wsadem do
nich była surówka w stanie ciekłym, do które można dodać tylko 15

÷20% złomu stałego.

Koszt produkcji stali w piecach martenowskich i łukowych zrównał się, a w konsekwencji
zaczęto budować urządzeni! łukowe z piecami o pojemnościach 100, 200, 360 Mg i bardzo
dużych mocach właściwych (tzn. odniesionych do pojemności jednostkowej).

Jednostki tego rodzaju, nazywane często piecami ultra wielkiej mocy UHP (Ultra High

Power), można było wprawdzie stosować do wytopu stali stopowych, lecz nie zawsze na stal
taką było dostatecznie duże zapotrzebowanie. Dlatego też na przełomie lat siedemdziesiątych
i osiemdziesiątych zaczęły się rozwijać procesy obróbki pozapiecowej stali, w skojarzeniu z
którymi urządzenie łukowe jest jedynie; agregatem przeznaczonym do roztapiania złomu i
realizacji fazy utleniania [193].

Technologia ta wymaga odpowiedniego przygotowania wsadu, a szczególnie jego

ujednorodnienia w celu skrócenia czasu roztapiania i uzyskania powtarzalnych warunków
wytopu. Utlenianie realizuje się przez doprowadzenie dużych ilości tlenu. Stosuje się także
dodatkowe źródła energii w postaci palników. Proces wymaga w zasadzie kontroli
komputerowej zwłaszcza, że stopień komplikacji urządzeń najnowszych generacji –
specjalnie dostosowanych do tej technologii -jest bardzo duży [193].

Wytapianie stali w piecach z wyprawą kwaśną jest procesem o podstawowym

znaczeniu przy produkcji odlewów kształtowych. Ma on następujące zalety w porównaniu z
procesem zasadowym:
- Nagrzewanie metalu do wymaganej temperatury przebiega szybciej aniżeli w piecach z

żużlem zasadowym (wyprawa w tych piecach jest także zasadowa). Kwaśne żużle
charakteryzują się mniejszą konduktywnością w porównaniu z zasadowymi, dlatego część
mocy wydziela się bezpośrednio w żużlu. Łuki są krótsze, co także ułatwia przekazywanie
ciepła do wsadu.

- Zużycie właściwe energii jest mniejsze.
- Krótszy jest czas wytapiania, co jest szczególnie korzystne przy produkcji odlewów.
- Cena wymurówki kwaśnej jest niska, a jej wytrzymałość wysoka.
Zasadniczą wadą tej technologii jest niemożliwość usunięcia fosforu i siarki z kąpieli. Z tego
względu wsad musi zawierać niewielkie ilości tych pierwiastków. Stal wytwarzana w piecach
z wyprawą kwaśną, ze względu na zawartość P i S, ma znacznie niższe właściwości
plastyczne. W piecach z wyprawą kwaśną nie można też wytapiać stali z dużą zawartością
Mn oraz Ti i Al.

W procesie kwaśnym, podobnie jak w zasadowym, wyróżnia się fazę roztapiania,

utleniania oraz odtleniania. Dodatki stopowe wprowadza się na ogół do kąpieli w piecu.
Niektóre dodaje się do metalu po jego zlaniu do kadzi [176].

238

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
__________________________________________________________________________

5.2.1.2. Wytapianie stali przy wsadzie płynnym

Przy niedostatku złomu, jako materiału wsadowego, używa się surówki. Jeśli jej ilość zawiera
się w granicach 10

÷20%, to dodaje się ją w stanie stałym, przy 30÷50% – wprowadza się ją w

stanie ciekłym. Technologia ta nabiera szczególnego znaczenia w związku z coraz
powszechniejszym wprowadzaniem pieców o wielkiej pojemności. Jej stosowanie wymaga
wprowadzania do wsadu dużych ilości rudy żelaza i wapna. Materiały te częściowo
wprowadza się przy załadunku pieca, częściowo w fazie topienia. Surówkę wlewa się do
pieca po 0,8

÷1 godzinie od rozpoczęcia roztapiania wsadu stałego. Następnie utlenia się

domieszki, a powstający żużel jest usuwany z pieca. W czasie topienia, a także po jego
zakończeniu, kadź piecowa przedmuchiwana jest tlenem. Utleniające działanie atmosfery w
piecu łukowym jest mniejsze niż w piecu martenowskim, dlatego przy wytopie z 40

÷50%-

owym udziałem ciekłej surówki, zawartość węgla w metalu po roztopieniu wsadu jest
stosunkowo duża. Jest to korzystne przy wytopie stali wysokowęglowych.

Technologia wytopu stali przy wprowadzeniu pewnej ilości wsadu w stanie ciekłym

umożliwia zmniejszenie zużycia energii o 10

÷20% w porównaniu z pracą ze wsadem

wyłącznie stałym [176].

Piec łukowy dość rzadko używany jest wyłącznie jako agregat do rafinacji stali. W

takim przypadku stosuje się wsad wyłącznie w stanie ciekłym, np. z pieca martenowskiego.
Ograniczenie procesu w piecu łukowym do rafinacji i wprowadzenia dodatków stopowych
powoduje zmniejszenie zużycia energii elektrycznej przy 2

÷3 krotnym zwiększeniu

wydajności. Technologia ta służy m.in. do otrzymywania stali o małej zawartości Ni i Cu, co
jest szczególnie ważne przy wytopie stali transformatorowej. Większe znaczenie ma
technologia oparta na układzie konwertor tlenowy – piec łukowy. W piecu elektrycznym
utlenia się zbędny węgiel, prowadzi się odtlenianie, odsiarczanie i uszlachetnianie [176].

5.2.1.3. Wytapianie stali z żelaza gąbczastego

Żelazo gąbczaste jest produktem otrzymywanym w wyniku redukcji tlenu z wsadu
żelazodajnego (rudy żelaza) w temperaturze niższej od 1200°C, którą umownie przyjmuje się
za granicę mięknięcia wsadu. Żelazo gąbczaste otrzymuje się w postaci porowatych
kawałków zredukowanej rudy lub w postaci proszku żelaza. W czasie redukcji nie zmienia się
objętość redukowanych kawałków wsadu i wobec tego maleje jego gęstość do 2

÷4 g/cm

przy

porowatości 50

÷80%. Podstawowym parametrem określającym przydatność żelaza

gąbczastego do procesu metalurgicznego realizowanego w piecu łukowym jest skład
chemiczny, a zwłaszcza zawartość skały płonnej i tlenu. Przy produkcji żelaza w
przemysłowych instalacjach redukcji bezpośredniej nie można usunąć z niego skały płonnej i
wobec tego zawiera ono jej tyle, ile wprowadzono go z rudą. Zawartość tlenu w żelazie
gąbczastym określana jest zwykle dwoma

239

5. Nagrzewanie łukowe
___________________________________________________________________________

wskaźnikami: stopniem metalizacji, rozumianym jako stosunek żelaza metalicznego do cał-
kowitej jego zawartości oraz stopniem redukcji, czyli stosunkiem związanego z żelazem tlenu
usuniętego z rudy w trakcie redukcji, do tlenu związanego z żelazem w rudzie przed redukcją.
W stalowniczym procesie łukowym bazującym na żelazie gąbczastym zawarta w nim ilość
tlenu nie powinna przekraczać 3%, co jest tożsame ze stopniem metalizacji wyższym od 0,9
lub stopniem redukcji większym od 0,93 [177}.

W procesach wytwarzania żelaza gąbczastego (lista procesów redukcji bezpośredniej

obejmuje ok. 700 rozwiązań) stosuje się reduktory stałe lub gazowej Większość sprawdzo-
nych w skali przemysłowej technologii redukcji bazuje na konwertorowanym gazie ziemnym.
W 1981 r. 91% żelaza gąbczastego otrzymywanych przy użyciu reduktorów gazowych, a
resztę głównie przy użyciu węgla.

Urządzenia, w których wytwarza się żelazo gąbczaste nazywają się reaktorami. Są to,

w zależności od technologii, piece szybowe, obrotowe, pierścieniowej retorty, mufle i reak-
tory fluidalne. Nośnikami energii cieplnej w procesach redukcji są różne rodzaje paliw cie-
kłych i gazowych, także hel jako czynnik chłodzący reaktory. Z tym ostatnim nośnikiem
wiąże się największe nadzieje na przyszłość.

Udział żelaza gąbczastego w światowej produkcji stali już w 1981 r. stanowił 5%

wsadu zużytkowanego w elektrostalowniach. Według prognoz z 1983 r. ma on wynieść
12

÷15% w 1990 r., z czego 80% przetworzone będzie na stal w piecach łukowych [193]. Ko-

rzystnie jest wytwarzać stal z żelaza gąbczastego bezpośrednio w zakładach mających urzą-
dzenia redukcji bezpośredniej, ale używa się go także w stalowniach, do których jest ono do-
starczane z odległych zakładów produkcyjnych.

Udział żelaza gąbczastego we wsadzie pieca łukowego może się wahać w granicach

÷100%, resztę stanowi złom stalowy. Jest ono ładowane do pieca w sposób ciągły w czasie

topienia wsadu w ilościach 28

÷35 kg/(min·MW) zależnych od mocy pieca, lub okresowo za

pomocą kosza. Zużycie właściwe energii w procesie wytopu wynosi około 550 kW·h/Mg cie-
kłej stali. Przy załadunku wsadu w stanie nagrzanym 800

÷1000°C maleje ono do 400 kW·h

[56].

Żelazo gąbczaste jest z punktu widzenia metalurgicznego bardzo korzystnym rodza-

jem wsadu, ponieważ znamionuje się stałym składem chemicznym i śladowym udziałem
pierwiastków szkodliwych. W związku z tym jego użycie wyłączne lub częściowe wiąże się z
polepszeniem jednorodności produkowanej stali, uzyskaniem przez nią korzystniejszych wła-
ściwości mechaniczno-technologicznych, polepszeniem stanu powierzchni, np. po odlaniu i
przeróbce na taśmy, druty, rury.

Wprowadzenie żelaza gąbczastego do wsadu pozwala obniżyć zasadowość żużla, ob-

niża się bowiem ilość wprowadzanego fosforu i siarki. Stąd też na ogół 60% Ca dodaje się w
sposób ciągły przed upływem 1/3 czasu topienia. Po roztopieniu całego wsadu żużel jest ścią-
gany, dodaje się resztę Ca i rozpoczyna się okres rafinacji [177].

Niektóre rudy zawierają bardzo dużą ilość fosforu, a mianowicie 0,3

÷1,2%. Żelazo z

takich rud przerabia się w piecach z wyprawą kwaśną pod kwaśnym żużlem.

Żelazo gąbczaste jest jednym z kilku produktów redukcji bezpośredniej rudy. Mogą

nimi być także stal lub surówka żelaza. W dwuetapowym sposobie ich

240

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
___________________________________________________________________________

wytwarzania najpierw prowadzi się redukcję wstępną w piecu obrotowym, szybowym lub w
złożu fluidalnym, następnie redukcję w piecach łukowych. Głównymi technologiami tej
kategorii są procesy Elkem, Strategic – Udy i DLM. Zostały one sprawdzone w skali przemy-
słowej, jednak nie znalazły dotąd stałego miejsca w hutnictwie stali [177].

5.2.1.4. Przetapianie metali

Przetapianie metali, a w szczególności Ti, W, Mo, Nb, Zr, Ni, stali i stopów specjalnych ża-
roodpornych, nierdzewnych, łożyskowych realizuje się w łukowych piecach próżniowych.
Jest to proces mający na celu poprawę stopnia czystości i polepszenia struktury metalu, któ-
rego skład chemiczny został ustalony w czasie procesu metalurgicznego, poprzedzającego
proces przetapiania w łukowym piecu próżniowym [321].

Podczas procesu przetapiania nie ma możliwości uzupełnienia składników metalu, a

jeśli przetapianiu poddawany jest stop, następuje nawet zgar niektórych składników
charakteryzujących się wysokimi prężnościami par. Oznacza to konieczność wprowadzenia w
trakcie procesu metalurgicznego niezbędnego nadmiaru składników odparowujących w
próżni. Wsad do łukowego pieca próżniowego przygotowuje się w piecach metalurgicznych
atmosferowych, a także próżniowych elektrycznych opartych na innej metodzie niż łukowa
(np. indukcyjnych).

Tak jak wspomniano już w p. 5.1.3.1., największe znaczenie przy realizacji procesów

przetapiania metali mają próżniowe piece łukowe z krystalizatorem. W procesie przetapiania
wyodrębnia się okres operacji wspomagających i okres właściwego przetapiania metali [83].

Pierwszy z nich obejmuje: czyszczenie krystalizatora i płyty dennej, załadunek

przetapianej elektrody do pieca, odpompowanie komory i sprawdzenie szczelności,
wytrzymanie wlewka w krystalizatorze po jego wytworzeniu (schłodzenie), wyładunek
wlewka. Czas niezbędny na wykonanie tych operacji w zależności od konstrukcji urządzeń
waha się w granicach od 2

÷6% (piece o dużych pojemnościach) do 10÷30% (piece o małych

pojemnościach) całkowitego czasu procesu.

W okresie przetapiania metalu ma miejsce degazacja i eliminacja lotnych domieszek i

wtrąceń niemetalicznych w wyniku ich rozpuszczania wraz z końcówką przetapianej
elektrody i wypływania na powierzchnię  kąpieli metalowej, stanowiącej wraz z
krystalizatorem jedną z elektrod układu  łukowego. O przebiegu tych procesów decyduje
szybkość przetapiania, która ma ponadto wpływ na strukturę formowanego wlewka.

Okres przetapiania dzieli się na trzy fazy:

- rozpoczęcie procesu, zainicjowanie wyładowania łukowego i stabilizacja warunków jego

zasilania;

241

5. Nagrzewanie łukowe
________________________________________________________________________

- prowadzenie przetapiania przy możliwie stałym natężeniu prądu;
- zakończenie procesu mające na celu m.in. ograniczenie zakresu powstawania jamy skurczo-

wej i segregacji składników w górnej części wlewka [83], [321].
Rysunek 5.16 przedstawia charakterystykę prądową okresu przetapiania.

Rys. 5.16. Charakterystyka prądowa okresu przetapiania wlewka w próżniowym piecu łukowym przy

zastosowaniu krystalizatora o średnicy 500 mm, wg [321]

5.2.1.5. Obróbka pozapiecowa stali

Najbardziej charakterystycznym kierunkiem zmian technologii produkcji stali jest
przechodzenie na procesy kombinowane polegające na wytapianiu dwuetapowym. Pierwszy
etap realizowany jest w podstawowym agregacie metalurgicznym, np. w piecu łukowym,
drugi zaś w jednym lub kolejno w dwóch urządzeniach pozapiecowych, w których realizuje
się operacje rafinacji i wykończenia. Tego rodzaju podejście wynika m.in. z faktu ciągłego
zwiększania pojemności wsadowej pieców, a tym samym głębokości kąpieli i wynikającego
stąd pogarszania wzajemnego oddziaływania kąpieli metalowej z żużlem i atmosferą piecową.
W dużych piecach trudno jest uzyskać stal o małej zawartości tlenu, siarki i niepożądanych
składnikach.

W grupie będących w użyciu technik pozapiecowej obróbki stali jest kilka, w których

wykorzystuje się energię elektryczną do wytwarzania ciepła niezbędnego do realizacji
procesów metalurgicznych drugiego etapu produkcji stali. Należą do nich:
- technika odgazowania w kadzi umieszczonej w komorze próżniowej z nagrzewaniem łu-

kiem prądu przemiennego w atmosferze powietrza, przy jednoczesnym elektromagnetycz-
nym mieszaniu ciekłej stali w kadzi (proces ASEA — SKF);

- technika odgazowania w kadzi umieszczonej w komorze próżniowej z nagrzewaniem łu-

kiem prądu przemiennego przy jednoczesnym przedmuchiwaniu argonem od dołu kadzi
(proces VAD);

242

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
__________________________________________________________________________

- technika rafinacji i wykończenia w piecu kadziowym (nazywanym niekiedy piecokadzią) z

nagrzewaniem łukiem prądu przemiennego lub stałego w atmosferze powietrza przed lub po
obróbce próżniowej (proces LF).

Należy przy tym wspomnieć o dwóch dalszych procesach, a mianowicie o tzw. odgazowaniu
z obiegiem ciągłym stali (proces RH) i z obiegiem nieciągłym (proces DH), w których
wykorzystuje się także ciepło z energii elektrycznej, lecz przy wykorzystaniu metody
rezystancyjnej pośredniej (elementy grzejne grafitowe) [230], [321].

Proces ASEA—SKF umożliwia zwiększenie stopnia odgazowania stali, przep-

rowadzenie rafinacji (m.in. odsiarczanie i odwęglanie) za pomocą żużla i różnych dodatków
stopowych wprowadzanych zarówno w czasie odgazowywania jak i nagrzewania, a wreszcie
podgrzanie odgazowanej stali w celu skorygowania temperatury odlewania. Całkowity czas
rafinacji ciekłej stali w tym procesie sięga nawet 3 h. W takim przypadku czas wytopu w
piecu łukowym ulega istotnemu skróceniu, m.in. dzięki możliwości całkowitego
wyeliminowania fazy rafinacji.

Proces VAD jest realizowany przy ciśnieniu w komorze zmieniającym się w granicach

0,67 hPa

÷32 kPa (rys. 5.17). W piecu łukowym współpracującym z urządzeniem VAD

przeprowadza się tylko roztapianie i odfosforowanie. Odtlenianie i odsiarczanie oraz
dodawanie dodatków stopowych przeprowadza się w kadzi podczas odgazowania stali i
następnego jej podgrzewania. W ten sposób wydajność pieca łukowego wzrasta o 50%.
Zawartość wodoru w stali maleje o ok. 60%, tlenu – o ok. 80%. Odsiarczenie stali wynosi
70÷80% stanu początkowego [277], [321].

Proces LF, mimo że zaczęto go wprowadzać do hutnictwa stali z początkiem lat

osiemdziesiątych, znalazł w nim mocną pozycję. Piec kadziowy jest jednym z członów w
łańcuchu obróbki stali, która może być także poddawana dalszemu uszlachetnianiu w
urządzeniach odgazowywania próżniowego. Istotą procesu LF jest:
- możliwość podwyższenia temperatury kąpieli, co pozwala na obniżenie temperatury stali w

czasie spustu z pieca łukowego;

- możliwość ujednorodnienia kąpieli pod względem składu chemicznego i temperatury jak

również obniżenia zawartości tlenu i siarki;

- stworzenie warunków łatwego dopasowania pieca łukowego do urządzeń odlewniczych

dzięki lepszemu ich wykorzystaniu (praca buforowa);

- obniżenie zużycia właściwego energii i skrócenie czasu wytopu;
- obniżenie zużycia materiałów ogniotrwałych pieca;
- możliwość wprowadzenia do kadzi dodatków stopowych i naprowadzenia żużla, a tym

samym realizacji procesu rafinacji;

- oszczędność elektrod.

Najlepsze efekty uzyskuje się przy łuku całkowicie otulonym warstwą żużla zasadowego

[277].

243

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
_______________________________________________________________________

5.2.2. Urządzenia łukowe z piecami wytopowymi

prądu przemiennego

5.2.2.1. Charakterystyka ogólna urządzeń

Urządzenia łukowe z piecami wytopowymi prądu przemiennego, jako podstawowymi ich
członami, zalicza się do urządzeń elektrotermicznych z nagrzewaniem pośrednim wsadu.
Przeznaczone są one do wytwarzania stopów oraz innych metali. Ten sposób nagrzewania jest
realizowany zarówno w piecach o łuku pośrednim (wyładowanie między elektrodami, z któ-
rych żaden nie jest wsadem), jak i w piecach o łuku bezpośrednim (wyładowanie między
elektrodą i wsadem). Nie jest rzadkością utożsamianie rodzaju łuku (pośredni, bezpośredni)
ze sposobem nagrzewania (pośrednie, bezpośrednie), co nie jest zgodne z powszechnie przy-
jętą w elektrotermii terminologią (patrz p. 1.2).

Przy wzięciu za podstawę innych, wprowadzonych w p. 1.2. kryteriów klasyfikacyj-

nych, urządzenie łukowe z piecami prądu przemiennego zaliczyć należy do nieprzelotowych,
pracujących w atmosferze naturalnej w sposób okresowy. Piece są zasilane napięciem o czę-
stotliwości sieciowej (w przeszłości stosowana była także częstotliwość zmniejszona).

Oprócz pieca, czyli członu grzejnego, w skład urządzenia wchodzą następujące ele-

menty stanowiące jego wyposażenie: układ zasilający, mechanizmy załadunku wsadu, insta-
lacje chłodzenia wodnego, instalacje odciągowo-odpylające, człony pomiarowo-regulacyjne.
Duże zróżnicowanie urządzeń, zarówno pod względem mocy, przeznaczenia, jak i stopnia
nowoczesności sprawia, że urządzenie nie zawsze zawiera wszystkie wymienione elementy, a
może być wyposażone w człony specjalizowane – wyżej nie wymienione, instalowane wyjąt-
kowo (np. przeznaczone do mieszania metalu).

Urządzenia z piecami o łuku pośrednim są z reguły odbiornikami jednofazowymi o

maksymalnych pojemnościach wsadowych rzędu 1 Mg i mocach rzadko przekraczających 1
MVA [245]. Stopień ich mechanizacji i automatyzacji jest niewielki. Wspólną cechą dwóch
odmian tych urządzeń (z piecami bębnowymi wahającymi oraz z piecami przechylnymi do
odlewania precyzyjnego) jest poziome usytuowanie dwóch elektrod grafitowych ponad po-
wierzchnią nagrzewanego wsadu [254].

Pierwsza z tych odmian, przedstawiona na rys. 5.18, jest bardziej rozpowszechniona.

Wsad 7 nagrzewa się w wyniku bezpośredniego promieniowania łuku oraz pośrednio przez
przejmowanie ciepła z nagrzanej warstwy materiału ogniotrwałego – zwłaszcza przez styk
metalu z ceramiką – podczas wahań bębna o 180

÷200° od położenia poziomego. Ruchy wa-

hadłowe z szybkością 0,1

÷0,2 rad/s są realizowane za pośrednictwem napędu elektrycznego

jednej z czterech rolek, na których spoczywa bęben. Elektrody grafitowe przechodzą przez
ściany czołowe pieca. Metalowe uchwyty

245

5. Nagrzewanie łukowe
__________________________________________________________________________

Rys. 5.18. Piec bębnowy o łuku pośrednim: a) przekrój podłużny; b) przekrój poprzeczny

1 – łuk, 2 – wyprawa ogniotrwała, 3 – izolacja cieplna, 4 – obudowa, 5 – obręcze, 6 – elektroda
grafitowe, 7 – wsad, 8 – rolki, 9 – lej spustowy, 10 - drzwiczki
Zaczerpnięto z [209]

elektrod są chłodzone wodą. Zapewniona jest możliwość regulacji długości łuku przez
zmiany położenia jednej z elektrod. Czynność ta rzadko bywa zautomatyzowana.

Urządzenia te znalazły zastosowanie w odlewniach do topienia stopów o podstawie

Pb, Sn, Zn, Al oraz niklu, żeliwa stopowego, ciągliwego, a także do wytwarzania w
niewielkich ilościach staliwa nierdzewnego, stali szybkotnącej na narzędzia skrawające
odlewane metodami odlewnictwa precyzyjnego [254].

Współczynnik mocy urządzeń łukowych z piecami bębnowymi zawiera się w

przedziale 0,82

÷0,92. Zużycie właściwe energii przy topieniu stopów żelaza – 750, brązów –

650, niklu – 725, monelu – 650, miedzioniklu – 500 kW·h/Mg [245]. Pieców tych używa się
ponadto do przetapiania wsadu złożonego w 85% z ciekłego żeliwa wytapianego w żeliwiaku
i w 15% ze złomu żeliwnego lub stalowego. Zużycie właściwe energii wynosi wówczas 175
kW·h/Mg [254].

Druga odmiana urządzeń o łuku pośrednim – z piecami do odlewania precyzyjnego –

charakteryzuje się bardzo małymi pojemnościami (do 40 kg) i mocami rzędu kilkudziesięciu
kV·A. Piec jest ładowany od góry przez otwór, który służy zarazem do spustu metalu w formę
po jej przymocowaniu do pieca i odwróceniu obu połączonych członów o 180% [254].

Urządzenia z piecami o łuku pośrednim są z powodzeniem zastępowane przez piece

indukcyjne, znacznie wygodniejsze w eksploatacji przy topieniu niewielkich ilości metali.

Urządzenia z piecami o luku bezpośrednim mają podstawowe znaczenie w

metalurgii i odlewnictwie. Spośród wielu odmian najbardziej rozpowszechniły się piece
trójfazowe trójelektrodowe z dnem nieprzewodzącym opracowane przez Heroulte'a. Stanowią
one, obok konwertora tlenowego, podstawowy agregat nowoczesnej metalurgii. Przy ich
użyciu wytwarza się w skali światowej 180·10

Mg stali zwanej elektrostalą (wg. stanu na rok

1986), czyli 1/4 całkowitej masy tego metalu przy średniej szybkości wzrostu produkcji
wynoszącej 4% w skali rocznej (średnioroczny przyrost produkcji stali we wszystkich
rodzajach pieców wynosi na przestrzeni lat 1975

÷1986 tylko 0,3%).

246

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
_________________________________________________________________________

Regulacja mocy łuków jest typu impedancyjnego i polega na utrzymywaniu zadanej

wartości ilorazu napięcia i prądu łuku. Ściany ogniotrwałe kotła są wykonywane z magnezytu
i dolomitu zaś sklepienie początkowo z cegieł krzemionkowych, później z cegieł o coraz
większej zawartości Al

. Moc jednostkowa urządzenia

(5.10)

przy czym:

S – moc znamionowa transformatora, V- pojemność znamionowa pieca.

Moc jednostkowa rzadko przekracza 200 kV·A/Mg w przypadku urządzeń średniej wielkości.
Proces odwęglania i odfosforowania jest wykonywany rudą, przeciętny czas wytopu od
spustu do spustu: 4

÷6 h, co odpowiada wydajności 15÷25 Mg/h pieca o pojemności 100 Mg.

Istotną wadą tych pieców jest nierównomierne zużywanie się wymurówki ścian i mała

jej trwałość. Z tego m.in. względu używano ich, i używa się nadal, wyłącznie do produkcji
stali szlachetnych i wysokostopowych [193]. W celu oceny zużycia wymurówki W.E.
Schwabe wprowadził „wskaźnik zużycia wymurówki", który w wersji pierwotnej określony
był zależnością

(5.11)

przy czym:

– moc łuku pod jedną elektrodą,

– napięcie łuku,

– rezystancja łuku,

l –

najmniejsza odległość łuku od wymurówki, przyjmowana jako odległość elektrody od
wymurówki.

Rys. 5.21. Charakterystyka mocy czynnej łuku (1) i wskaźnika zużycia wymurówki (2)

– moc łuku, P

łmax

– maksymalna moc łuku, R

– wskaźnik zużycia wymurówki, R

Emax

–

maksymalna wartość tego wskaźnika. I

– prąd łuku, I

– maksymalna wartość prądu (przy zwarciu

elektrody ze wsadem), cos

ϕ – współczynnik mocy urządzenia łukowego

249

5. Nagrzewanie łukowe
_________________________________________________________________________

Wskaźnik ten stał się w wersji pierwotnej (5.11) lub zmodyfikowanej jednym z

ważnych kryteriów oceny jakości pieca [92], [193]. Unormowane zależności tego wskaźnika i
mocy łuku od względnej wartości prądu łuku, a więc pośrednio od długości łuku przedstawia
rys. 5.21. Znamienne jest, że największe zużycie wymurówki ni| występuje przy maksymalnej
mocy łuku.

Wskaźnik zużycia wymurówki może być także przedstawiony w postaci

kł

'
E

(5.12)

przy czym

kł

jest spadkiem napięcia na kolumnie łukowej (0,886

Dla konkretnego pieca w użyciu jest wielkość nazywana wskaźnikiem zużycia

właściwego wymurówki

"
E

(5.13)

Według zmodyfikowanej koncepcji W.E.Schwabego wskaźnik zużycia wymurówki
definiowany jest następująco:

(5.14)

zaś wskaźnik zużycia właściwego wymurówki

'
F

(5.15)

przy czym:

– napięcie łuku w V,

X – reaktancja fazowa toru elektrycznego do zasilania

łuku wyrażona w

Ω, l - najmniejsza odległość elektrody od wymurówki kotła w cm, F –

współczynnik zależny od

cos

przy prądzie roboczym i

cos

przy zwarciu elektrody ze

wsadem.

Druga generacja urządzeń zaczyna być wprowadzana z początkiem lat

sześćdziesiątych. Wówczas to rodzi się nowe pojęcie: urządzenie łukowe ultrawielkiej mocy
– UHP (ultra high power). W celu ograniczenia zużycia wymurówki pod koniec okresu
roztapiania lub przy pracy z ciekłym wsadem, a więc wtedy, gdy łuk jest odsłonięty i
promieniuje na wymurówkę, piec jest eksploatowany przy małych wartościach

, i dużych

wartościach prądu łuku (krótki łuk). Na przykład by uzyskać założony poziom mocy łuku
określony punktem

A lub B (rys. 5.21) korzystniej jest, ze względu na wartość R

pracować

nie w punkcie

A charakterystyki mocy łuku, lecz w punkcie B (zużycie wymurówki określone

punktem

D jest mniejsze o 40% w porównaniu ze zużyciem określonym punktem A). Moc

jednostkowa urządzeń drugiej generacji wzrasta wtedy do 400

÷500 kV·A/Mg. Wprowadzony

został tor wielkoprądowy triangulowany, co

250

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
________________________________________________________________________

poprawiło istotnie jego symetrię elektryczną w porównaniu z torem koplanarnym. Część
giętką toru wykonuje się z kabli o dużej obciążalności prądowej chłodzonych wodą.
Zastosowano wyciągi gazów i pyłów piecowych przez otwór w sklepieniu pieca. Konieczność
pracy przy większych prądach doprowadziła do powstania tzw. elektrod wysoko-
intensywnych o małej rezystywności. Pierwsze elektrody o średnicy 600 mm zastosowane
zostały przy prądach 70

÷80 kA w końcu 1963 r. W pierwszym piecu UHP o pojemności 135

Mg (r. 1964) osiągnięta została wydajność 55 Mg wlewków na godzinę. Wraz z wdrożeniem
urządzeń UHP wprowadzony został wskaźnik wykorzystania czasu, który w wersji uściślonej
przez Arita i Markwortha ma postać [7]

Nτ

−

(5.16)

gdzie:

– czas kampanii pieca, np. 8760 h/rok, tzn. z pominięciem czasu wyłączeń z powodu

świąt, przerw wakacyjnych i przerw na remonty kapitalne,

– łączny czas przerw

eksploatacyjnych planowanych (

) i nieplanowanych (

N – liczba wytopów w kampanii,

– średni czas od spustu do spustu.

Nastąpiły zmiany organizacyjne, które doprowadziły do skrócenia

, np. przez

zmniejszenie przerw na załadunek, ściąganie żużla, konserwację itp. Urządzenie łukowe stało
się konkurencyjne dla innych nieelektrycznych urządzeń stalowniczych w dziedzinie
produkcji stali węglowej i zaczęto go używać do współpracy z agregatami do ciągłego
odlewania stali (COS). Typowa wydajność pieca 100 Mg wzrosła do 40 Mg/h (maksymalna
do 55 Mg/h), czas od spustu do spustu skrócony został do 2,5 h, a w kilku przypadkach do 2 h
[193].

Trzecia generacja urządzeń zaczyna być wprowadzana w 1973 r. w Japonii.

Bezpośrednim impulsem do dalszych zmian w konstrukcji i eksploatacji urządzeń był nie
rozwiązany do końca problem zużycia wymurówki, strata czasu na jej wymianę, oraz na
remonty bieżące. Duże natężenia prądów przy pracy z łukami krótkimi powodowały duże
zużycie elektrod. Teoretyczne programy mocy były trudne do przestrzegania.

Wprowadzane innowacje polegały na: odpowiednim przygotowaniu wsadu, wdmuchi-

waniu dużych ilości tlenu przy wystarczającej zawartości węgla we wsadzie, dodatkowym
nieelektrycznym nagrzewaniu wsadu (3 lub 4 palniki z dogrzewaniem najchłodniejszych
obszarów w piecu), połączeniu odwęglania i odfosforowania w końcowej fazie roztapiania
wsadu, rozdrabnianiu żużla redukującego przez dodanie wapna, po częściowym usunięciu
żużla w celu odsiarczenia kąpieli. Ponieważ utrzymanie dużej wartości średniej mocy łuku, a
tym samym dalsze skrócenie czasu roztapiania było trudne do rozwiązania z uwagi na
konieczność ograniczenia zużycia wymurówki i elektrod, a najkorzystniejszy stan miałby
miejsce przy stałej pracy urządzenia z mocą średnią bliską maksymalnej mocy łuku, czyli
przy dużym zużyciu wymurówki (długi łuk), wprowadzono chłodzenie wodne ścian wanny.
Przez fazy pośrednie wprowadzono rozwiązania polegające na całkowitym wyeliminowaniu
251

5. Nagrzewanie łukowe
_________________________________________________________________________

wymurówki ponad poziomem żużla oraz na rezygnacji z wymurowania znacznej powierzchni
sklepienia także chłodzonego wodą. Innowacje te już bez sterowana komputerowego
umożliwiły istotne zwiększenie wydajności pieców. Moce jednostkowe urządzeń wzrosły do
650

÷800 kV·A/Mg (rys. 5.22).

Rys. 5.22. Moce urządzeń łukowych trzeciej generacji S oraz średnice wewnętrzne kotłów piecowych D w

funkcji pojemności wsadowej pieców m

Wprowadzono sterowanie komputerowe, a następnie pozapiecową obróbkę stali, co

umożliwiło przesunięcie części operacji technologicznych do pieców kadziowych. W tych
warunkach piec o pojemności 100 Mg, pracujący wyłącznie z wsadem w postaci złomu i przy
wdmuchiwaniu 30 Nm

/h tlenu osiągnął wydajność 60

÷80 Mg/h z jednoczesnym skróceniem

cyklu roboczego do 95

÷80 minut. Jeśli taki piec pracuje częściowo z wsadem w postaci

żelaza gąbczastego podawanego w sposób ciągły, jego wydajność rośnie do 85 Mg/h. Zużycie
właściwe energii na roztopienie

zimnego złomu jest równe około 460 kW·h/Mg ciekłej stali.

Zużycie elektrod obniżone i zostało do 4-3 kg/Mg stali [193].

Czwarta generacja urządzeń jest obecnie wprowadzana. Pierwsze znamienne dla

niej rozwiązania pojawiły się w roku 1981. Mają one na celu poprawę warunków

pracy przy

urządzeniach, wykorzystanie ukrytych możliwości dalszego przyspieszenia procesu,
zwiększenie stopnia automatyzacji, wprowadzenie żużli spienianych i towarzyszące temu
przejście do pracy z długim łukiem, rekuperację strat cieplnych, ograniczenie degradacji
środowiska przez elektrostalownie.

Piece roku 1990 mają już dźwiękoszczelne sklepienia ograniczające hałas wytwarzany

przez łuki, zapewniające jeszcze bardziej skuteczne odprowadzanie gazów i pyłów. Piece
ładowane są nadal za pomocą koszy, lecz część już w sposób ciągły przez piąty otwór w
sklepieniu. Wsadem bywa przy tym zarówno rozdrobniony złom, jak i żelazo gąbczaste.
Spust stali dokonywany jest przez konwencjonalną rynnę spustową

252

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
_________________________________________________________________________

jak i przez dno pieca do kadzi przewoźnych. Bardzo duże piece o pojemności powyżej 300
Mg będą stosowane w najbliższej przyszłości rzadko. Jednostkami najbardziej popularnymi
staną się piece o pojemnościach 80

÷150 Mg, zasilane z transformatorów o mocy

jednostkowej 800

÷1000 kV·A/Mg. (tzw. piece SUHP – super ultrawielkiej mocy), wy-

posażone w dodatkowe źródła energii (plazmotrony lub palniki na gaz, olej, pył węglowy).
Zaawansowanie systemów sterowania ograniczy istotnie pracę operatora. Optymalizacja
procesu stanie się łatwiejsza w związku z przeniesieniem wielu procesów metalurgicznych
poza piec wytopowy. Zautomatyzowane zostanie przedłużanie elektrod.

Znaczna część ciepła pochodząca z chłodzenia ścian i sklepienia pieca będzie

odzyskiwana w postaci gorącej wody. Dotyczy to także odzysku ciepła z żużla. Rekuperacja
ciepła gazów odlotowych stanowiących 10

÷20% całkowitych strat może być zrealizowana na

poziomie 800

÷1000°C z przeznaczeniem do wstępnego nagrzewania złomu w koszu

wsadowym lub w piecu obrotowym. Nie można wykluczyć odzysku ciepła z wlewków i
kęsów o temperaturze ok. 800°C.

Zużycie właściwe energii po wprowadzeniu tych zmian zmniejszy się o 50

÷100

kW·h/Mg zaś czas od spustu do spustu osiągnie wartość 55

÷60 minut, dostosowany do

wydajności agregatów COS. Procesy oparte na urządzeniach czwartej generacji staną się
jeszcze bardziej konkurencyjne w stosunku do innych nieelektrycznych technologii [193].
Potwierdzają to korzystne zmiany podstawowych wskaźników eksploatacyjnych w
stalowniach, w których wprowadza się wymienione innowacje charakterystyczne dla
urządzeń czwartej generacji [178], [310].

Nadal pozostają jednak w użyciu urządzenia różnych generacji. Opłacalna stała się

modernizacja urządzeń starszych. Charakter niniejszej książki wyklucza możliwość
omówienia w równym stopniu rozwiązań tradycyjnych i nowoczesnych. Z tego względu w
dalszym ciągu większy nacisk położony będzie na rozwiązania dwóch ostatnich generacji,
których główne człony i ich charakterystyki omówione będą w następnych punktach.

5.2.2.2. Stalownicze trójfazowe piece wytopowe o łukach bezpośrednich

Podstawowymi elementami pieca wytopowego (rys. 5.23), czyli takiego, w którym
realizowane jest wytapianie lub roztapianie wsadu są: kocioł i sklepienie

4 ograniczające

przestrzeń roboczą, mechanizm unoszenia sklepienia

13, przechylna platforma 19 i

urządzenie nośne elektrod

Kocioł w klasycznym wykonaniu jest zbiornikiem o przekroju kołowym i składa się z

dna oraz cylindrycznej ściany bocznej (rys. 5.20). Wykonuje się go jako niedzielony lub
dzielony, przy czym linia podziału przebiega ok. 0,5 m ponad powierzchnią ciekłego metalu.
W nowych wykonaniach część kotła poniżej tej linii odbiega od geometrii kołowej, co wiąże
się z wprowadzeniem ekscentrycznego spustu przez dno (rys. 5.20). Dno pieca, wykonane ze
stalowego płaszcza wyłożonego kilkoma

253

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich stosowania
___________________________________________________________________________

warstwami materiałów ceramicznych, tworzy tzw. trzon. Łączna grubość tych warstw jest
rzędu 0,7 m. Ceramikę podstawową i roboczą tzn. stykającą się bezpośrednio z kąpielą wyko-
nuje się z materiałów dostosowanych do rodzaju procesu technologicznego (magnezyt w
przypadku procesu zasadowego, krzemionka w procesie kwaśnym). Warstwa robocza jest
wykonywana przez ubijanie przy dodaniu do masy ceramicznej środków wiążących [180],
[254].

Ściana boczna jest wykonywana w sposób bardziej zróżnicowany. Konstrukcje trady-

cyjne polegają na wyłożeniu stalowego płaszcza materiałami ceramicznymi w sposób po-
dobny i z takich samych materiałów jak trzon. Konstrukcje nowoczesne wykonuje się jako
częściowo chłodzone wodą. Górną granicą obszaru chłodzonego jest obrzeże kotła. Dolna
granica jest określona przez poziom stopionego wsadu (stal i żużel) z uwzględnieniem pew-
nego marginesu koniecznego przy przechyle kotła podczas spustu żużla i metalu. Obszar
chłodzony jest całkowicie pozbawiony ceramiki i dlatego między ciekłym wsadem i obsza-
rem chłodzonym musi być zachowana pewna odległość. Jedyną izolację cieplną stanowi żu-
żel, który z czasem – w wyniku działania łuku – pokrywa chłodzoną część ściany kotła. Po
skrzepnięciu tworzy on cienką warstwę
ochronną, przy czym niekiedy spotyka się rozwiązania ze specjalnie torkretowaną masą
[286]).

Przy klasycznym rozwiązaniu odbioru metalu za pomocą rynny spustowej piec jest

przechylany w końcowej fazie o 40

÷45°. W związku z tym dolna granica obszaru chłodzo-

nego jest nachylona pod pewnym kątem do poziomu, co ogranicza jej powierzchnię do
59

÷75% jej całkowitej wartości. Przy spuście przez ekscentrycznie usytuowany otwór w trzo-

nie (rys. 5.20), przechył pieca ograniczony jest do 12° zaś powierzchnia chłodzona wzrasta do
84%. Odległość granicy obszaru chłodzonego od powierzchni żużla może być wówczas
zmniejszona do 250

÷350 mm [3], [192].

Jeszcze większą powierzchnię chłodzenia (90%) uzyskuje się przy spuście przez cen-

tralnie umieszczony w trzonie otwór. To rozwiązanie ma jednak pewne wady w porównaniu
ze spustem przez otwór ekscentryczny (rozwiązanie z roku 1985) i można przypuszczać, że
nie ono będzie w przyszłości dominować.

Niechłodzone obszary ściany bocznej wykonywane są podobnie jak trzon. Kocioł wy-

posażony jest w okno wsadowe z zasłoną chłodzoną wodą. Służy ono do wprowadzania nie-
których dodatków stopowych i innych komponentów technologicznych (m.in. tlenu) oraz do
usuwania żużla z powierzchni kąpieli, co wiąże się z koniecznością przechyłu pieca w stronę
okna.

Rozwiązania kotła z chłodzeniem wodnym ściany bocznej oraz spustem przez trzon

mają wiele zalet. Uproszczona jest konstrukcja pieca, co wynika m.in. ze zmniejszenia kąta
jego przechyłu (mniejsze obciążenia dynamiczne). Ma to szczególny wpływ na wytrzymałość
sklepienia. Ogranicza się zużycie materiałów ogniotrwałych, zwiększa się wydajność pieca i
zmniejsza zużycie energii dzięki możliwości zwiększenia mocy jednostkowej, co jest konse-
kwencją dopuszczalności wzrostu obciążenia cieplnego ściany i sklepienia. Wytrzymałość
części ściany chłodzonej wodą jest bardzo duża. W wielu stalowniach przekracza ona 4000
wytopów. Elementy chłodzone są wykonywane ze stali, ostatnio obszary najbliższe żużla
wykonuje się z rur miedzianych [3].

255

5. Nagrzewanie łukowe
___________________________________________________________________________

Podstawowym parametrem kotła jest jego średnica wewnętrzna

D na poziomie dolnej

krawędzi okna wsadowego [83]. Dla pieców trzeciej generacji jest ona podana na rys. 5.22.
Przy ładowaniu pieca żelazem gąbczastym wartość

D jest z reguły większa. Piece z

ekscentrycznym spustem przez trzon także mają większe średnice kotła, a przy tym ich
wysokość jest tak dobrana, że do otrzymania wymaganej masy ciekłej stali wystarczy
ładowanie złomu dwoma koszami [3].

Sklepienie pieca ma kształt kulistej czaszy i nie jest związane z kotłem Umożliwia to

w pierwszym rzędzie szybkie ładowanie pieca koszem od góry i zamianę na nowe zużytego
sklepienia w celu jego regeneracji, niezależnie od innych części pieca. Załadowanie pieca za
pomocą kosza odbywa się po odkryciu kotła przez uniesienie sklepienia i odsunięcie go w
bok wzdłuż jednej z osi pieca, przez wysunięcie kotła spod uniesionego sklepienia lub przed
uniesienie i odchylenie sklepienia w bok o 60

÷70° [208]. To ostatnie rozwiązanie jest stoso-

wane w nowych konstrukcjach.

W piecach tradycyjnych sklepienie wykonuje się z krzemionkowych kształtek

ceramicznych (bez względu na technologię), utrzymywanych w silnym pierścieniami
stalowym chłodzonym wodą i wyposażonym w uchwyty pozwalające tę część pieca
przemieszczać.

Piece nowoczesne mają sklepienie złożone z dwóch części, jednej chłodzone wodą

(ok. 85% całej powierzchni) i drugiej ceramicznej, zlokalizowanej w części centralnej i
zawierającej 3 otwory na elektrody (część

10 na rys. 5.20) [286]. Część ta jest wymienna bez

konieczności demontażu całego sklepienia.

Systemy chłodzenia wodnego osiągnęły taki stopień rozwoju, że stało się możliwe

podwyższenie temperatury wody chłodzącej do ok. 200°C, co ułatwia rekuperację zawartego
w wodzie ciepła [21]. Nadal jednak w użyciu są układy z temperaturą wody rzędu 50°C.

W sklepieniu mogą znajdować się ponadto: otwór przeznaczony do od prowadzania

gazów i pyłów za pośrednictwem rury o bardzo dużej średnicy, otwór do podawania
dodatków stopowych lub żużlowych [17], [291], a także otwór lub otwór do podawania
wsadu w rzadko spotykanych systemach załadunku ciągłego – zwłaszcza zaś żelaza
gąbczastego – na ogół w połączeniu z niektórymi komponentami metalurgicznymi, np. CaO
[17], [192].

Mechanizm unoszenia sklepienia jest wykonany w kształcie dwuramiennego,

obrotowego dźwigu (część 5 na rys. 5.19 i 5.23). Na połączonych podestem ramionach
mechanizmu zlokalizowane są cztery wieszaki w kształcie taśm lub prętów. Odpowiedni
układ przegubów umożliwia jednoczesne ruchy wieszaków w górę i w dół, do czego
wykorzystuje się napęd hydrauliczny. Sklepienie jest połączone z wieszakami zaś w czasie
pracy pieca spoczywa na kotle. Otwarcie kotła, np. w celu jego załadunku odbywa się przez
uniesienie sklepienia, które podtrzymywane na wieszakach zostaj odchylone w bok o 60

÷70°

razem z mechanizmem unoszenia.

Podest łączący ramiona tego mechanizmu jak również podesty zlokalizowane wzdłuż

jego ramion są wykorzystywane przede wszystkim przy przedłużaniu elektrod (rys. 5.19).

256

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
_________________________________________________________________________

Przechylna platforma (część

11 na rys. 5.19 i 19 na rys. 5.23) jest usytuowana w

płaszczyźnie podłogi hali pieców. Posadowiony jest na niej kocioł ze sklepieniem,
mechanizmy unoszenia i obrotu sklepienia oraz urządzenia nośne elektrod. Platforma
spoczywa na kołyskach (część

10, rys. 5.19), pozwalających na przechył pieca o 10

÷15° w

kierunku okna wsadowego oraz w kierunku przeciwnym o 40

÷45° gdy piec wyposażony jest

w rynnę spustową lub o 12°, gdy przystosowany jest do spustu przez ekscentryczny otwór w
trzonie. Przy spuście przez otwór centryczny przechylenie kotła odbywa się tylko w stronę
okna wsadowego [205].

Urządzenie nośne elektrod jest rozwiązane w sposób zapewniający niezależne

podnoszenie i opuszczanie każdej elektrody. Każdą elektrodę podtrzymuje uchwyt (

5 – rys.

5.19) będący zakończeniem poziomego wysięgnika (

7 – rys. 5.23). Uchwyt jest elementem

toru wielkoprądowego i łączy elektrodę z elektrycznymi przewodami rurowymi (

3 – rys.

5.19), (

8 – rys. 5.23) umocowanymi do wysięgników. Podobnie jak ruroprzewody jest on

chłodzony wodą. Wykonuje się go z brązu, miedzi, a także stali. Wysięgniki wykonane w
kształcie rury o przekroju kołowym, prostokątnym lub belki wzmocnionej żebrami,
przytwierdzone są do ruchomych stojaków teleskopowych (

11 - rys. 5.23) przesuwanych w

górę i w dół hydraulicznie. Napęd hydrauliczny stojaków, a tym samym połączonych z nimi
za pośrednictwem wysięgników elektrod, odbywa się przy użyciu siłownika tłokowego, do
którego tłoczony czynnik (zwykle emulsja zawierająca 93% wody i 7% specjalnego oleju)
doprowadzany jest z regulatora ruchu elektrod. W rozwiązaniach tradycyjnych, oprócz
hydraulicznego, jest stosowany napęd linowy lub zębatkowy z silnikiem elektrycznym jako
elementem wykonawczym (rys. 5.24).

Rys. 5.24. Schematy kinematyczne podnoszenia i opuszczania elektrod: a) napęd linowy; b) napęd zębatką;

c) napęd hydrauliczny
1 – elektroda, 2 – uchwyt elektrody, 3 – wysięgnik, 4 – stojak, 5 – rolki, 6 – przeciwciężar, 7 – bęben
napędu linowego, 8 – zębatka,  9 – hydrauliczny siłownik tłokowy;  G – przeciwciężar,  P – siła
podnosząca, Q – ciężar wysięgnika z elektrodą
Zaczerpnięto z [254]

257

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
_________________________________________________________________________

W przeszłości, gdy moce urządzeń łukowych były stosunkowo małe w porównaniu z

mocą zwarciową sieci przemysłowych, podłączano je bezpośrednio do sieci średniego
napięcia. W warunkach europejskich były to napięcia z przedziału 3,5

÷63 kV [343]. W

rozwiązaniu takim (rys. 5.25a), dwuuzwojeniowy transformator regulacyjny

4 przyłączony

jest do sieci za pośrednictwem wyłącznika manewrowego

3, wyłącznika zabezpieczającego 2

i odłącznika

1. Stosuje się także układy z jednym wyłącznikiem (najczęściej małoolejowym),

pełniącym rolę wyłącznika manewrowego (

2, 3 na rys. 5.25b) [192].

W miarę wzrostu mocy urządzeń łukowych coraz trudniejsze stawało się korzystanie z

tego układu, ze względu na zbyt małe moce zwarciowe sieci na średnim napięciu. W takiej
sytuacji przyłączanie urządzenia mogło spowodować przekroczenie stopnia dopuszczalnego
oddziaływania na inne odbiorniki energii, a m.in. na wyładowcze źródła światła.

Koniecznością stało się przyłączenie urządzenia do sieci wysokiego napięcia 110, 220

kV. Wymagało to wprowadzenia układu dwutransformatorowego (rys. 5.25c), m.in. ze
względu na problemy izolacyjne związane z występującymi przepięciami. W tym przypadku
transformatorem regulacyjnym jest nie transformator piecowy

6, lecz pośredni 5. Oba

transformatory są włączone za pośrednictwem własnych wyłączników: zabezpieczającego

2 i

manewrowego

Kolejny krok w rozwoju układów elektrycznych urządzeń łukowych polegał na

wprowadzeniu transformatorów z trójnym uzwojeniem regulacyjnym i transformatorem
dodawczym (boosterem) (rys. 5.25d, e, f), które początkowo pracowały w układzie z dwoma
wyłącznikami na wysokim napięciu: próżniowym

3 jako manewrowym oraz małoolejowym 2

jako zabezpieczającym. Wyłączniki próżniowe nie mogą być bowiem używane jako
zabezpieczające natomiast doskonale zdają egzamin przy dużej częstotliwości łączeń
operacyjnych 50

÷200 dziennie. Obecnie w zakresie do 150 kV stosuje się także układy z

jednym wyłącznikiem pneumatycznym (2, 3 na rys. 5.25e).

Najnowszym rozwiązaniem jest układ z boosterem ale wyposażonym w wyłącznik

manewrowy zlokalizowany w obwodzie uzwojenia regulacyjnego, czyli na średnim napięciu
[2], [98].

Przy pracy jałowej transformatora i otwartym wyłączniku manewrowym

dopuszczalne jest trójfazowe uziemienie strony wtórnej (uziemnik 10) bez otwierania
wyłącznika wysokiego napięcia

2 (rys. 5.25f). W ten sposób wyłącznik 2 nie wymaga

specjalnego wykonania na dużą liczbę łączeń, pełniąc jedynie rolę zabezpieczenia
zwarciowego [2].

Oprócz rozwiązań przedstawionych na rys. 5.25, spotyka się inne, np. układ

autotransformator regulacyjny – transformator piecowy z możliwością przyłączenia do sieci o
napięciu nawet powyżej 60 kV, układ trzech transformatorów jednofazowych itd. Najbardziej
uniwersalne i najczęściej spotykane w nowo uruchamianych urządzeniach są układy a, b, e i f,
przy czym średnionapięciowe buduje się przeważnie na zakres 20

÷40 kV, zaś układ f na

110

÷220 kV, głównie z przeznaczeniem do zasilania pieców

259

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
_________________________________________________________________________

Przekładnik prądowy po stronie wysokiego napięcia jest przeznaczony do

dopasowania sygnału prądowego do wejść układów pomiarowych, automatyki i
zabezpieczeniowych. Jest on, podobnie jak przekładnik napięciowy, umieszczony w każdej
fazie.

Wyłącznik jest jednym z najważniejszych elementów układu zasilania pieca, a od

jego niezawodności w dużym stopniu zależy poprawność działania całego urządzenia. Służy
on do przerywania obwodu prądowego pod obciążeniem. Przy wystąpieniu zwarcia
awaryjnego po stronie wysokiego napięcia powinien automatycznie, po czasie nie dłuższym
od 0,1

÷0,15 s, wyłączyć urządzenie. W przypadku zwarcia eksploatacyjnego (zwarcie

elektrod ze wsadem) powinien zadziałać z opóźnieniem 3

÷5 s, o ile do tego czasu automatyka

ruchu elektrod nie doprowadzi do wytworzenia łuku. Służy on ponadto do przeprowadzania
operacji włączeń i wyłączeń pieca związanych z normalną jego eksploatacją, np. podczas
załadunku, spustu, przedłużania elektrod, a także przy zmianie napięcia, o ile transformator
nie jest wyposażony w układ zmiany napięcia pod obciążeniem. Liczba łączeń pieców dużej
mocy wykonywanych w ciągu roku sięga 30000 [314]. Z tego względu nie nadają się do tego
celu normalne wyłączniki energetyczne, lecz dostosowane do tak ciężkich warunków pracy
specjalne wyłączniki, zwłaszcza pneumatyczne i elektromagnetyczne [176], [192].

Zamiast jednego wyłącznika spełniającego podwójne zadanie, a mianowicie

zabezpieczenia przeciwzwarciowego i aparatu manewrowego, stosuje się dwa różne
wyłączniki, np. małoolejowy i próżniowy (układ a na rys. 5.25). Wyłącznik małoolejowy
pełni rolę jedynie zabezpieczenia przeciwzwarciowego i wobec tego nie musi być
przystosowany do dużej liczby łączeń. Aparatem manewrowym jest wyłącznik próżniowy
bardzo łatwy w konserwacji i o dużej niezawodności. Przy takim rozwiązaniu konieczne są
niezawodne zabezpieczenia przeciwprzepięciowe (specjalne odgromniki), które muszą
skutecznie chronić transformator przy wyłączeniu urządzenia [176].

W rozwiązaniu przedstawionym na rys. 5.25f wyłącznik manewrowy zlokalizowany

jest w uzwojeniu dodawczym, a więc pracuje na napięciu 10

÷30 kV i pod obciążeniem

stanowiącym tylko część mocy przenoszonej przez transformator (patrz rys. 5.27). Jest to
jedna z istotnych zalet tego rozwiązania.

Dławik jest stosowany w torze elektrycznym po stronie wysokiego napięcia tylko w

urządzeniach o mocach mniejszych od 10 MVA, charakteryzujących się małą całkowitą
reaktancją toru elektrycznego, nie zapewniającą stabilności wyładowania łukowego oraz
dostatecznego ograniczenia prądów zwarć eksploatacyjnych. Dławik jest zwierany
wyłącznikiem po roztopieniu wsadu gdy łuk stabilizuje się, a prawdopodobieństwo zwarć jest
znikome.

Kryterium stosowania dławika jest wartość procentowa reaktancji toru elektrycznego

urządzenia łukowego

odniesiona do impedancji tego toru. Wartość tej reaktancji powinna

się zawierać w granicach 40

÷50%, wówczas prąd zwarcia eksploatacyjnego

261

5. Nagrzewanie łukowe
__________________________________________________________________________

100

(5.17)

zawiera się w przedziale 2,0

÷2,5 wartości prądu znamionowego I

urządzenia łukowego.

Biorąc pod uwagę, że reaktancja transformatora stanowi 7

÷8% impedancji toru

elektrycznego, reaktancja toru wielkoprądowego dla urządzeń małej mocy (odcinek toru od
transformatora do łuku) — 5

÷10%, niezbędne jest włączenie w obwodzie dławika o reaktancji

÷30%. Ponieważ indukcyjność dławika nie powinna zależeć od prądu, jego rdzeń

projektuje się na pracę w obszarze dalekim od nasycenia. Często dławik ma odczepy, co
umożliwia zmianę wartości reaktancji włączanej w obwód prądowy, np. jednocześnie ze
zmianą napięcia zasilania.

W przypadkach urządzeń dużej mocy reaktancja toru wielkoprądowego może

przekraczać 20%, co wyklucza potrzebę stosowania dławika. Z kolei w piecach bardzo
wielkich mocy indukcyjność toru wielkoprądowego tak wzrasta, że należy przedsiębrać
środki mające na celu obniżenie reaktancji indukcyjnej.

Transformator regulacyjny w preferowanych współcześnie układach zasilania

pieców łukowych (rys. 5.25a, b, e, f) jest jedynym elementem dopasowującym napięcie sieci
zasilającej do odbiornika łukowego. Jest to konstrukcja specjalna, którą charakteryzuje:
1) bardzo duża wytrzymałość mechaniczna, co ma związek z częstymi udarami! prądowymi

powodowanymi m.in. zwarciami eksploatacyjnymi;

2) wytrzymałość na przeciążenia umożliwiająca znoszenie częstych kilkusekundowych zwarć

eksploatacyjnych oraz w większości dotychczasowych konstrukcji 20

÷25%-owego

stałego przeciążenia w fazie roztapiania wsadu;

3) odpowiedni zakres regulacji napięcia wtórnego

2p,max

–U

2p,min

dostosowany do

poszczególnych faz procesu technologicznego [146]. Wymagania te spełniają olejowe
transformatory płaszczowe jak i bezpłaszczowe z chłodzeniem naturalnym; bądź
sztucznym wyłącznie zewnętrznym jak i mieszanym (chłodzenie wodne przy użyciu
wymiennika umieszczonego w oleju).
Najczęściej stosunek największej do najmniejszej wartości napięcia wtórnego

2p,max

2p,min

= 3/1 – Dla transformatorów urządzeń SUHP, przeznaczonych do procesów

kombinowanych (z obróbką pozapiecową stali), iloraz ten bywa mniejszy (nawet poniżej 2/1).
Wynika to stąd, że są one eksploatowane w czasie całego cyklu roboczego prawie ze stałą
mocą [127].

Wartość maksymalna napięcia wtórnego przewodowego

2p,max

zależy od mocy

pozornej urządzenia

S i od reaktancji toru elektrycznego X (suma reaktancji wszystkich

elementów obwodu od dławika -jeśli występuje w obwodzie – do wsadu)

2SX

max

2p,

(5.18)

Biorąc pod uwagę, że wartości

X zawierają się w przybliżeniu w granicach 3

÷5 mΩ w

transformatorach urządzeń o największych mocach

2p,max

≈ 1000 V. Wartość ta

262

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
_________________________________________________________________________

nie może być przekroczona także ze względów bezpieczeństwa [247]. Eksploatowane są już
urządzenia z transformatorami o

2p,max

= 950 V [337]. Urządzenia małej mocy

charakteryzują się wartością

2p, max

≈ 200 V.

Regulacja napięcia odbywa się w urządzeniach starszych w stanie bezprądowym za

pomocą przełącznika zaczepów i przełącznika trójkąt – gwiazda (zwykle 6 stopni
napięciowych), w urządzeniach nowoczesnych – pod obciążeniem, przy kilkunastu –
kilkudziesięciu stopniach napięciowych (30 i więcej) [337]. Rozwiązania regulacji napięcia
we współczesnych transformatorach (dla jednej fazy) przedstawiono na rys. 5.27.

Rys. 5.27. Zasady regulacji napięcia transformatorów piecowych: a) regulacja bezpośrednia (1 – uzwojenie

główne, 2 – uzwojenie regulacyjne, 3 – uzwojenie wtórne); b) regulacja pośrednia (1 – uzwojenie
wysokonapięciowe, 2 – uzwojenie trójne, 3 – uzwojenia niskonapięciowe transformatora głównego
i dodawczego, 4 – uzwojenie pierwotne transformatora dodawczego
TG – transformator główny, TD – transformator dodawczy) U

– napięcie pierwotne, U

– napięcie

wtórne

Przy stosowaniu transformatora o układzie uzwojeń przedstawionym na rys. 5.27a

możliwa jest regulacja bezpośrednia, tzn. ze zmienną indukcją w wyniku zmiany zaczepów
po stronie wysokiego napięcia. Tego rodzaju regulacja bywa stosowana w układach zasilania
przedstawionych na rys. 5.25a, b, c.

Rysunek 5.27b przedstawia układ regulacji pośredniej, czyli pięciokolumnowy

transformator z trójnym uzwojeniem regulacyjnym i wbudowanym boosterem, czyli
transformatorem dodawczym. W tym rozwiązaniu do napięcia wtórnego transformatora
głównego dodaje lub odejmuje się napięcie wtórne transformatora dodawczego, które
regulowane jest przy użyciu przełącznika zaczepów. W ten sposób napięcie wtórne podawane
na piec jest sumą napięć wtórnych transformatora głównego i dodawczego, indukowanych w
dwóch uzwojeniach związanych z dwoma magnetycznie niezależnymi obwodami
umieszczonymi w jednej kadzi. W zależności od rozdziału mocy między uzwojenia

2 i 4 oraz

3, przełącznik zaczepów łączy tylko część mocy przenoszonej przez transformator.

Wyłączenie wyłącznika piecowego i włączenie uziemnika wytwarza stan, w którym

uzwojenie wtórne transformatora dodawczego spełnia rolę dławika ograniczającego prąd
transformatora głównego do ok. 0,01 wartości prądu znamiono-

263

5. Nagrzewanie łukowe
_________________________________________________________________________

wego. W takim stanie obsługa pieca jest bezpieczna, bez konieczności wyłączania wyłącznika
zabezpieczającego po stronie wysokiego napięcia [180], [226].

Moc transformatora piecowego utożsamiana jest zwykle z mocą urządzenia łukowego.

Jej wartość jest w pierwszym rzędzie zależna od pojemności wsadowej pieca. Zależy ona
także od generacji urządzenia w skład jakiego transformator wchodzi. Niekiedy iloraz mocy
transformatora i pojemności wsadowej pieca jest wyróżnikiem czterech kategorii urządzeń
łukowych o mocy:
- normalnej (RP) – 80 ÷ 350 kV·A/Mg,
- wielkiej (HP) – 170 ÷ 470 kV·A/Mg,
- ultrawielkiej (UHP) – 250÷650 kV·A/Mg,
- super ultrawielkiej (SUHP) – 400÷1000 kV·A/Mg.
Podane moce jednostkowe nie są objęte żadnymi przepisami i mają charakter,; orientacyjny.
Mniejsze wartości w podanych przedziałach odnoszą się do transformatorów przeznaczonych
do pieców o dużych pojemnościach, większe – do pieców o pojemnościach małych oraz
średnich.

Ważnymi wielkościami znamionującymi transformator piecowy są rezystancja i

reaktancja. Wartości tych wielkości określa się na podstawie podawanych przez wytwórcę
napięć zwarcia i strat obciążenia. Niekiedy wartości te są podawane tylko dla niektórych
zaczepów. Reaktancję transformatora odnoszącą się do pozostałych zaczepów, przeliczoną na
stronę wtórną, można wtedy przyjąć jako stałą i równą wartości średniej reaktancji obliczonej
dla zaczepów o znanych parametrach. Należy zaznaczyć, że rezystancja i reaktancja
transformatora, przeliczone na stronę wtórną, są takie same dla poszczególnych zaczepów
przy połączeniu uzwojeń pierwotnych w trójkąt i w gwiazdę [180].

Uzwojenia wtórne transformatora (w układzie z boosterem oba uzwojenia wtórne są

połączone w szereg) mogą być połączone w gwiazdę lub w trójkąt, przy czym obecnie
dominuje połączenie w trójkąt.

Transformator piecowy jest ustawiony w specjalnym pomieszczeniu w bezpośrednim

sąsiedztwie pieca, co pozwala skrócić do minimum długość toru wielkoprądowego, a tym
samym zminimalizować jego reaktancję i rezystancję.

Tor wielkoprądowy jest zespołem przewodników doprowadzających prąd z

transformatora piecowego do odbiornika jakim jest łuk elektryczny. Ściśle rzecz biorąc
odbiornikiem (rezystancyjnym) jest także część elektrody znajdująca się w przestrzeni
roboczej pieca oraz ta część wsadu, przez którą przepływa prąd do znajdującego się w nim
punktu zerowego. Rezystancja elektrody od jej uchwytu do końca znajdującego się w
przestrzeni roboczej stanowi (bez rezystancji transformatora) ok. 60% całkowitej rezystancji
toru wielkoprądowego, dlatego przy określaniu mocy strat oraz sprawności elektrycznej
urządzenia faktu tego nie można pominąć [83], [92].

Z tego m.in. względu niektórzy autorzy przyjmują, że tor wielkoprądowy kończy się

w strefie znajdującego się w sklepieniu przepustu na elektrodę [175]. Jest to słuszne jeśli
pomija się reaktancję wsadu oraz reaktancję części elektrody znajdującej

264

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
_________________________________________________________________________

się poniżej sklepienia. Ich suma (także bez uwzględnienia reaktancji transformatora) równa
jest jednak ok. 10% reaktancji całego toru wielkoprądowego. W istocie rzeczy stalowniczy
piec łukowy jest więc odbiornikiem łukowo – rezystancyjnym, ponieważ ok. 30% ciepła
wydzielającego się w części podsklepieniowej elektrody jest ciepłem użytecznym

Elementami toru wielkoprądowego (licząc od transformatora) są:

a) kompensator w postaci elastycznych taśm łączących wyprowadzenie transformatora

piecowego z krótkim nieruchomym odcinkiem toru. Jest on przeznaczony do kompensacji
zmian wymiarów odcinka nieruchomego pod wpływem temperatury, a więc likwidacji
mechanicznych obciążeń uszczelnień wyprowadzeń z transformatora;

b) nieruchomy odcinek toru w postaci pakietu szyn;
c) nieruchomy łącznik będący elementem pośredniczącym między pakietem szyn i giętką

częścią toru;

d) część giętka toru (wiązka gołych kabli miedzianych chłodzonych naturalnie lub kable

chłodzone wodą – rys. 5.28). Ta część toru zlokalizowana jest między dwoma łącznikami
nieruchomym i ruchomym, przemieszczającym się razem z wysięgnikiem elektrody i
umieszczonymi na nim ruroprzewodami. Część giętka toru umożliwia przechył pieca w
celu spustu żużla i metalu;

Rys. 5.28. Przekroje chłodzonych wodą kabli części giętkiej toru wielkoprądowego: a) kabel o konstrukcji

koncentrycznej; b) kabel o konstrukcji linowej
1 – gumowa dwuwarstwowa powłoka zewnętrzna, 2 – rdzeń nośny, 3 – linka przewodząca gola,
4 – linka przewodząca w perforowanej powłoce gumowej (rozwiązanie zapobiegające zgrzewaniu
się poszczególnych lin), 5 – przewody miedziane

Część ciepła z elektrody jest odprowadzana przez przewodzenie poza obszar roboczy, część ciepła

zakumulowanego w elektrodzie jest tracona w czasie załadunku wsadu oraz roztapiania wsadu (wysokie
położenie elektrod). Pewną informację o średniej wartości mocy strat z elektrody zawiera wzór (3.46)
przytaczany w [83]. Schwabe i Okorokow zalecają za ciepło użyteczne przyjmować 1/4—1/3 ciepła
wydzielającego się w części podsklepieniowej elektrody [92]. Oznacza to, że w łuku wydziela się ok. 98%

mocy

zaś w elektrodzie 2% mocy elektrycznej pieca, co jest równoznaczne ok. 20% całkowitej wartości mocy strat
elektrycznych urządzenia łukowego.

5. Nagrzewanie łukowe
__________________________________________________________________

e) ruchomy łącznik części giętkiej toru z ruroprzewodami;
f) ruroprzewody chłodzone wodą;
g) uchwyt elektrody połączony z ruroprzewodami umożliwiający przesuwanie elektrody;
h) elektroda.

Rezystancja i reaktancja toru wielkoprądowego mają istotny wpływ na;

charakterystyki robocze urządzenia łukowego. Tor ten wiedzie bardzo duże prądy,
wytwarzające wokół niego silne pole magnetyczne. W efekcie mamy do czynienia z;
naskórkowością, efektem zbliżenia, zróżnicowanym rozkładem prądu w poszczególnych
przewodnikach tej samej fazy, przenoszeniem mocy między poszczególnymi przewodnikami
i fazami, stratami mocy w sąsiadujących z torem konstrukcjach stalowych [83], [175], [180].

Tor wielkoprądowy powinien mieć jak najmniejszą rezystancję oraz reaktancję, by

współczynnik mocy urządzenia był duży. Konstrukcja toru musi zapewniać wydzielanie
równomiernej mocy w każdym z trzech łuków. W miedzianych elementach toru
niechłodzonych wodą dopuszcza się gęstości prądów do 1,6 A/mm

, w kablach i

ruroprzewodach chłodzonych – 8 A/mm

. Zwykle jednak przyjmuje się gęstości rzędu 4

A/mm

Duże reaktancje toru nie tylko wpływają na zmniejszenie cos

ϕ urządzenia, lecz

utrudniają lub uniemożliwiają uzyskanie optymalnych warunków jego pracy. Szczególnie
niebezpieczna jest tzw. asymetria konstrukcyjna toru wielkoprądowego polegająca na
różnicach impedancji poszczególnych faz. Geometria toru (różne współczynniki
indukcyjności wzajemnych, różne długości faz), niezależna regulacja każdej elektrody oraz
nierównomierne rozłożenie konstrukcji stalowych w stosunku do każdej fazy wywołują
nierówność mocy poszczególnych łuków. Faza z łukiem o mocy największej nosi nazwę
mocnej lub żywej, faza z łukiem o mocy najmniejszej – słabej lub martwej. Nierówność mocy
charakteryzowana jest współczynnikiem asymetrii mocy

(

)

δP

′′

−

′

(5.19)

przy czym:

– moc fazy mocnej,

P′

P ′′

– moc fazy słabej,

– suma mocy trzech łuków.

Zagadnieniom asymetrii mocy poświęcono wiele prac, ponieważ zjawisko to

prowadząc przy pewnych rozwiązaniach toru wielkoprądowego do kilkudziesięcio-
procentowych różnic w mocach łuków było bardzo szkodliwe i powodowało przyśpieszone
zużywanie się wymurówki piecowej w pobliżu fazy mocnej. Kompleksową jego analizę wraz
z propozycją wyznaczania wartości

P′

P ′′

oraz

przedstawili A. Wąsowski i J. Białek

[330], [331]. W nowych rozwiązaniach urządzeń łukowych wprowadzone zostały
triangulowane tory wielkoprądowe o asymetrii konstrukcyjnej wynoszącej 3

÷5% [83].

Zmalało więc znaczenie problemu asymetrii do czego przyczyniło się ponadto wprowadzenie
chłodzenia wodnego kotła pieca.

266

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
___________________________________________________________________________

Rys. 5.29. Schematy torów wielkoprądowych: a) triangulowany (uzwojenie transformatora połączone w trójkąt

na ruchomych łącznikach); b) bifilarny (uzwojenie transformatora połączone w trójkąt na uchwy-
tach elektrod)
1 – wtórne uzwojenie transformatora, 2 – kompensatory, 3 – przekładniki prądowe lub cewki
Rogowskiego, 4 – nieruchome łączniki, 5 – części giętkie toru, 6 – ruchome łączniki, 7 – ruro-
przewody, 8 – uchwyty elektrod, 9 – elektrody

Na rysunku 5.29 przedstawione zostały elementy torów wielkoprądowych stosowane m.in. z
myślą o ograniczeniu asymetrii. Szczegółową analizę właściwości poszczególnych układów
torów wielkoprądowych zawiera monografia A. Kurbiela [180].

Reaktancja toru wielkoprądowego ma także bezpośredni związek z wartościami

prądów zwarcia eksploatacyjnego i ze stabilnością wyładowania łukowego. Te dwa czynniki
decydują o tym, że jej wartość powinna być większa od 30% reaktancji całego toru
elektrycznego. Jeśli jest zbyt mała, w obwód prądowy musi być włączony dławik.

Wytyczne projektowania torów wielkoprądowych zawiera monografia [175].

Interesujące wyniki prac dotyczących optymalizacji toru triangulowanego i zmodyfi-
kowanego, koplanarnego przedstawili F. Milde i K. Bretthauer [219]. Na rysunku 5.30
pokazane zostały przekroje tych torów.

Elektrody stanowią wprawdzie element toru wielkoprądowego ale ze względu na ich

specyficzne właściwości potraktowane będą w dalszym ciągu odrębnie. Służą one
doprowadzeniu energii elektrycznej do obszaru roboczego pieca. Połączenia między
elektrodami i pozostałą częścią toru wielkoprądowego znajdują się poza obszarem roboczym
pieca w pewnej odległości od sklepienia, w którym znajdują się otwory umożliwiające
swobodny ruch elektrod w pionie, a tym samym zmianę długości łuku.

267

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
_________________________________________________________________________

Do tego celu używa się oddzielnych elementów grafitowych tzw. „nipli" lub jedną końcówkę
każdego elementu elektrody wykonuje się w formie nagwintowanej głowicy, w drugiej
wytwarza się nagwintowane gniazdo. Ten drugi sposób jest coraz bardziej polecany [352].

W zależności od zakresu zastosowań używane są elektrody nieimpregnowane o

gęstości 1,58÷1,64 g/cm

oraz impregnowane o gęstości 1,65÷1,74 g/cm

. Te pierwsze

używane są w piecach pracujących z długimi łukami i z chłodzeniem wodnym ścian (technika
SUHP), drugi – w piecach UHP pracujących z krótkimi łukami oraz w piecach kadziowych z
tym, że grafit na elektrody pieców kadziowych ma ok. 20% większą rezystywność niż grafit
na elektrody pieców wytopowych. W celu ograniczenia zużycia elektrod stosuje się już w
procesie produkcyjnym zabezpieczenie ich powierzchni bocznej specjalnymi pokryciami typu
przewodzącego, np. metalami. Powłoki ochronne można ponadto nanosić na pobocznice
elektrod w czasie przerw eksploatacyjnych pieca. Stosuje się wówczas powłoki typu prze-
wodzącego lub izolacyjnego.

Elektrody węglowo-grafitowe wykonuje się podobnie jak grafitowe ale ze względu na

rodzaj surowców używanych do ich produkcji oraz technologię wykonania znamionuje je
dwukrotnie mniejsza dopuszczalna obciążalność prądowa. Stąd marginesowe ich znaczenie w
technikach SUHP i UHP.

Elektrody kombinowane z chłodzeniem wodnym wykonuje się w dwóch odmianach,

przy czym wszystkie one złożone są z części górnej metalowej chłodzonej wodą oraz z części
dolnej wykonanej najczęściej z grafitu bądź węgla. Elektrody chłodzone wodą zostały
opatentowane już w r. 1912, ale dopiero współczesna technika umożliwiła zrealizowanie tego
pomysłu [351]. Zasada elektrody kombinowanej chłodzonej wodą polega na tym, że
doprowadzenie prądu z uchwytu elektrody do części roboczej wykonanej z grafitu
zrealizowane jest za pośrednictwem fragmentu metalowego o bardzo dużej konduktywności.
Główne problemy realizacyjne tej zasady polegają na konieczności ochrony części metalowej
przed wysoką temperaturą, korozją, zwarciem oraz przebiciami łukowymi.

Odmiana pierwsza elektrody kombinowanej znamionuje się tym, że długość

chłodzonej części metalowej równa jest ok. 1/4 całej długości elektrody i w związku z tym
część ta nie wymaga innego – poza chłodzeniem wodnym – zabezpieczenia przed
wymienionymi czynnikami. Długość części metalowej w odmianie drugiej wynosi ponad
połowę całkowitej długości elektrody i dlatego zabezpiecza się ją np. pierścieniami
grafitowymi lub ceramicznymi (rys. 5.31). Elektrody tego rodzaju mogą być stosowane w
piecach wytopowych o bardzo dużej i średniej pojemności wsadowej oraz w piecach
kadziowych. Część grafitowa elektrody (dolna) wykonywana jest z grafitu nie
impregnowanego o nieobrobionej powierzchni bocznej, z możliwością stosowania powłok
ochronnych [30], [161], [351].

Elektrody kombinowane z dopływem gazu plazmogennego wykonuje się w postaci

cylindrycznych wydrążonych kolumn grafitowych oraz w postaci kolumn grafitowych
umieszczonych w rurach grafitowych, także z metalową chłodzoną wodą

269

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
_________________________________________________________________________

opisują zależności empiryczne podane m.in. przez Bowmana, Deveaux [352] oraz Zöllnera i
współautorów [351]. Ujmują one zużycie na końcówkach i na pobocznicach. Zużycie
końcówek powstaje wskutek sublimacji węgla, erozji, czyli elektromechanicznego wyrywania
cząstek przez łuk, odłupywania się kawałków elektrod w wyniku niedostatecznej
wytrzymałości termicznej tworzywa i przeciążeń prądowych. Powiększa je chemiczne
oddziaływanie żużla oraz tlenu. Zużycie na pobocznicach jest wynikiem opalania się
prowadzącego do uformowania stożkowego zakończenia elektrody, pęknięć odcinków
elektrod pod wpływem szoków termicznych podczas stygnięcia lub przy przeciążeniu
prądowym złącz. Powodują je także wady połączeń gwintowych lub złe skręcenia
poszczególnych odcinków elektrod oraz ich złamania w rezultacie nacisków mechanicznych,
obsuwania się złomu, mało czułej regulacji prowadzenia elektrod, słabej wytrzymałości złącz
lub elektrod [295]. Wybrane dane dotyczące zużycia elektrod zawiera tablica 5.1. W praktyce
eksploatacyjnej niektórych stalowni zużycie elektrod bywa większe. Jest to jednak wynik
rozmaitych uchybień i błędów eksploatacyjnych.

Tablica 5.1. Zużycie grafitu w różnych typach elektrod, wg [351]

Zużycie w kg na l Mg stali

Zużycie technologiczne

Straty mechaniczne

Zużycie

Typy elektrod

na końców- na pobocz-

kach nicy

końcówek złamania całkowite

Grafitowe

2.45 1.70

0.15 0.20

4.50

Grafitowe z powłoką
ochronną lub kombi-
nowane z krótką
częścią metalową
chłodzoną wodą

2.45 1.10

0.15 0.20

3.90

Kombinowane z
długą częścią
metalową chłodzoną
wodą

2.35 0.70

0.15

3.20

5.2.2.4. Układy regulacji przesuwu elektrod

Utrzymywanie określonego ciągu stanów pracy urządzenia łukowego wymaga wyboru
wielkości regulowanej oraz zastosowania automatyki łuku, zapewniającej regulację przesuwu
każdej elektrody oddzielnie. Pierwsze automatyczne regulatory łuku oparte były na zasadzie
stabilizacji prądu, napięcia lub mocy łuku. Później wprowadzono tzw. regulatory
impedancyjne utrzymujące zadaną wartość ilorazu napięcia

U do prądu łuku I

271

5. Nagrzewanie łukowe
_________________________________________________________________________

Dla regulatora impedancyjnego w stanie ustalonym obowiązuje równanie

(5.20)

przy czym:

U – napięcie między elektrodą i wsadem, – I

prąd łuku,

A, B – stałe.

Jeśli równanie (5.20) jest spełnione, to elektroda jest w bezruchu. Gdy

AU - BI

> 0,

elektroda przesuwana jest ku dołowi, a prąd rośnie do momentu osiągnięcia równowagi
określonej równaniem (5.20). W przypadku nierówności

AU - BI

< 0, elektroda unoszona jest

ku górze, prąd maleje także do momentu osiągnięcia równowagi określonej związkiem (5.20).
W stanie bezprądowym napięcie jest dodatnie i występuje ruch elektrody w dół. Gdy jedna z
elektrod zetknie się ze wsadem, napięcie mierzone jest równe zeru i elektroda jest nieruchoma
do momentu gdy nastąpi zamknięcie obwodu przez zwarcie drugiej elektrody. Przepływ
prądu i w tym obwodzie powoduje, że obie elektrody są podnoszone ku górze do chwili gdy
spełnione jest równanie (5.20).

W zależności od rodzaju członu wykonawczego wyróżnia się automatykę

elektromechaniczną i elektrohydrauliczną. W pierwszej do napędu elektrod używa się
silników elektrycznych, w drugiej – siłowników hydraulicznych. W automatyce
elektromechanicznej członem wykonawczym jest silnik elektryczny prądu stałego lub
przemiennego. Należy przy tym dodać, że iloraz

U/I

, dotyczyć może wartości skutecznych

bądź średnich, w zależności od zastosowanego członu pomiarowo--porównawczego (między
wartościami tymi nie ma jednoznacznego związku, ponieważ przebiegi elektryczne są
odkształcone). W rozwiązaniach nowoczesnych człony te są z reguły układami
elektronicznymi i sygnał wyjściowy przekazywany do wzmacniacza może być dowolnie
obrobiony [351]. Wielkość mierzona

U nie jest ściśle rzecz biorąc napięciem łuku, z uwagi na

trudności jego pomiaru. Przeważnie jest to suma napięcia łuku i spadku napięcia na
elektrodzie. Napięcie łuku bywa jednak estymowane, co jest standardem w rozwiązaniach ze
sterowaniem komputerowym i wówczas mamy do czynienia z ilorazem

Układy regulacyjne oparte na automatyce prądowej lub prądowo-napięciowej mają

pewne wady. Na przykład przy wahaniach napięcia sieci regulator utrzymując zadaną wartość
stosunku napięcia do prądu łuku nie reaguje na towarzyszące temu zmiany mocy łuku. Przy
długotrwałych odchyleniach napięcia, występujących np. wskutek przeciążenia sieci,
prowadzi to do istotnych zakłóceń w dopływie energii do wsadu, co z kolei powoduje
sięgające 15% zakłócenia czasu procesu. W celu eliminacji tego rodzaju zakłóceń
opracowane zostały systemy regulacyjne z komputerowym programowaniem dostarczanej
mocy [92]. W grupie rozwiązań elektromechanicznych są stosowane układy z regulatorami
dwupołożeniowymi przekaźnikowo-stycznikowymi, z regulatorami ciągłymi wyposażonymi
we wzmacniacze magnetyczne, amplidynowe, rototrolowe lub tyrystorowe. Schemat układu
ze wzmacniaczem amplidynowym jest przedstawiony na rys. 5.32.

272

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
___________________________________________________________________________

Rys. 5.32. Schemat układu elektromechanicznej automatyki łuku ze wzmacniaczem amplidynowym, wg [180]

Autotransformator

AT przekształca uzyskiwany z przekładnika lub cewki Rogowskiego

sygnał prądowy – proporcjonalny do prądu łuku – na sygnał napięciowy, który po
wyprostowaniu podawany jest na rezystor

. Na drugi prostownik podawane jest napięcie

zbierane z rezystora proporcjonalne do napięcia

U (suma napięcia łuku i spadku napięcia na

elektrodzie).

(5.21)

= k

U (5.22)

Różnicą napięć

Ui - Uu zasilane jest uzwojenie sterujące Zs, amplidyny A, która napędzana

przez silnik indukcyjny

S zasila silnik prądu stałego M, przesuwający elektrodę w dół lub w

górę.

Po przywróceniu równości

Ui = Uu zanika napięcie podawane na Zs, i elektroda

zostaje unieruchomiona. Tego rodzaju automatyka utrzymuje stałą wartość

const

(5.23)

którą nastawia się przy użyciu autotransformatora

AT. Przy zmianie zaczepów transformatora

zmienia się równocześnie rezystancję

Rr tak, aby Uu na rezystorze Ru nie uległo zmianie przy

stałym prądzie łuku.

W przedstawionym układzie, po podaniu na

Ru napięcia stabilizowanego zamiast

wyprostowanego napięcia proporcjonalnego do

U, utrzymywany będzie I

= const

(automatyka prądowa) [351].

272

5. Nagrzewanie łukowe
_________________________________________________________________________

Rys. 5.33. Schemat układu elektrohydraulicznej automatyki łuku wykorzystującej zasadę silnika Ferrarisa, wg

[314]
1 – uzwojenie robocze, 2 – uzwojenie wzbudzenia, 3 – wirnik, 4 – rezystory do nastawiania
wartości zadanej, 5 – przekładnik prądowy, 6 – główny sterujący zawór hydrauliczny, 7 – sprężyna
cofająca, 8 – ręczny zawór sterujący, 9 – siłownik hydrauliczny, 10 - transformator piecowy, 11 –
dławik, 12 – pompa, 13 – zbiornik ciśnieniowy, 14 – regulacja zaworu

W grupie układów elektrohydraulicznych spotyka się także rozmaite rozwiązania, przy

czym są to z reguły układy regulacji ciągłej znacznie szybsze i bardziej czułe od
elektromechanicznych. Do najbardziej rozpowszechnionych należą układy z cewką
nurnikową oraz wykorzystujące zasadę silnika Ferrarisa (rys. 5.33) [92], [176], [205], [291].
W tym drugim układzie utrzymywana jest stała wartość ilorazu

U/I

. Każda zmiana tego

ilorazu powoduje zmiany prądów w przesuniętych o 90° uzwojeniach

1 oraz 2 i powstanie

momentu obrotowego na zębatce mechanizmu pomiarowego z aluminiowym wirnikiem

Powoduje on przestawienie zaworu sterującego

6. Rezystory 4 służą do ustawiania wartości

zadanej. Jeśli wzrasta prąd w torze wielkoprądowym, elektroda przesuwa się w górę, jeśli
wzrasta napięcie

U – elektroda przesuwa się w dół.

Zaletami regulacji elektrohydraulicznej są: bardzo mały czas rozruchu (< 0,1s), duża

szybkość przesuwu elektrod (> 100 mm/s), proste i bezstopniowe oraz oddzielnie nastawiane
prędkości unoszenia i opuszczania elektrody przez zmianę długości ramienia dźwigni oraz
zmianę położenia ograniczników obrotu wirnika. Postęp jakiego dokonano w ostatnich latach
w rozwiązaniach układu przesuwu elektrod wynika m.in. z istotnych ulepszeń w zakresie
pomiaru wielkości elektrycznych, a zwłaszcza prądu łuku. Przekładniki prądowe, zarówno
dwustopniowe, jak i jednostopniowe niezbyt wiernie odtwarzają odbiegające od
sinusoidalnych przebiegi, stąd coraz szersze stosowanie cewek Rogowskiego [71].
Najdokładniejsze rezultaty pomiarów uzyskuje się przy pomiarze chwilowych wartości prądu
i napięcia oraz ich komputerowej obróbce.

274

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
_________________________________________________________________________

lancy do wnętrza pieca przez okno wsadowe w ścianie bocznej. W ten sposób ładuje się
wapno i antracyt w kawałkach o maksymalnych wymiarach 5÷12 mm [282].

Dodatkowe nieelektryczne źródła ciepła są wprowadzane w celu zwiększenia mocy

grzejnej, polepszenia symetrii cieplnej w kadzi w fazie topienia wsadu, polepszenia
wskaźników energetycznych procesu. Przeprowadzone badania dowiodły, że zużycie
właściwe energii cieplnej (w kW·h/Mg) przy wytwarzaniu stali metodą elektrotermiczną jest
w przybliżeniu równe zużyciu właściwemu energii cieplnej przy stosowaniu metody łukowo-
paliwowej z zastosowaniem tlenu oraz oleju, gazu lub węgla. Oznacza to, że zużycie energii
pierwotnej jest mniejsze przy stosowaniu metody skojarzonej (łukowo-paliwowej). W
analizie porównawczej obu metod założono, że sprawność wytwarzania energii elektrycznej z
uwzględnieniem strat sieciowych równa jest 33% zaś zużycie energii pierwotnej w procesie
wytwarzania tlenu niezbędnego w procesie spalania wynosi 1,9 kW·h/m

[3].

Metoda łukowo-paliwowa realizowana jest w piecu wyposażonym najczęściej w trzy

dodatkowe palniki olejowo-tlenowe lub gazowo-tlenowe. Istnieje możliwość substytucji oleju
lub gazu węglem, co potwierdziły badania Welborna i Brome przeprowadzone na piecu 150
Mg. Doprowadzenie do pieca energii uzyskiwanej z węgla równej 45 kW·h/Mg stali pozwala
zmniejszyć zużycie energii elektrycznej o 30 kW·h/Mg [334].

Rys. 5.36. Rozmieszczenie palników w ścianie bocznej pieca łukowego

1 – elektrody, 2 – palniki

Palniki o mocach od kilku do kilkunastu MW każdy umieszczone są niesymetrycznie

w cylindrycznej ścianie bocznej kotła pod kątem 25° do poziomu kąpieli (rys. 5.36). Tlen
doprowadza się do palnika w ilości poniżej wartości stechiometrycznej, by wykluczyć
utlenianie złomu [205]. Proces w piecu łukowo-paliwowym prowadzi się inaczej aniżeli w
piecach łukowych. Palniki pełną mocą

277

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
_________________________________________________________________________

pracują tylko w okresie roztapiania (lecz zawsze krócej niż łuki – patrz rys. 5.37), natomiast
podczas rafinacji doprowadzany jest wyłącznie tlen w celu odwęglenia kąpieli. Przedstawione
na rys. 5.37 charakterystyki procesów realizowanych w piecu o pojemności 65 Mg dotyczą
trzech wariantów. W wariancie a) zastosowano wyłącznie nagrzewanie łukowe o mocy
grzejnej pieca 25.1 MW. W wariancie b) moc elektryczna obniżona została do 18 MW, a
dodatkowo doprowadzono moc 12 MW z trzech palników gazowych o mocy maksymalnej 6
MW każdy. Maksymalna moc grzejna podczas roztapiania jest w tym rozwiązaniu większa
niż w przypadku a), lecz średnia identyczna. W wariancie c) piec eksploatowany był przy
maksymalnej mocy elektrycznej 25.1 MW powiększonej o 15 MW mocy uzyskiwanej w
wyniku spalania gazu (średnia moc większa niż w przypadku a) i b). Korzyści ze stosowania
dogrzewania paliwowego w obu wariantach są oczywiste, przy czym większą produkcję
roczną stali uzyskuje się w wariancie c).

Instalacja podawania tlenu. Podawanie tlenu w procesie produkcyjnym daje

wielorakie korzyści. W okresie roztapiania daje wielorakie korzyści. W okresie roztapiania
używa się go w celu skrócenia tej fazy. Wydzielające się podczas roztapiania złomu składniki
palne nie ulegają pełnej redukcji z uwagi na niedostateczną ilość tlenu w powietrzu
wypełniającym wnętrze pieca. Wdmuchiwanie tlenu rozwiązuje ten problem i pozwala na
oszczędność 4÷5 kW·h/Mg stali przy zużyciu 1 m

. Na wytwarzanie tej ilości tlenu

zużywa się tylko 1.9 kW·h energii pierwotnej [248]. Doprowadzenie tlenu w tej fazie nie
powinno jednak przekraczać wartości powodujących nadmiernie utlenianie Fe, Mn, Si, Cr
[282].

Zastosowanie tlenu w okresie świeżenia także skraca tę fazę do czasu niezbędnego do

usunięcia nadmiernej ilości C.

Zastosowanie tlenu w piecach łukowych wymaga rozwiązania wielu towarzyszących

temu procesowi efektów, a mianowicie wzrostu: zapylenie, temperatury gazów

Rys. 5.38. Wprowadzanie tlenu do pieca łukowego za pomocą manipulatora, wg [184]

1 – kocioł, 2 – lanca, 3 – manipulator, 4 – otwór wsadowy, 5 – kąpiel stalowa

279

5. Nagrzewanie łukowe
___________________________________________________________________________

odlotowych, natężenia hałasu i niebezpieczeństwa powstania wybuchu. Efekty ekonomiczne
są jednak bardzo duże. Przy stosowaniu tlenu w fazie roztapiania i świeżenia wydajność
urządzeń wzrasta o 20÷50%, realna jest oszczędność 55 kW·h energii elektrycznej na l Mg
stali [159].

Tlen wprowadza się za pomocą lancy, przy czym najbardziej nowoczesnym

rozwiązaniem jest posłużenie się w tym celu automatycznym manipulatorem (rys. 5.38);
Spośród wielu korzyści wynikających ze stosowania manipulatora najważniejszymi są;
zmniejszenie ilości osób obsługujących urządzenie przy równoczesnej poprawie warunków
pracy, zmniejszenie zużycia tlenu oraz lanc doprowadzających tlen.

Mieszalniki indukcyjne są urządzeniami wyposażonymi w dwa uzwojenia

wytwarzające pole elektromagnetyczne powodujące ruch kąpieli metalowej w piecu. Ruch
metalu pod wpływem prądów roboczych (prądów łuków) przepływających przez kąpiel,
mimo bardzo wielkich natężeń, jest znikomy. Wynika to z małej głębokości wnikania pola
elektromagnetycznego przy częstotliwościach sieciowych oraz niewielkich gęstości prądów w
obszarach kąpieli odległych od łuków.

W r. 1949 L. Dreyfus zaproponował rozwiązanie mieszalnika indukcyjnego oparte na

zasadzie działania dwufazowego silnika asynchronicznego o częstotliwości prądów
zasilających 0,3

÷2,0 Hz. Cewki indukujące prądy wirowe w roztopionej stali stanowiącej

rodzaj „wirnika" takiego silnika, umieszczone są pod dnem pieca, którego płaszcz jest
wykonany ze stali niemagnetycznej. W wyniku oddziaływania pola biegnącego, wywołanego
przez prądy w cewkach z prądami wirowymi w metalu, powstają siły wprawiające w ruch
kąpiel stalową. Efekt krążenia metalu wymaga głębokości wnikania prądu rzędu l m, co
uzyskuje się przy obniżeniu częstotliwości do podanych wartości.

Cewki są umieszczone w żłobkach rdzenia złożonego z blach transformatorowych.

Jedna z nich znajduje się w środkowej części rdzenia, dwie połówki drugiej cewki – na jego
krańcach (rys. 5.39).

Rys. 5.39. Mieszalnik indukcyjny

1 – płaszcz ze stali niemagnetycznej, 2 – kierunek ruchu metalu, 3 – żużel

280

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
_________________________________________________________________

Intensyfikacja ruchu kąpieli (0,5 m/s) wraz z możliwością zmiany jego kierunku (wymaga to
zmiany układu połączeń cewek) umożliwia m.in. ujednorodnienie składu stali, intensyfikację
procesów metalurgicznych oraz łatwiejsze odżużlowanie. Wadą stosowania mieszania
indukcyjnego jest zwiększone zużycie wymurówki [92], [176], [310].

Urządzenia do wstępnego podgrzewania wsadu są wprowadzane głównie w celu

odzysku energii dostarczanej do pieca łukowego. Wprawdzie na początku lat
siedemdziesiątych wstępne podgrzewanie realizowano przy użyciu paliw ciekłych oraz
gazowych (zewnętrzne źródła energii), lecz będące obecnie w użyciu urządzenia tylko
częściowo, a najczęściej wyłącznie opierają się na entalpii gazów odlotowych z pieca
łukowego (rys. 5.40).

Rys. 5.40. Urządzenie do wstępnego podgrzewania złomu ciepłem gazów piecowych

1 – piec łukowy z dodatkowymi nieelektrycznymi źródłami ciepła (palniki), 2 – okap wyciągowy
gazów i pyłów piecowych, 3 – bezpośredni odciąg gazów, 4 – kosz wsadowy z podgrzewanym
złomem, 5 – elektrofiltr
Zaczerpnięto z [248]

Będąca do dyspozycji energia zawarta w gazach odlotowych zawiera się w przedziale

÷168 kW·h/Mg stali, przy czym tylko 70÷80% gazów udaje się bezpośrednio skierować

przez otwór w sklepieniu do przewodu odciągowego. Wynikającą z tego oszczędność energii
określa się na 30

÷50 kW·h/Mg stali. Dodatkowymi efektami są: skrócenie czasu roztapiania o

5 minut oraz zmniejszenie zużycia elektrod o 0,2

÷0,91 kg/Mg [69], [248]. Największe straty

w procesie podgrzewania wsadu wiążą się z koniecznością nagrzania zimnego kosza
wsadowego (ok. 30% energii będącej do dyspozycji). Spotyka się przy tym rozwiązania z
podgrzewaniem całej lub 2/3 całkowitej masy złomu (dwa z trzech koszy wsadowych). Efekt
podgrzewania zależy w dużym stopniu od rodzaju złomu, a zwłaszcza jego gęstości,
powierzchni właściwej i przewodności cieplnej właściwej.

Urządzenia odpylające i ograniczające hałas są instalowane w celu poprawy

warunków pracy oraz ochrony środowiska. Ilość pyłów wydzielanych z pieca

281

5. Nagrzewanie łukowe
________________________________________________________________________

łukowego zawiera się w granicach 2

÷17 kg/Mg. Emisja pyłów ma miejsce we wszystkich

fazach produkcyjnych, lecz szczególnie duże zapylenie występuje podczas świeżenia stali
tlenem [147], [180]. Podczas ładowania pieca zapylenie jest niewielkiej a tworzące się pyły są
pochodzenia mechanicznego. W czasie roztapiania wsadu pyl tworzy się w wyniku utleniania
żelaza oraz unoszenia przez gazy nierozpuszczalnych materiałów żużlotwórczych takich jak
wapno, magnezyt, dolomit i in. Częściowo metal z obszarów o najwyższych temperaturach
jest odparowywany, co powoduje tworzenie się pyłów kondensacyjnych. W okresie świeżenia
tlenem powstający CO wytwarzał nadciśnienie w piecu, a więc taki stan, który szczególnie
sprzyja wydostawaniu się pyłów na zewnątrz. Pyły te zawierają do 10% SiO

przy 80%

cząsteczek mniejszych od 3

µm, a więc najbardziej niebezpiecznych dla zdrowia [147].

Problem odpylania gazów odlotowych jest opanowany i istnieją techniczne |

możliwości ograniczenia emisji pyłów do 50 mg/m

gazów odlotowych. Urządzenia do | tego

celu są jednak złożone, a ich koszt stanowi zwykle 15—20% całkowitych kosztów

urządzenia łukowego [176].

Istnieje wiele sposobów odpylania gazów odlotowych, z których wymienić należy:

- bezpośrednie ujęcie gazów przez zasysanie dymów przez otwór w sklepieniu z

ewentualnym dodatkowym pośrednim ich ujęciem za pomocą okapu wyciągowe go
umieszczonego ponad piecem pod dachem hali;

- pośrednie ujęcie za pomocą wielu okapów przy pierścieniu sklepieniowym, ściśle

zamocowanych dookoła elektrod, okien i otworów spustowych, wyposażonych w
rozłączający się kołnierz w przewodzie wyciągowym w celu umożliwienia ruchu pieca.
Znane są kombinacje rozwiązań pośrednich i bezpośrednich;

- kompletną obudowę pieca z możliwością dodatkowego bezpośredniego ujęcia gazów

przez otwór w sklepieniu.

Rozwiązania z użyciem bezpośrednim wpływają na atmosferę w przestrzeni pieca i

dlatego musi być zapewniona możliwość regulacji ciśnienia w piecu, a jeśli realizowany jest
w nim także proces rafinacji należy przewidzieć odcinanie odciągu z przestrzeni pieca. Zaletą
tego rozwiązania jest łatwość wykorzystania ciepła gazów odlotowych do podgrzewania
wstępnego wsadu. Są to rozwiązania dominujące w nowoczesnych urządzeniach [346].

Temperatura gazów przed skierowaniem ich do odpylacza musi być obniżona. Przy

bezpośrednich ujęciach gazów stosuje się przeponowe ich chłodzenie. Odpylanie następuje za
pomocą elektrofiltrów – tzw. odpylanie suche lub w urządzeniach z natryskiem wody –
odpylanie mokre.

Oprócz emisji pyłów, urządzenie łukowe (w szczególności piec łukowy) jest źródłem

hałasu wahającego się w granicach 100÷120 dB. Największe natężenie hałasu występuje w
okresie roztapiania. Poprawę warunków akustycznych można uzyskać w wyniku: obudowy
źródła hałasu, zmiany technologii produkcji, obudowy stanowisk pracy, wytłumienie hali,
zastosowanie ochron osobistych [346].

282

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
_________________________________________________________________________

Rozwiązaniem dającym najlepsze efekty jest kompletna dźwiękoszczelna obudowa

pieca, umożliwiająca ponadto maksymalne ograniczenie emisji pyłów. Mimo konieczności
równoległego wprowadzania daleko posuniętej automatyzacji, rozwiązanie takie uznaje się za
w pełni opłacalne, zarówno w sensie inwestycyjnym, jak i eksploatacyjnym (60%-owa
redukcja kosztów inwestycyjnych) w porównaniu z konwencjonalnymi metodami
ograniczania emisji pyłów i hałasu. Wynika to m.in. z możliwości rezygnacji ze schładzania
gazów piecowych oraz regulacji ciśnienia w piecu [137].

Układy chłodzenia i rekuperacji ciepła pozwalają na odzyskanie energii z gazów

odlotowych w celu wstępnego podgrzania wsadu (zagadnienie wcześniej omówione), a
ponadto na odzyskanie energii z wody chłodzonej oraz z żużla [243].

W przeciwieństwie do wstępnego podgrzewania wsadu, odzysk energii uzyskiwanej w

wyniku chłodzenia elementów konstrukcyjnych pieca, nie jest wykorzystywany bezpośrednio
w procesie stalowniczym, a więc nie przyczynia się wprost do obniżenia zużycia energii
elektrycznej. Układ chłodzenia pieca przedstawiony jest na rys. 5.41. Największe znaczenie -
jako źródła ciepła – mają ściany, sklepienie pieca oraz

Rys. 5.41. Układ chłodzenia pieca łukowego

1 – podłączenie do źródła wody zimnej, 2 – zawór główny przewodu zasilającego,  3 – przewód
rozdzielczy wody zimnej, 4 – zawory odcinające, 5 – uchwyt elektrody, 6 – wysięgnik elektrody, 7 –
uchwyt podtrzymujący giętkie kable toru wielkoprądowego, 8 – ruroprzewody, 9 – giętkie kable, 10 –
odciąg gazów piecowych, 11 – pierścienie chłodzące przepusty elektrodowe, 12 – pierścień
sklepienia lub elementy sklepienia (przy jego chłodzeniu),  13 – górny pierścień kotła,  14 – belka
okna wsadowego, 15 – okno wsadowe, 16 - złączki regulacyjne, 17 - zawór odcinający,  18 –
przewody elastyczne (węże),  19 - podłączenia do chłodzonych elementów kotła,  20 – zbiornik
zlewowy
Zaczerpnięto z [192]

283

5. Nagrzewanie łukowe
__________________________________________________________________

przewód rurowy odprowadzający gazy. Na przykład energia jednostkowa odprowadzana z
wodą chłodzącą piec UHP o pojemności 100 Mg jest rzędu 260 kW·h/Mg. wytwarzanej stali.
Jest to oczywiście energia potencjalnie będąca do dyspozycji. W większym lub mniejszym
stopniu można ją wykorzystywać do celów ogrzewniczych i technologicznych, zwłaszcza w
przypadku chłodzenia wysokotemperaturowego (woda na wyjściu ma temperaturę powyżej
100°C).

Energia jednostkowa (odniesiona do l Mg ciekłej stali) zawarta w żużlu zawiera się w

przedziale 60÷80 kW·h/Mg. Nagrzewanie żużla jest konieczne z punktu widzenia metalur-
gicznego i z tego względu niezbędną do tego celu energię zalicza się do użytkowej. Tym nie-
mniej możliwe jest odzyskanie części tej energii, przy czym | istniejące urządzenia odzysku
mają według stanu techniki w r. 1988 charakter | pilotujący. Na przykład metoda Merotec
pozwala na odzyskanie 64% entalpii żużla w postaci pary nacyconej o temperaturze 250°C
przy ciśnieniu 4 MPa. Metoda Kawasaki jest jeszcze wydajniejsza. Przy jej użyciu odzyskuje
się 76% entalpii żużla przy parametrach pary: 450°C i 5 MPa [248].

5.2.2.6. Charakterystyki robocze
Mianem charakterystyk roboczych stalowniczego urządzenia łukowego określa się związki
między podstawowymi wielkościami elektrycznymi i cieplnymi określającymi stan pracy
urządzenia w funkcji prądu łuku.

Stan pracy urządzenia ustala się przez wybór napięcia zasilającego, długości łuku, a

więc pośrednio prądu łuku. Regulacja napięcia wymaga zmiany przekładni transformatora
piecowego (odczepy, przełącznik gwiazda-trójkąt). W czasie cyklu wytopowego korzysta się
z tej możliwości co najmniej kilka razy. Regulacja długości łuku, a więc i prądu łuku jest sto-
sowana w sposób ciągły przez podnoszenie i opuszczanie elektrod z pomocą układu automa-
tycznej regulacji elektrod. Możliwość ciągłej regulacji prądu łuku decyduje o tym, że charak-
terystyki robocze przedstawia się zwykle w zależności od tej właśnie wielkości dla określo-
nego stałego napięcia wtórnego transformatora. Sporządza sieje na podstawie znajomości
schematu zasilania łuków.

Przyjmując, że urządzenie łukowe jest odbiornikiem trójfazowym symetrycznym, prąd

zaś i napięcie łuku są sinusoidalne (analiza tych i innych założeń upraszczających zostanie
przeprowadzona dalej), jego schemat elektryczny można ograniczyć do jednej fazy (rys.
5.42). Reaktancja i rezystancja składowa poszczególnych elementów wchodzących w skład
układu odnosi się najczęściej do napięcia wtórnego transformatora. Wielkości

Ro i Xo wiążą

się ze stratami w rdzeniu transformatora. Gałąź równoległą z

Ro i Xo włącza się tak jak to

zaznaczono linią ciągłą ale można ją włączyć także na początek obwodu (linia przerywana).
Jeśli przyjąć, że straty w żelazie są do pominięcia, to schemat zastępczy obwodu upraszcza
się do przedstawionego na rys. 5.41b, przy czym

R i X oznaczają sumę składowych reaktancji

i rezystancji cząstkowych poszczególnych elementów obwodu,

– napięcie łuku,

– prąd

łuku.

284

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
__________________________________________________________________________

Rys. 5.42. Schemat elektryczny urządzenia łukowego: a) pełny; b) uproszczony

, X

– parametry toru elektrycznego po stronie wysokiego napięcia; R

, X

– parametry dławika;

, X

, R

, X

– parametry transformatora piecowego po stronie wysokiego i niskiego napięcia; R

– parametry toru wielkoprądowego; R

– rezystancja łuku; R

, X

– parametry jałowe

transformatora; R, X – parametry całkowite toru elektrycznego; U

– napięcie fazowe wtórne

transformatora; I

– prąd łuku; U

– napięcie łuku

Wprowadzając dalsze założenie upraszczające, dotyczące stałości składowych

rezystancji i reaktancji cząstkowych (oprócz rezystancji łuku Rł), łatwo sporządzić dla
takiego obwodu wykres kołowy. W tym celu określa się prąd zwarcia eksploatacyjnego
występujący przy Rł = O tzn. gdy elektroda zwiera się ze wsadem

(5.24)

oraz tworzy się trójkąt napięć przy zwarciu. Składową czynną spadku napięcia

R odkłada się

na osi rzędnych, składową bierną

X – na osi odciętych (rys. 5.43 – trójkąt OAB). Kąt (

jest

przesunięciem fazowym prądu względem napięcia przy zwarciu zaś odcinek OB w przyjętej
skali napięć

R/AB odwzorowuje napięcie fazowe wtórne transformatora piecowego U

Ponieważ we wszystkich niezwarciowych stanach pracy suma czynnych i biernych spadków
napięcia w obwodzie powinna być równa

, wierzchołek wektora OB musi być

zlokalizowany na okręgu o promieniu OB.
W

związku z przyjęciem stałości reaktancji

X, spadek napięcia I

X jest proporcjonalny

do prądu łuku

z tego względu na osi odciętych można odłożyć bezpośrednio jego wartość w

skali SI = Iz / OA. Jeśli dla dowolnej wartości prądu łuku I

= OC poprowadzić z punktu C

prostopadłą do osi odciętych i przecinającą się w punkcie D z ćwierćokręgiem LM, to
odcinek EC przedstawia w skali

spadek napięcia

R, odcinek OC – spadek napięcia I

odcinek DE – napięcie łuku
U

= I

, zaś

jest kątem przesunięcia między prądem i napięciem.

285

5. Nagrzewanie łukowe
___________________________________________________________________________

Rys. 5.43. Wykres kołowy jednej fazy urządzenia łukowego

Zbudowany wykres kołowy umożliwia wyznaczenie następujących charakterystyk

roboczych trójfazowego urządzenia łukowego:
- charakterystki mocy strat elektrycznych

ECS

(5.25)

- charakterystyki

mocy

łuków

( )

OCS









−

(5.26)

- charakterystyki mocy czynnej urządzenia

(

)

( )

OCCD

−

(5.27)

- charakterystyki

sprawności elektrycznej urządzenia

(

)

(

)

[

]

(5.28)

- mocy pozornej urządzenia

OCS

(5.29)

- współczynnika mocy urządzenia

(

)

cos

(5.30)

286

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
_________________________________________________________________________

Jak wynika z (5.26), napięcie łuku

oraz jego rezystancja mogą być określone zarówno

graficznie jak i analitycznie, ponieważ

( )

(5.31)

Na rysunku 5.44 przedstawiono przykładowe charakterystyki robocze. Charakterystyczną
wartością I

jest I

ł, max

. Dla I

> I

ł, max

, max moc łuku maleje. Z tego względu wartość ta bywa

uważana za graniczną. Jej przekroczenie nie prowadzi do wzrostu mocy łuku, lecz do
pogorszenia

i cos

. Jedynie w piecach z krótkim łukiem typu UHP, ze względu na dążenie

do ograniczenia zużycia wymurówki, dopuszcza się pewne przekroczenia I

ł,max

. W piecach z

chłodzeniem wodnym, pracujących także z żużlem spienionym, oddziaływanie na ściany
pieca nie jest niebezpieczne i dlatego warunek I

≤

ł, max

jest obowiązujący.

Maksimum mocy czynnej urządzenia P

max

ma miejsce przy X = R + R

tzn. gdy

45° (cos

= 0,707). Prąd łuku odpowiadający tej wartości

max

zaś maksymalna

moc czynna urządzenia

max

Rys. 5.44. Charakterystyki robocze urządzenia łukowego

287

5. Nagrzewanie łukowe
__________________________________________________________________________

Prąd łuku, przy którym

= P

ł, max

określa się wychodząc z (5.26).

( )





















(5.32)

przy

= 0 gdy

= 0 co oznacza, że maksimum mocy łuku występuje gdy

= Z, a odpowiadający tej wartości prąd

−

(

)

(

)

(

)

max

ł,

(5.33)

a maksymalna moc łuków (w trzech fazach)

(

)

(

)

max

ł,

(5.34)

Charakterystyki robocze sporządza się dla każdego stopnia napięciowego

transformatora, a jeśli urządzenie jest wyposażone w dławik, dla wszystkich wartości
reaktancji i rezystancji dławika możliwych do włączenia w obwód. Można tego dokonać
drogą pomiarową mierząc odpowiednie wielkości w funkcji prądów łuku. Sposób ten jest
kłopotliwy ponieważ wymaga m.in.: wprowadzenia sondy do kąpieli metalowej (z uwagi na
różnice między potencjałami kąpieli metalowej i obudowy kotła), równoczesnej rejestracji
jednoimiennych wielkości w każdej fazie przy spełnieniu wielu innych warunków,
wynikających z realizacji pomiarów w obszarze o dużych natężeniach pól magnetycznych
[83]. Najwłaściwszym rozwiązaniem jest rejestracja niezbędnych wielkości i ich obróbka przy
użyciu technik komputerowych, Jest to korzystne m.in. z tego względu, że w rzeczywistości
mamy do czynienia z urządzeniem asymetrycznym, co wymaga sporządzania charakterystyk
dla każdej fazy oddzielnie. Zważywszy ponadto na dużą liczbę stopni napięciowych w
nowoczesnych urządzeniach, należy uznać technikę klasyczną opartą na przyrządach
pomiarowych i rejestratorach za trudną do akceptacji.

Trudności te można zmniejszyć jeśli posłużyć się metodą obliczeniową opartą na

znajomości podanych wyżej związków. W tym celu należy jednak wyznaczyć parametry toru
elektrycznego R i X. Określa się je obliczeniowo, a w przypadku urządzeń działających –
posługując się metodą zwarcia. Zwarcie polega na zanurzeniu wszystkich trzech końców
elektrod w roztopionym metalu przy zasilaniu jak najniższym napięciem U

, z jak największą

indukcyjnością w torze elektrycznym.

288

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
_________________________________________________________________________

Ma to na celu zmniejszenie wartości prądów zwarcia. Automatyka ruchu elektrod musi być
wyłączona na czas pomiarów, który powinien być jak najkrótszy. Jest to metoda zwarcia
trójfazowego ale można się również posłużyć metodą zwarć dwufazowych, przy czym istnieje
kilka wariantów tych metod, różniących się m.in. umiejscowieniem przyrządów pomiarowych
(po stronie niskiego lub wysokiego napięcia) [180].

Rys. 5.45. Układ do pomiaru parametrów toru wielkoprądowego

1 – transformator piecowy, 2 – tor wielkoprądowy, 3 – sonda wprowadzona do kąpieli stalowej

Przy pomiarze z oprzyrządowaniem po stronie nn często stosuje się pomiar w układzie

jak na rys. 5.45. Wówczas można wyznaczyć oddzielnie dla każdej fazy parametry toru
wielkoprądowego z zależności

;

(5.35)

Do obliczeń przyjmuje się średnie arytmetyczne tych wielkości z wartości wyznaczonych dla
każdej fazy (przy założeniu symetrii układu) lub wartości rzeczywiste przy sporządzaniu
charakterystyk dla każdej fazy oddzielnie. Z kolei parametry transformatora o przekładni k w
odniesieniu do nn wyznacza się z jego danych znamionowych

(5.36)

289

5. Nagrzewanie łukowe
_________________________________________________________________________

z,%

100

(5.37)

−

(5.38)

lub

s,%

100

(5.39)

przy czym: P

t, z

– moc strat zwarciowych; I

2, n

– prąd znamionowy po stronie nn;

2,p

– napięcie międzyprzewodowe po stronie nn; e

– całkowite napięcie zwarcia

(odnoszone do napięcia fazowego); e

– całkowite napięcie zwarcia w procentach (odnoszone

do napięcia międzyprzewodowego strony wtórnej – U

2,p

); e

s,%

– składowa indukcyjna

napięcia zwarcia w procentach także odniesiona do U

2, p

Podobnie parametry dławika wyznacza się z jego danych znamionowych. Po

przeliczeniu na stronę wtórną otrzymuje się

s,%

100

(5.40)

(5.41)

przy czym: e

s,%

– spadek napięcia indukcyjnego w procentach przy prądzie znamionowym

(dla każdego odczepu), P

– moc strat w dławiku przy prądzie znamionowym także dla

każdego odczepu. Rezystancje i reaktancje odcinka wysokonapięciowego toru elektrycznego
po przeliczeniu na niskie napięcie są przeważnie bardzo małe i można je pominąć.
Ostatecznie otrzymuje się

(5.42)

Oprócz dotychczas wymienionych, do charakterystyk roboczych zalicza się związki

między: sprawnością elektrotermiczną urządzenia

, zużyciem właściwym energii e,

przelotnością urządzenia g lub odwrotnością tej wielkości

(tzw. jednostkowy czas

wytapiania w h/Mg) w funkcji I

Sprawność elektrotermiczna urządzenia jest iloczynem sprawności elektrycznej

cieplnej

, przy następującej jej definicji:

−

(5.43)

290

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
_________________________________________________________________________

gdzie P

jest mocą całkowitą strat cieplnych pieca, tzn. odniesioną do trzech łuków. Wobec

tego

−

(5.44)

Moc strat cieplnych w funkcji prądu łuku, zwłaszcza dla pieców HP, UHP, i SUHP, może być
przyjmowana jako stała, co wynika m.in. z ich dużej bezwładności cieplnej.

Wartość prądu, przy której

osiąga maximum może być znaleziona analitycznie na

podstawie warunku

(5.45)

Uwzględniając zależność (5.26) i (5.27) otrzymuje się

min

(5.46)

Przy wartości I

ł,min

moc użyteczna, czyli moc łuku pomniejszona o moc strat cieplnych jest

równa [289]















−















−

(5.47)

Zależność (5.46) wskazuje, że wartość I

ł,min

może się zmieniać w czasie pracy pieca przy

ustalonych parametrach U

, R, X tylko wtedy, gdy ulegają zmianie straty ciepła.

Prawidłowość założenia P

)

= const nie wyklucza ich zmian, np. w wyniku zużywania się

wymurówki, tym samym w pewnym przedziale – ale niewielkim – zmienia się I

ł, min

Znajomość

pozwala wyznaczyć zużycie właściwe energii

(5.48)

które wartość najmniejszą osiągnie dla prądu I

ł,min

. Jest więc ono większe od zużycia

teoretycznie najmniejszego e

, czyli przy zerowych stratach energii elektrycznej i cieplnej.

Wartość e

zawiera się w przedziale 340 ÷ 370 kW·h/Mg. Z kolei przelotność urządzenia

−

(5.49)

co oznacza, że g największą wartość osiągnie przy P

ł, max

(rys. 5.44).

291

5. Nagrzewanie łukowe
___________________________________________________________________________

Przedstawione wyżej charakterystyki robocze oparte są na wielu założeniach

upraszczających, z których najistotniejszymi są: stabilność napięcia na szynach podstacji
zasilającej transformator piecowy, pominięcie strat w rdzeniu transformatora piecowego,
sinusoidalny charakter prądu i napięcia pieca, stałość rezystancji, i reaktancji toru
elektrycznego, statyczny charakter wyładowania we wszystkich fazach, symetryczny
charakter obwodu i obciążenia pieca.

Założenie o stabilności napięcia na szynach nie wnosi większych błędów, o ile moc

zwarciowa sieci w miejscu przyłączenia urządzenia jest odpowiednio duża. Jeśli z tej samej
podstacji zasilanych jest kilka urządzeń łukowych, należy się liczyć z możliwością obniżenia
napięcia zasilającego o 5

÷8 %. W takim przypadku należy to uwzględnić przy określeniu

charakterystyk roboczych.

Nie uwzględnienie strat w rdzeniu transformatora wpływa na charakterystyki ale w

zakresie tylko bardzo małych prądów, nie interesujących z punktu widzenia i
eksploatacyjnego.

Odkształcenie przebiegów elektrycznych sprawia, że w obwodzie trójfazowym, także

przy równomiernym obciążeniu (napięcia  łuków symetryczne), między punktami zerowymi
pieca i transformatora piecowego pojawia się napięcie o częstotliwości potrójnej w stosunku
do częstotliwości sieciowej. Ponieważ w obwodzie nie ma przewodu zerowego, nie występuje
ani trzecia harmoniczna, ani jej krotności. Zniekształcenia prądu powodowane są  głównie
piątą i siódmą harmoniczną. Przy niesymetrii łuków i sieci zasilającej w fazach urządzenia
pojawiają się prądy trzeciej harmonicznej i jej krotności. Czynniki te powodują,  że w
obszarze prądów roboczych w fazie roztapiania i utleniania mniejsze są: moc użyteczna o
4

÷5%, sprawność elektryczna o 0,5÷0,6%, współczynnik mocy o 4÷6% (w stosunku do

wartości obliczonych dla przebiegów nieodkształconych). W pozostałych fazach wytopu
wpływ wyższych harmonicznych jest nieznaczny. Niestatyczny charakter wyładowań
łukowych powoduje nieznaczny wzrost mocy strat elektrycznych i mocy łuków oraz
obniżenie

i cos

ϕ. Asymetria obciążenia faz w konstrukcjach tradycyjnych powodowała

m.in. nierównomierne zużywanie się wymurówki i silne oddziaływanie na sieć zasilającą.
Tory triangulowane znamionuje asymetria o wartości 3

÷5%, a więc nie powodująca

nadmiernego oddziaływania na sieć i kocioł pieca [83].

Oczywiście opracowane zostały metody określania charakterystyk roboczych

eliminujące wiele z wymienionych założeń upraszczających. Ich opis znajdzie czytelnik np. w
monografii A. Kurbiela [180].

5.2.2.7. Warunki eksploatacji

Z przedstawionych w punkcie poprzednim charakterystyk wynika, że dla każdej pary wartości
R

, X przy założeniu U

= const, P

= const powinien istnieć prądowy zakres roboczy znacznie

węższy od przedziału 0

÷I

. Urządzenia wyposażone w transfor-

292

5.2. Technologie łukowe i urządzenia do ich realizacji
_________________________________________________________________________

matory z regulacją napięcia bez obciążenia mają zwykle 6 stopni napięciowych, a jeśli
występuje dławik, to włącza się go przy pracy na 3 najwyższych stopniach, przy czym każdej
wartości U

, a więc i X

, przyporządkowana jest jedna wartość X

. Oznacza to, że urządzenia

symetryczne eksploatowane na podstawie znajomości sześciu zbiorów charakterystyk
roboczych, zaś asymetryczne - 18 zbiorów. Transformatory przystosowane do zmiany U

pod

obciążeniem mają znacznie więcej stopni napięciowych w wyniku czego liczba takich
zbiorów wzrasta do kilkudziesięciu. W tej sytuacji zrozumiała jest konieczność stosowania
technik komputerowych do ustalenia właściwej trajektorii eksploatacji urządzenia w taki
sposób, by wykorzystać wszystkie jego możliwości.

Rys. 5.46. Wykres kołowy urządzenia łukowego dla siedmiu stopni napięciowych z zaznaczonymi obszarami

roboczymi
P – moc czynna urządzenia odniesiona do mocy P

przy cos

ϕ = 1, Q – moc bierna urządzenia

odniesiona do mocy Q

przy cos

ϕ = 0, S – moc pozorna urządzenia, S

– znamionowa moc pozorna

urządzenia

Obszar roboczy urządzenia łukowego, w którym musi zawierać się ta trajektoria

wygodnie jest przedstawić na wykresie kołowym obejmującym wszystkie stopnie napięciowe
(rys. 5.46). Teoretyczny obszar roboczy wyznacza granica A-B-C-D-E-F-G-H-A, przy czym
poszczególne jej fragmenty odpowiadają:
A-B-C – najniższemu napięciu wtórnemu transformatora;
C-D – współczynnikowi mocy przy prądzie I

ł, k

(patrz rys. 5.44), przy którym moc

łuku równa jest mocy strat cieplnych;

D-E – dopuszczalnemu natężeniu prądu łuku I

(zwykle limituje go dopuszczalny

prąd w elektrodzie I

e,max

);

293

5. Nagrzewanie łukowe
__________________________________________________________________________

E-F-G – maksymalnej mocy pozornej urządzenia S (na ogół nieco większej od mocy

znamionowej S

);

G-H – najwyższemu napięciu wtórnemu transformatora;
H-A – współczynnikowi mocy cos

≈ 0,85, stanowiącemu górną granicę długości

łuku, przekroczenie której prowadzi do jego zerwania (odpowiada temu prąd
I

ł, p

– rys. 5.44).

Praktyczny obszar roboczy jest znacznie mniejszy. Określa go granica A-B-F-G-H-A,

przy czym górny zakres prądowy jest limitowany wartością cos

ustaloną na poziomie

0,6

÷0,65. W obszarze tym wyznacza się trajektorię eksploatacji urządzenia na wybranych lub

wszystkich stopniach napięciowych. Wyznaczenie trajektorii łączy się często z określeniem
optymalnego prądu roboczego przy przyjętym wskaźniku jakości, którym może być np.
minimalny koszt produkcji jednostkowej, minimalne zużycie energii elektrycznej,
maksymalna przelotność. W takim przypadku za granicę prądowego obszaru roboczego
przyjmuje się I

ł,max

(zakres A na rys. 5.44), ponieważ jakakolwiek zmiana prądu roboczego

zawartego w tym przedziale powoduje pogorszenie tylko jednego wskaźnika: e lub g = 1/

(przy czym

znamionuje czas topienia masy jednostkowej). Praca poza obszarem A

powoduje pogorszenie obu tych wskaźników równocześnie (rys. 5.44).

5.2.3. Urządzenia łukowe z piecami wytopowymi
prądu stałego

Zastosowanie techniki stałoprądowej do wytopu metali w łukowych piecach atmos-

ferowych dużej mocy stało się możliwe z chwilą pojawienia się tyrystorów wielkoprądowych.
Pierwsze urządzenia tego rodzaju, w pełni dojrzałe technicznie, zaczęto wprowadzać do
przemysłu na początku lat siedemdziesiątych [62], [267], [284]. W 1989 r. największa
jednostka osiągnęła pojemność 130 Mg przy mocy 100 MW (urządzenie SUHP), a w 1992 r.
uruchamia się urządzenie z piecem jednoelektrodowym o pojemności 150 Mg [207], [369].

Pod względem metalurgicznym urządzenia łukowe z piecami prądu stałego (DC-AF)

eksploatowane są podobnie jak urządzenia z piecami prądu przemiennego (AC-AF). Używa
się ich głównie do wytopu różnych rodzajów stali i żeliwa, a ponadto do przetapiania Al i
jego stopów oraz innych metali, co stanowi interesujące rozszerzenie możliwości tej metody
nagrzewania [207]. Rozwiązania charakterystyczne dla czwartej generacji urządzeń AC-AF
(dodatkowe nieelektryczne źródła ciepła, chłodzenie kotła i sklepienia, wdmuchiwanie tlenu,
ochrona przed hałasem) są także wprowadzane do urządzeń DC-AF [62].

Istotne różnice między obu rodzajami urządzeń występują przede wszystkim w

układach zasilania, inna jest zasada regulacji położenia elektrody lub elektrod,

294