Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων – Μεταλλουργών Εργ. Μεταλλουργίας Ε.Μ. Πολυτεχνείο Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων – Μεταλλουργών Εργ. Μεταλλουργίας Μεταλλουργία Σιδήρου II – Χάλυβας - Σιδηροκράματα Θεωρία και Τεχνολογία Μάθημα 4: Ηλεκτρικοί κάμινοι τόξου τήξης στη χαλυβουργία Δρ. Α. Ξενίδης

Ηλεκτρική Κάμινος Τόξου (Η/Κ) Electric Arc Furnace, EAF Θερμική συσκευή που χρησιμοποιείται στην τήξη ή/και αναγωγική τήξη Αποτελούν μαζί με την Υ/Κ τα σπουδαιότερα είδη αναγωγικής τήξης Πηγή θερμότητας είναι η ηλεκτρική ενέργεια που μετατρέπεται σε θερμότητα με δύο τρόπους: Ακτινοβολία του τόξου που σχηματίζεται μεταξύ των ηλεκτροδίων και του υλικού τροφοδοσίας (Η/Κ ανοικτού τόξου) Αγωγή και μεταφορά ρεύματος μέσα από το υλικό (Φαινόμενο Joule, Η/Κ εμβαπτισμένου τόξου) Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Ηλεκτρική Κάμινος Τόξου (Η/Κ) Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Ηλεκτρική Κάμινος Τόξου (Η/Κ) Κύρια μέρη της Η/Κ ανοιχτού τόξου Μετασχηματιστής Αγωγοί ρευματοδοσίας (σταθεροί), εύκαμπτοι ρευματαγωγοί, ηλεκτρόδια Silos τροφοδοσίας (στις καμίνους εμβαπτισμένου τόξου) Βάση από οπλισμένο σκυρόδεμα Μεταλλικό κέλυφος Πυρίμαχη επένδυση Θόλος Οριζόντιος Μορφή τόξου Αψιδωτός Μορφή καμάρας Καπνοδόχος Control Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Ηλεκτρική Κάμινος Τόξου (Η/Κ) Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Ηλεκτρική Κάμινος Τόξου (Η/Κ) Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Ηλεκτρική Κάμινος Τόξου (Η/Κ) Hadeed, Saudi Arabia, 150- t AC EAF Dofasco, Canada, 165-t AC twin-shell EAF Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Ηλεκτρική Κάμινος Τόξου (Η/Κ) 120-t DC EAF Stahlwerk Thόringen (Arbed Group), Germany Electric arc furnace – bottom anode Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Ηλεκτρική Κάμινος Τόξου (Η/Κ) Ηλεκτρόδιο Η/Κ συνεχούς ρεύματος, Χαλυβουργία Ελλάδος, Βόλος Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Ηλεκτρική Κάμινος Τόξου (Η/Κ) 160-t EAF at Carinox, Belgium 140-t EAF Outokumpu, Finland Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Ηλεκτρική Κάμινος Τόξου (Η/Κ) 80-t finger-shaft-furnace at Zhangjiagang, China Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα) Μετασχηματιστής Μετατρέπει την υψηλή τάση σε χαμηλή Πρωτεύον τμήμα : Υψηλή τάση – χαμηλή ένταση Δευτερεύον τμήμα : Χαμηλή τάση – Υψηλή ένταση Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα) Μετασχηματιστής Παράδειγμα υπολογισμού Vπρωτ = 15000 V, Iπρωτ. = 1500 Α, cosφ = 0,88 Vδευτ. = 400 V I δευτ = 56.250 Α Πρωτεύον: Συνδεσμολογία τριγώνου ή αστέρα Δευτερεύον: Συνδεσμολογία τριγώνου (για ηλεκτρικούς λόγους) Αγωγοί ρευματοδοσίας: εύκαμπτο - άκαμπο τμήμα Υδρόψυκτοι ή αερόψυκτοι Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα) 13

Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα) Χωνευτήριο – Θόλος Μεταλλικό κέλυφος Πυρίμαχη επένδυση Οπές Απομετάλλωσης Αποσκωρίωσης Υδρόψυκτοι μηχανισμοί κίνησης Λούκια με υδρόψυκτη ή πυρίμαχη επένδυση Θόλος Οροφή της καμίνου με κατάλληλα ανοίγματα για τα ηλεκτρόδια και τα απαέρια Σύστημα ανάρτησης ηλεκτροδίων Σύστημα (κάδος) φόρτωσης της καμίνου που κινείται με τη βοήθεια γερανογέφυρας Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Ηλεκτρόδια Συνήθως τρία στις κορυφές ισόπλευρου τριγώνου Ηλεκτρόδια γραφίτη της εταιρείας Fushun Carbon Co., Ltd. Θέση ηλεκτροδίων, καύστήρων αερίου και τα θερμά σημεία (hot spots) Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα) Ηλεκτρόδια Γραφιτούχα Αγωγή ηλεκτρικού ρεύματος Αντοχή στις υψηλές θερμοκρασίες Φθορά Οξείδωση από τον ατμοσφαιρικό αέρα ή από τη σκουριά (50-80%) Θραύση (συνηθησμένο φαινόμενο) που ωφειλεται Θερμοκρασιακούς αιφνιδιασμούς Κρούσεις στο στερεό φορτίο της Η/Κ Σχετικά χαμηλή μηχανική τους αντοχή Ηλεκτρικά τόξα Παρελθόν: κατανάλωση > 2,6 kg/t χάλυβα Σήμερα: 1 kg/t χάλυβα Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα) Κατανάλωση ενέργειας Συνήθως 400 – 850 kWh/t. Εξαρτάται: Ποιότητα της τροφοδοσίας Προθέρμανση Προαναγωγή Τήξη scrap, σπογγώδους σιδήρου Τα pellets σπογγώδους σιδήρου απαιτούν 650-900 kWh/t (υψηλότερη ενέργεια από το scrap), λόγω Τήξης και των στείρων Αναγωγής μη ανηγμένου σιδήρου Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα) Πυρίμαχα Πυρίμαχα είναι συνήθως βασικά Αποθείωση Αποφωσφορίωση Μέρος των πυριμάχων και του θόλου αντικαθίστανται από υδρόψυκτα τμήματα Θερμικές απώλειες είναι μεγαλύτερες από εκείνες των πυριμάχων Παρατείνεται ο χρόνος ζωής τοιχωμάτων και θόλου Μειώνεται η ειδική κατανάλωση των πυριμάχων (ωστόσο παραμένει σε υψηλά επίπεδα) Η κατανάλωση των πυριμάχων εξαρτάται από τη θερμοκρασία και τη σύσταση της σκουριάς Η βασική σκουριά Έχει υψηλότερο σημείο τήξης (μεγαλύτερη ειδική κατανάλωση ενέργειας) Μεγαλύτερη διάρκεια ζωής των βασικών πυριμάχων Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Πλεονεκτήματα Η/Κ τήξης Ελεγχόμενη ταχύτητα παροχής ενέργειας Ρύθμιση της τάσης και έντασης εξόδου του μετασχηματιστή Όταν υπάρχει προσθήκη άνθρακα δεν είναι πάντοτε δυνατή η επίτευξη της θερμοκρασίας Ελεγχόμενη θερμοκρασία Ανάλογα με τη θερμοκρασία των χημικών αντιδράσεων (π.χ. Αποθείωσης, αποφωσφορίωσης) Ανάλογα με το σημείο τήξης Επιτυγχάνεται υψηλή τοπική θερμοκρασία και επομένως ταχεία τήξη Παραγωγή μικρού όγκου απαερίων (χρησιμοποιείται ηλεκτρική ενέργεια και όχι καύσιμο) Δυνατότητα τροφοδοσίας ρευστού μετάλλου ή στερεού υλικού (scrap, σπογγώδη σιδήρου, προανηγμένου υλικού, λεπτόκοκκου υλικού ή συνδυασμός) Δυνατότητα χρησιμοποίησης όλων των ειδών καυσίμων Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Πλεονεκτήματα Η/Κ τήξης Δυνατότητα προθέρμανσης ή προαναγωγής Η πλέον κατάλληλη συσκευή στην παραγωγή σιδηροκραμάτων π.χ. FeCr – 1670oC Δυνατότητα υπερθέρμανσης της σκουριάς (μεταλλουργία FeNi, FeCr) Δυνατότητα εμφύσησης οξυγόνου ή καυσίμου Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Μειονεκτήματα Η/Κ τήξης Χρησιμοποιεί την ακριβή ηλεκτρική ενέργεια Για ανοιχτό λουτρό δεν επιτρέπεται υγρασία μεγαλύτερη από 5% γιατί, Εγκλωβίζεται Εξατμίζεται ταχύτατα Διάσπασης των ατμών σε οξυγόνο και υδρογόνο Πρόσκληση έκρηξης με αντίδρασή τους Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα) Εξέλιξη της Η/Κ τόξου Στοιχεία παραγωγής 1970 1980 1990 1995 Παγκόσμια παραγωγή χάλυβα (106 t) 600 725 770 750 Χάλυβας Η/Κ τόξου (106 t) 90 152 210 242 Χάλυβας Η/Κ τόξου (% παγκόσμιας παραγωγής) 15 21 27 32,6 Ισχύς Μ/Σ (kVA/t χάλυβα) 450 1000 - Διάρκεια χυτηρίου (min) 160 110 70 60 Κατανάλωση Η.Ε (kWh/t χάλυβα) 700 410 Κατανάλωση Ο2 (Nm3/t χάλυβα) 5 8 20 Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα) 22

Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα) Εξέλιξη της Η/Κ τόξου Τεχνολογική εξέλιξη Αντικατάσταση μέρος της Η/Κ με στερεά καύσιμα (λιθάνθρακας, κωκ) και καύση τους με οξυγόνο ή από αέρια καύσιμα Ανάδευση του λουτρού με οξυγόνο ή/και αδρανές αέριο Μείωση του χρόνου χυτηρίου Ταυτόχρονη τήξη και κάθαρση Αύξηση της εισαγόμενης ενέργειας Τεχνολογία κάδου Βελτίωση της ισορροπίας μετάλλου – σκωριάς λόγω ανάδευσης Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα) 23

Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα) Τεχνολογία Πλάσματος Νέα γενιά μεταλλουργικών μονάδων Βασική ιδέα: Διαχωρισμός της ενέργειας Αναγωγή Θέρμανση Όλες αυτές οι μονάδες βασίζονται στην τεχνολογία πλάσματος Αντιδραστήρας πλάσματος Μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε θερμική με τη βοήθεια ενός ιονισμένου αερίου (πλάσματος) Πλάσμα Σε Κ.Σ. τα αέρια (αποτελούμενα συνήθως με δύο ή περισσότερα άτομα) είναι ουδέτερα Σε θερμοκρασία 2000οC τα μόρια αρχίζουν να διασπώνται σε άτομα Σε θερμοκρασία 3000οC περίπου σχηματίζεται το πλάσμα (θετικά ιόντα και ηλεκτρόνια) Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα) Τεχνολογία Πλάσματος Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα) 25

Μέθοδοι χαλυβοποίησης Μέθοδος συνδυασμένης εμφύσησης Εμφύσηση από το στόμιο και από τον πυθμένα Μέθοδος ΚΜS (Klockner Maxhutte Schrott) Εκμεταλλεύεται τα πλεονεκτήματα της ΟΒΜ (καλύτερη αποθείωση, αποφωσφορίωση) με της LD (χαμηλότερη φθορά πυριμάχων του πυθμένα) Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)