Μεταλλουργία Σιδήρου II – Χάλυβας - Σιδηροκράματα Θεωρία και Τεχνολογία

1. 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

2. 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)

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

4. 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)

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

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

7. 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)

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

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

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

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

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

13. 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)

14. 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)

15. 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)

16. 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: 1kg/t χάλυβα Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

17. 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)

18. 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)

19. 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)

20. 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)

21. 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)

22. Εξέλιξη της Η/Κ τόξου Στοιχεία παραγωγής Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

23. 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)

24. 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)

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

26. 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)