Bezpośrednie stapianie tworzyw zawierających żelazo, takich jak złom, jest zwykle wykonywane w elektrycznych piecach łukowych, które odgrywają coraz większą rolę w hutach stali, w których stosowane są nowoczesne rozwiązania (patrz rysunek 1.2). Obecnie procentowy udział stali elektrycznej w całkowitej produkcji stali w Unii Europejskiej wynosi 35,3% [Stat. Stahl, 1997]. We Włoszech i Hiszpanii produkcja stali elektrycznej jest znacznie większa niż produkcja stali konwertorowej wytwarzanej w procesie obejmującym wielki piec i konwertor zasadowo tlenowy (nie uwzględniając Państw Członkowskich, w których produkuje się wyłącznie stal elektryczną).
Głównym tworzywem wsadowym dla elektrycznych pieców łukowych jest złom żelazny, który może obejmować złom z samej huty (np. odcinki), obcinki od producentów wyrobów stalowych (np. producentów samochodów) i złom zwrotny lub złom od użytkowników (np. wyroby wyeksploatowane). Bezpośrednio redukowane żelazo jest również wykorzystywane w coraz większym stopniu jako tworzywo wsadowe zarówno z powodu niskiej zawartości skały płonnej, jak i zmiennych cen złomu. Tak jak w zasadowym konwertorze tlenowym, żużel wytwarzany jest z wapna w celu zebrania niepożądanych związków w stali.
Rysunek 9.1 przedstawia elektrostalownię z piecem łukowym. W tym przypadku budynek zawierający bliźniaczy pancerz elektrycznego pieca łukowego jest całkowicie zamknięty, aby zminimalizować emisję pyłu, gazów i hałasu.
Rysunek 9.1: Elektrostalownia z elektrycznym piecem łukowym
Na rysunku 9.2 można zobaczyć elektryczny piec łukowy z trzema elektrodami oraz szyb do ładowania złomu.
Rysunek 9.2: Elektryczny piec łukowy z trzema elektrodami i szybem do załadunku złomu (na pierwszym planie)
Przegląd procesu wytwarzania stali elektrycznej przedstawiono na rysunku 9.3.
Rysunek 9.3: Przegląd procesów związanych z wytwarzaniem stali w elektrostalowni z piecem łukowym - [D Rentz, 1997]
W przypadku wyrobów końcowych należy odróżnić produkcję zwykłej stali, zwanej stalą węglową, od produkcji stali niskostopowej i stali wysokostopowych/nierdzewnych. W Unii Europejskiej około 85% produkcji stali stanowi stal węglowa lub niskostopowa [Studium WE, 1996].
W przypadku produkcji stali węglowej i stali niskostopowej wykonywane są następujące operacje:
· transport i składowanie surowców
· ładowanie pieca z/bez wstępnego podgrzewania złomu
· stapianie złomu w elektrycznym piecu łukowym
· spust stali i żużlu
· obróbka cieplna piecokadzi w celu otrzymania odpowiedniej jakości stali
· transport żużlu
· ciągłe odlewanie stali
W przypadku stali wysokostopowych i stali specjalnych sekwencja technologiczna jest bardziej złożona i dostosowana do wyrobów gotowych. Oprócz wyżej wymienionych operacji technologicznych dotyczących stali węglowych, wykonywane są następujące operacje obróbki cieplnej pieco-kadzi (rafinacja pozapiecowa):
· odsiarczanie
· usuwanie rozpuszczonych gazów takich, jak azot i wodór
· odwęglanie (AOD= odwęglanie w argonie i tlenie lub VOD = odwęglanie próżniowo- tlenowe)
Główne obszary składowania złomu są zwykle otwartymi składowiskami o nieutwardzonej powierzchni usytuowanymi na zewnątrz, co może prowadzić do zanieczyszczenia gleby, ale istnieją także zakłady, które mają zadaszone składowiska złomu z utwardzoną nawierzchnią. W zależności od warunków pogodowych, mogą być emitowane lotne związki organiczne i nieorganiczne.
Obecnie kontrola radioaktywności złomu wejściowego stała się ważnym problemem, ale ta kwestia nie jest rozpatrywana w niniejszym opracowaniu.
Aby obniżyć ryzyko związane z występowaniem niebezpiecznych związków, wykonuje się segregację złomu. Złom, który powstaje w samym zakładzie może być docinany za pomocą lancy tlenowej na wymiar wygodny do transportu. Złom może być ładowany do koszy zasypowych na składowisku złomu, lub może być transportowany do tymczasowych hali przygotowania złomu na stalowni. W niektórych przypadkach złom jest podgrzewany w szybie lub na przenośniku (patrz podgrzewanie złomu).
Pozostałe surowce takie, jak topniki w formie kawałkowej i sproszkowanej, wapno sproszkowane i węgiel, dodatki stopowe, środki odtleniające i tworzywa ogniotrwałe są zwykle składowane pod przykryciem. Po dostarczeniu, transport jest ograniczony do minimum i tam, gdzie jest to możliwe, mogą być wykorzystywane urządzenia odciągowe pyłu. Sproszkowane tworzywa mogą być składowane w szczelnych silosach (wapno powinno być składowane w stanie suchym) oraz transportowane pneumatycznie lub magazynowane i transportowane w szczelnych workach.
W minionych latach coraz więcej istniejących i nowych elektrycznych pieców łukowych było wyposażane w układ do podgrzewania złomu wykorzystujący gaz odlotowy w celu odzyskiwania energii. Obecnie tak zwana technologia szybowa i proces Consteel są dwoma sprawdzonymi systemami, które zostały z powodzeniem zastosowane w praktyce [Haissig, 1997].
Technologia szybowa została opracowana w kilku etapach [Voss-Spilker, 1996]. W przypadku pieca z pojedynczym szybem zwykle tylko około połowa ładowanego złomu może być podgrzewana, podczas gdy w piecu z szybem palcowym (co oznacza, że szyb ma układ zabezpieczający złom) może być podgrzewane 100% złomu. Pierwszy kosz jest podgrzewany podczas rafinacji poprzedniego wytopu, a drugi podczas spustu pierwszego wytopu. Kolejną modyfikacją jest piec z podwójnym szybem, który składa się z dwóch identycznych pieców z szybami (układ bliźniaczego płaszcza-pancerza), które znajdują się przy sobie i obsługiwane są przez jeden zestaw ramion elektrod. Złom jest częściowo podgrzewany za pomocą gazu odlotowego i częściowo przez boczne przyścienne palniki.
Do chwili obecnej (październik 1998) ponad 20 pieców szybowych pracuje na świecie, w tym osiem w Europie.
Podgrzewanie złomu może prowadzić do zwiększonej emisji aromatycznych związków organohalogenowych, takich jak polichlorowane dibenzodioksyny/dibenzofurany, chlorobenzeny, polichlorowane bifenyle, jak również wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) i inne częściowo spalane produkty w złomie, które są zanieczyszczone farbami, tworzywami sztucznymi, smarami lub innymi związkami organicznymi. Powstawanie tych związków może być zminimalizowane przez dodatkowe spalanie w piecu dzięki zastosowaniu dodatkowych palników tlenowych. Palniki zostały tak skonstruowane, aby (dodatkowo) spalić tlenek węgla CO (i węglowodory). Stąd ciepło chemiczne z tego spalania może być również wykorzystane do podgrzewania złomu [Knapp, 1996]. Takie dodatkowe spalanie różni się jednak od dodatkowego spalania za elektrycznym piecem łukowym, stosowanego w celu obniżenia emisji związków organicznych takich, jak polichlorowane dibenzodioksyny/dibenzofurany itp. Takie dodatkowe spalanie wymaga znacznej ilości energii.
Złom jest zwykle ładowany do koszy razem z wapnem lub dolomitem, który jest stosowany jako topnik w celu wytworzenia żużlu. Węgiel kawałkowy jest również ładowany w niektórych zakładach, co prowadzi do emisji określonego rodzaju benzenu (jak również toluenu i ksylenów). Elektrody pieca są podnoszone do górnego położenia, a sklepienie dachu jest następnie odsuwane z pieca w celu jego załadowania. Zwykle przy pierwszym koszu złomowym ładuje się na początku około 50-60% złomu. Następnie sklepienie dachu jest zamykane, a elektrody obniżane są do poziomu złomu. W odległości 20-30 mm powyżej złomu elektrody wywołują łuk elektryczny. Po wykonaniu pierwszego wytopu pozostały złom jest dodawany z drugiego lub trzeciego kosza.
Dostępny układ jest znany jako piec szybowy, który pozwala na wstępne podgrzanie części złomu poprzez jego ładowanie za pomocą pionowego szybu połączonego ze sklepieniem pieca (patrz podgrzewanie pieca) [Voss-Spilker, 1996].
Opracowane zostały także inne nowe układy ładowania pieca. W procesie Consteel złom jest ładowany w sposób ciągły poprzez układ poziomego przenośnika do elektrycznego pieca łukowego [Vallomy, 1992]. Układ ten nie jest jednak ogólnie uznawany za sprawdzoną technikę.
Podczas wstępnego okresu wytapiania doprowadzana moc jest utrzymywana na niskim poziomie, co zapobiega uszkodzeniu ścian pieca w wyniku promieniowania, a równocześnie pozwala, by elektrody wkręcały się w złom. Gdy łuki zostaną osłonięte przez otaczający złom, energia może być zwiększona w celu dokończenia procesu wytapiania. W początkowych stadiach wytapiania coraz częściej stosowane są wspomagające lance tlenowe i/lub palniki tlenowe. Paliwa obejmują gaz ziemny i olej. Ponadto tlen może być doprowadzany do płynnej stali przez specjalne dysze w górnej lub bocznej ścianie elektrycznego pieca łukowego.
W ciągu ostatnich 30 lat tlen znajdował coraz szersze uznanie w wytwarzaniu stali elektrycznej nie tylko z przyczyn metalurgicznych, ale również z powodu wzrastających wymagań dotyczących zdolności produkcyjnych. Coraz częstsze zastosowanie tlenu można przypisać obecnej dostępności płynnego tlenu oraz przyzakładowych tlenowni [Knapp, 1996].
Z przyczyn metalurgicznych tlen jest stosowany do odwęglania wytopu i usuwania innych niepożądanych pierwiastków takich, jak fosfor, mangan, krzem i siarka. Ponadto, tlen wchodzi w reakcje z węglowodorami, tworząc reakcje egzotermiczne. Wtłaczanie tlenu prowadzi do znacznego wzrostu gazu i powstawania spalin w piecu. Powstają takie gazy, jak CO i CO2, wyjątkowo drobne cząsteczki tlenku żelaza i inne produkty spalinowe. W przypadku dodatkowego spalania zawartość CO wynosi poniżej 0,5 % objętości.
Do metalowej kąpieli może być wtłaczany argon lub inne gazy obojętne, aby zapewnić jej mieszanie i uzyskanie równowagi temperatury. Za pomocą tej techniki poprawiona jest również równowaga pomiędzy żużlem a metalem.
W hutach pozbawionych odrębnych urządzeń do obróbki pozapiecowej pierwiastki stopowe i inne dodatki są często dodawane do stali w kadzi przed spustem lub podczas spustu. Takie dodatki mogą w wyraźny sposób zwiększyć ilość spalin powstających podczas spustu. Konieczne może być usuwanie żużlu podczas nagrzewania i utleniania w końcowym etapie wytopu przed spustem. Piec jest obracany tyłem w kierunku drzwi żużlowych, skąd odpływa żużel i pochylany do kotła lub spuszczany na ziemię poniżej pieca, co powoduje powstawanie pyłu i dymu.
Obecnie stal jest zwykle spuszczana przez układ dolnospustowy z minimalnym przejściem żużlu do kadzi.
Rafinacja pozapiecowa, która jest przeprowadzana w kadziach obejmuje procesy i obróbkę cieplną stopionej stali po spuszczeniu pierwotnej stali wytwarzanej w piecu do punktu odlewania. Procesy te następują zwykle w stacjach obróbki cieplnej w kadzi. W zakładach produkujących stal na skalę masową stacje te są zwykle usytuowane wokół układu wytwarzającego próżnię lub zespołu nagrzewania łukowego. Pozostałe mniejsze stacje opierają się na gazie obojętnym lub urządzeniu do wtryskiwania proszku. Te procesy zostały schematycznie przedstawione na rysunku.
Legenda: VOD = odwęglanie próżniowo tlenowe; VAD = odgazowanie w łukowym piecu próżniowym; AOD = odwęglanie w argonie i tlenie;
CAS = ujednorodnienie składu chemicznego poprzez hermetyczne przedmuchiwanie argonem; CAS/OB = CAS oraz wdmuchiwanie tlenu
Rysunek 9.4: Rafinacja pozapiecowa/obróbka cieplna w kadzi - [Zjednoczone Królestwo WB i IP, Elektryczne piece łukowe, 1994]
W przypadku produkcji stali ołowiowej gazy odlotowe zawierające ołów muszą przejść specjalną obróbkę cieplną (patrz informacja dotycząca obróbki pozapiecowej na stalowniach konwertorowych – 8.1.4 i 8.2.2.1.1.3)
Podczas odzyskiwania żużlu przy użyciu koparki, oprócz żużlu powstają dodatkowo pył i spaliny, które mogą być nadal gorące. Poza budynkiem, w którym mieści się piec, żużel może być chłodzony poprzez zraszanie wodą zanim zostanie pokruszony i przesiany w celu odzyskania metalu. W przypadku żużlu zawierającego wolne wapno mogą być emitowane zasadowe opary. Łamanie żużlu (lub w niektórych przypadkach cięcie lancami tlenowymi) i odzyskiwanie metalu może powodować emisję pyłu.
Płynna stal jest zwykle odlewana w sposób ciągły. Odlewanie we wlewki jest również stosowane w przypadku niektórych gatunków stali i zastosowań. Ciągłe odlewanie jest procesem, który umożliwia odlewanie płynnej stali z jednej lub szeregu kadzi w ciągłe pasmo kęsów, kęsisk kwadratowych, kęsisk płaskich, profili wstępnych dwuteowych lub taśmy (patrz również 8.1.5.1). Stal jest spuszczana do kadzi pośredniej, z której jest rozdzielana przy zachowaniu regulowanej prędkości do chłodzonych wodą wlewnic o odpowiednich wymiarach, wykonanych z miedzi.
Aby zapobiec zakleszczaniu się zastygłej zewnętrznej powłoki żyły, wlewnica oscyluje w kierunku odlewania z szybkością większą niż prędkość odlewania, a do wlewnicy dodawany jest środek poślizgowy w formie proszku lub oleju roślinnego. Żyła jest w sposób ciągły wyciągana, a następnie chłodzona poprzez bezpośrednie zraszanie wodą. W miejscu, gdzie krzepniecie jest zakończone, żyła jest cięta na wymagane długości za pomocą palników tlenowych. W przypadku stali nierdzewnej ciętej tlenowo lub za pomocą nożyc hydraulicznych stosuje się wtrysk proszku żelaza.
Puchaczo_o