Konstruktion

Ein Lichtbogenofen zur Stahlerzeugung besteht aus einemfeuerfest-ausgekleideter Behälter, in größeren Größen normalerweise wassergekühlt, mit einem einziehbaren Dach bedeckt, und durch den ein oder mehrereGraphitElektrodenbetreten Sie den Ofen. Der Ofen ist im Wesentlichen in drei Abschnitte unterteilt:

die Schale, die aus den Seitenwänden und der unteren Stahlschale besteht;

der Herd, der aus dem feuerfesten Material besteht, das die untere Schale auskleidet;

Das Dach kann feuerfest ausgekleidet oder wassergekühlt sein und die Form eines Abschnitts einesKugeloder alsKegelstumpf(konischer Abschnitt). Das Dach stützt auch das feuerfeste Delta in seiner Mitte, durch das ein oder mehrereGraphitElektroden treten ein.

Der Herd kann halbkugelförmig sein, oder in einem Ofen mit exzentrischem Bodenabstich (siehe unten) hat der Herd die Form eines halbierten Eies. In modernen Schmelzwerken wird der Ofen oft vom Erdgeschoss abgehoben, so dassSchöpfkellenund Schlackentöpfe können problemlos unter beiden Enden des Ofens hergestellt werden. Getrennt von der Ofenstruktur befinden sich die Elektrodenhalterung und das elektrische System sowie die Kippplattform, auf der der Ofen ruht. Zwei Konfigurationen sind möglich: Die Elektrodenhalterungen und das Dach neigen sich mit dem Ofen oder sind an der erhöhten Plattform befestigt.

Ein typischerWechselstromDer Ofen wird angetrieben durch eineDreiphasen-Stromversorgungund hat daher drei Elektroden. Elektroden haben einen runden Querschnitt und bestehen normalerweise aus Segmenten mit Gewindekupplungen, sodass bei Verschleiß der Elektroden neue Segmente hinzugefügt werden können. Der Lichtbogen bildet sich zwischen dem geladenen Material und der Elektrode. Die Ladung wird sowohl durch den durch die Ladung fließenden Strom als auch durch die vom Lichtbogen freigesetzte Strahlungsenergie erhitzt. Die Lichtbogentemperatur erreicht etwa 3000 Grad (5000 Grad F), wodurch die unteren Abschnitte der Elektroden im Betrieb glühend glühen. Die Elektroden werden automatisch durch ein Positionierungssystem angehoben und abgesenkt, das entweder elektrisch betrieben werden kann.WindeHebezeuge oderHydraulikzylinder. Das Regelsystem hält den Strom- und Leistungseintrag während des Schmelzens der Charge annähernd konstant, auch wenn sich beim Schmelzen Schrott unter den Elektroden bewegen kann. Die Mastarme, die die Elektroden halten, können entweder schwereSammelschienen(die hohl und wassergekühlt sein können)KupferRohre, die Strom zu den Elektrodenklemmen führen) oder „heiße Arme“, bei denen der ganze Arm den Strom führt, was die Effizienz erhöht. Heiße Arme können aus kupferummanteltem Stahl oderAluminium. Da sich die Elektroden zur Regulierung des Lichtbogens automatisch auf und ab bewegen und zum Abnehmen des Ofendachs angehoben werden, sind große wassergekühlteKabelVerbinden Sie die Sammelschienen/Arme mit denTransformatorbefindet sich neben dem Hochofen. Um den Transformator vor Hitze zu schützen, ist er in einem Gewölbe untergebracht und wird selbst durch gepumptes Öl gekühlt, das Wärme mit den Wasserkühlsystemen des Werks austauscht, da die elektrischen Bedingungen bei der Stahlherstellung im Lichtbogenofen eine extreme Belastung für den Transformator darstellen.

Der Ofen ist auf einer Kippplattform aufgebaut, damit der flüssige Stahl zum Transport in ein anderes Gefäß gegossen werden kann. Der Vorgang des Kippens des Ofens zum Eingießen von geschmolzenem Stahl wird als „Abstich“ bezeichnet. Ursprünglich hatten alle Stahlherstellungsöfen einen Abstichstutzen, der mit feuerfestem Material verschlossen war, das beim Kippen des Ofens ausgewaschen wurde. Moderne Öfen verfügen jedoch häufig über ein exzentrisches Bodenabstichloch (EBT), um den Einschluss vonStickstoffUndSchlackeim flüssigen Stahl. Diese Öfen haben ein Abstichloch, das vertikal durch den Herd und die Schale verläuft und außermittig in der schmalen „Nase“ des eiförmigen Herdes angebracht ist. Es ist mit feuerfestem Sand gefüllt, wieOlivin, wenn es geschlossen ist. Moderne Anlagen können zwei Schalen mit einem einzigen Satz Elektroden haben, die zwischen den beiden hin- und hergeschoben werden können; eine Schale wärmt den Schrott vor, während die andere Schale zum Schmelzen verwendet wird. Andere Gleichstromöfen haben eine ähnliche Anordnung, aber Elektroden für jede Schale und einen Satz Elektronik.

Wechselstromöfen weisen normalerweise ein Muster von heißen und kalten Stellen um den Herdrand herum auf, wobei sich die kalten Stellen zwischen den Elektroden befinden. Moderne Öfen sind mit Sauerstoff-Brennstoff-Brennern in der Seitenwand ausgestattet und verwenden diese, um die kalten Stellen mit chemischer Energie zu versorgen, wodurch die Erwärmung des Stahls gleichmäßiger wird. Zusätzliche chemische Energie wird durch Einblasen von Sauerstoff und Kohlenstoff in den Ofen bereitgestellt; früher geschah dies durch Lanzen (hohleWeichstahlWährend die Einblasung von Sauerstoff- und Brennstoffbrennern und die Sauerstoff- bzw. Kohlenstoffeinblassysteme früher in der Schlackentür erfolgte, erfolgt dies heute überwiegend über wandmontierte Einblaseinheiten, die die Sauerstoff-Brennstoff-Brenner und die Sauerstoff- bzw. Kohlenstoffeinblassysteme in einer Einheit vereinen.

Ein mittelgroßer moderner Stahlofen hätte eineTransformatorNennleistung etwa 60.000.000 Voltampere (60 MVA), mit einer Sekundärspannung zwischen 400 und 900 Volt und einem Sekundärstrom von über 44.000 Ampere. In einer modernen Werkstatt könnte ein solcher Ofen voraussichtlich eine Menge von 80 Tonnen flüssigen Stahl in etwa 50 Minuten produzieren, vom Befüllen mit kaltem Schrott bis zum Abstich des Ofens. Im Vergleich dazuSauerstoff-Basisöfenkann eine Kapazität von 150–300 Tonnen pro Charge oder „Wärme“ haben und kann eine Wärme in 30–40 Minuten erzeugen. Es gibt enorme Unterschiede in den Details der Ofenkonstruktion und des Betriebs, abhängig vom Endprodukt und den örtlichen Bedingungen sowie der laufenden Forschung zur Verbesserung der Ofeneffizienz. Der größte reine Schrottofen (in Bezug auf Abstichgewicht und Transformatorleistung) ist ein Gleichstromofen, der von Tokyo Steel in Japan betrieben wird, mit einem Abstichgewicht von 420 Tonnen und gespeist von acht 32-MVA-Transformatoren für eine Gesamtleistung von 256 MVA.

Um eine Tonne Stahl in einem Lichtbogenofen herzustellen, sind etwa 400Kilowattstundenprokurze Tonneoder etwa 440 kWh prometrische Tonne; die theoretische Mindestmenge an Energie, die zum Schmelzen einer Tonne Stahlschrott erforderlich ist, beträgt 300 kWh (Schmelzpunkt 1520 Grad / 2768 Grad F). Daher benötigt ein 300- Tonnen schwerer, 300 MVA EAF ungefähr 132 MWh Energie zum Schmelzen des Stahls und eine „Einschaltzeit“ (die Zeit, in der Stahl mit einem Lichtbogen geschmolzen wird) von ungefähr 37 Minuten. Die Stahlherstellung mit Lichtbogen ist nur dort wirtschaftlich, wo es reichlich Strom gibt und das Stromnetz gut ausgebaut ist. An vielen Standorten arbeiten die Stahlwerke außerhalb der Spitzenzeiten, wenn die Versorgungsunternehmen über überschüssige Stromerzeugungskapazitäten verfügen und der Strompreis niedriger ist.