Industrie

Stahl - Lichtbogenstahlherstellung

Lichtbogenstahlherstellung

Etwa ein Viertel des weltweiten Stahls wird nach der Lichtbogenmethode hergestellt, bei der mithilfe von Hochstrom-Lichtbögen Stahlschrott geschmolzen und in flüssigen Stahl mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung und Temperatur umgewandelt wird. Die externe Lichtbogenerwärmung ermöglicht eine bessere Wärmekontrolle als der grundlegende Sauerstoffprozess , bei dem die Erwärmung durch die exotherme Oxidation der in der Ladung enthaltenen Elemente erreicht wird. Dies ermöglicht größere Legierungszusätze als bei der Herstellung von basischem Sauerstoffstahl möglich . Die Herstellung von Lichtbogenstahl ist jedoch nicht so oxidierend, und das Mischen von Schlackenmetallen ist nicht so intensiv. Daher haben Lichtbogenstähle normalerweise KohlenstoffGehalt höher als 0,05 Prozent. Darüber hinaus haben sie normalerweise einen höheren Stickstoffgehalt von 40 bis 120 ppm, verglichen mit 30 bis 50 ppm bei basischen Sauerstoffstählen. Stickstoff, der Stahl spröde macht, wird von flüssigem Stahl aus der Luft in der Hochtemperaturzone des Lichtbogens absorbiert. Der Stickstoffgehalt kann durch Einblasen anderer Gase in den Ofen, durch Erhitzen mit einem kurzen Lichtbogen und durch Aufbringen eines kräftigen Kohlenmonoxidsiedens oder Argonrührens auf die Schmelze verringert werden.

Die Gebühr

Das Hauptladungsmaterial bei der Herstellung von Lichtbogenstahl ist Stahlschrott, und seine Verfügbarkeit zu geringen Kosten und angemessener Qualität ist von wesentlicher Bedeutung. Die Bedeutung der Schrottqualität wird deutlich, wenn Stähle mit hoher Duktilität hergestellt werden , die einen maximalen Gesamtgehalt an Rückständen ( dh Kupfer , Chrom , Nickel , Molybdän und Zinn) von 0,2 Prozent aufweisen müssen. Die meisten dieser Rückstände sind im Schrott enthalten und anstatt während der Stahlherstellung zu oxidieren, reichern sie sich an und nehmen im recycelten Schrott zu. In solchen Fällen erhöhen einige Geschäfte ihre Schrottgebühren mit direkt reduziertem Eisenoder kaltes Hochofeneisen, das keine Rückstände enthält. Im Allgemeinen machen die höheren Gehalte an Kohlenstoff, Stickstoff und Rückständen das Lichtbogenverfahren für die Herstellung kohlenstoffarmer duktiler Stähle weniger attraktiv.

Die meisten Schrottplätze halten verschiedene Schrottsorten getrennt. Hochlegierte Werkstätten wie Edelstahlhersteller sammeln, kaufen und laden Schrott mit ähnlicher Zusammensetzung wie der von ihnen hergestellte Stahl, um teure Legierungszusätze zu minimieren.

Der Ofen

Die Elektro-Der Lichtbogenofen (EAF) ist ein gedrungenes, zylindrisches Gefäß aus schweren Stahlplatten. Es hat einen schalenförmigen feuerfesten Herd und drei vertikale Elektroden, die durch ein kuppelförmiges, abnehmbares Dach nach unten reichen (siehe Abbildung ). Der Schalendurchmesser eines 10-, 100- und 300-Tonnen-EAF beträgt ungefähr 2,5, 6 und 9 Meter. Die Schale sitzt auf einer hydraulisch betätigten Wippe, die den Ofen zum Gewindeschneiden nach vorne und zum Entfernen der Schlacke nach hinten kippt . Der Boden - dh der Herd - ist mit teergebundenen Magnesitsteinen ausgekleidet und hat auf einer Seite ein leicht geneigtes Stichloch und einen Auslauf oder, wie in der Abbildung gezeigt, ein ovaler Herd und ein vertikales Stichloch. Bei dieser letzteren Anordnung muss ein Ofen zum Gewindeschneiden nur um 10 ° gekippt werden, wodurch ein dichter und kurzer Zapfstrom erzeugt wird, der den Wärmeverlust und die Reoxidation des flüssigen Stahls verringert. Vor dem Laden wird das vertikale Stichloch von außen durch eine bewegliche Bodenplatte verschlossen und mit feuerfestem Sand gefüllt.

Die meisten Ofenwände bestehen aus austauschbaren, wassergekühlten Paneelen. Diese sind innen mit aufgesprühten Feuerfestmaterialien und Schlacke abgedeckt, um den Wärmeverlust zu schützen und gering zu halten. Das Dach besteht ebenfalls aus wassergekühlten Paneelen und hat drei kreisförmige Öffnungen mit gleichem Abstand zum Einsetzen der zylindrischen Elektroden. Eine weitere große Dachöffnung, das sogenannte vierte Loch, dient zur Abgasentfernung. Zusätzliche Öffnungen in der Ofenwand mit wassergekühlten Türen werden zur Lanzeninjektion, Probenahme, Prüfung, Inspektion und Reparatur verwendet. Das Dach und die Elektroden können zum Laden von Schrott und zur Wartung des Herdes angehoben und wegbewegt werden.

Der GraphitElektroden, die von einer spezialisierten Industrie nach hohen Standards hergestellt werden, sind tatsächlich Ketten einzelner Elektroden, die durch kurze Graphitnippel aneinander geschraubt sind. Dies geschieht, weil kürzere Elektroden einfacher herzustellen, zu transportieren und zu handhaben sind. Die Elektrodendurchmesser hängen von der Ofengröße ab. Ein 100-Tonnen-EAF verwendet normalerweise 600-Millimeter-Elektroden. Jeweils drei Elektrodenketten sind an Armen festgeklemmt, die sich über das Ofendach erstrecken und mit einem vertikal beweglichen Mast neben dem Ofen verschraubt sind. Der Mast steuert den Abstand zwischen jeder Elektrodenspitze und dem Schrott oder der Schmelze und reguliert dadurch die Lichtbogenlänge und den Stromfluss. Stromversorgungsanlagen - normalerweise ein Abwärtstransformator, Vakuum-Leistungsschalter, ein Stufenschalter zur Steuerung der Elektrodenspannung; und ein Ofentransformator - wird in einem Betongewölbe in kurzer Entfernung vom Ofen installiert. Schwere wassergekühlte Kabel und die tragenden Arme verbinden den Ofentransformator mit den Elektroden.

EAF-Anlagen sind kleiner und kostengünstiger zu bauen als integrierte Stahlerzeugungsanlagen, die neben grundlegenden Sauerstofföfen auch Hochöfen, Sinteranlagen und Koksbatterien zur Herstellung von Eisen enthalten. EAFs sind auch bei niedrigen Produktionsraten - z. B. 150.000 Tonnen pro Jahr - kostengünstig , während sich grundlegende Sauerstofföfen und die dazugehörigen Hochöfen nur dann amortisieren können, wenn sie mehr als 2.000.000 Tonnen Flüssigstahl pro Jahr produzieren. Darüber hinaus können EAFs intermittierend betrieben werden, während ein Hochofen am besten mit sehr konstanten Raten betrieben wird. DasDer im EAF-Betrieb verbrauchte Strom ist jedoch mit 360 bis 600 Kilowattstunden pro Tonne Stahl hoch, und das installierte Stromnetz ist erheblich. Ein 100-Tonnen-EAF verfügt häufig über einen 70-Megavolt-Ampere-Transformator.

Der Prozess

After tapping a heat, the roof is moved away, and the hearth is inspected and, when necessary, repaired. An overhead crane then charges the furnace with scrap from a cylindrical bucket that is open on the top for loading and fitted with a drop bottom for quick charging. Scrap buckets are loaded in such a manner as to assure a cushioning of heavy scrap when the load drops onto the hearth in order to obtain good electrical conductivity in the charge, low risk of electrode breakage, and good furnace wall protection during meltdown. Carbon and slag formers are sometimes added to the charge to prevent overoxidation of the steel and to quicken slag formation. After charging one bucket, the roof is moved back to the furnace, and the electrodes are lowered. Meltdown begins with a low power setting until the electrodes have burned themselves into the light scrap on top of the charge, protecting the sidewalls from overheating during higher-power meltdown. Leaving some scrap unmelted at the furnace wall for its protection, a second bucket is charged and the same meltdown procedure is followed. Melting very light scrap sometimes requires the charging of a third or even fourth bucket.

Nach dem Einschmelzen liegt der Kohlenstoffgehalt im Stahl etwa 0,25 Prozent über dem endgültigen Hahngehalt, wodurch eine Überoxidation der Schmelze verhindert wird. Zu diesem Zeitpunkt hat sich eine basische Schlacke gebildet, die typischerweise aus 55 Prozent Kalk, 15 Prozent Kieselsäure und 15 bis 20 Prozent Eisenoxid besteht. Schlackenschäumen wird häufig durch Einspritzen von Kohlenstoff oder eines Kalk-Kohlenstoff-Gemisches erzeugt, das mit dem Eisenoxid in der Schlacke unter Bildung von Kohlenmonoxidgas reagiert. Dieser Schaumstoff schützt die Seitenwand und ermöglicht eine höhere Leistungseinstellung. Bei Bedarf wird der Kohlenstoffgehalt des Stahls entweder durch Einblasen von Sauerstoff verringert oder durch Einspritzen von Kohlenstoff erhöht. Es werden Proben entnommen, die Temperatur überprüft, Zugaben vorgenommen und unter allen Bedingungen der Ofen durch Vorwärtsdrehen angezapft, so dass der Stahl über den Auslauf oder durch das vertikale Stichloch in eine Pfanne fließt. Wenn Schlacke erscheint, Eine schnelle Neigung nach hinten wird angewendet und die Schlacke wird durch die hintere Tür des Ofens in einen Schlackentopf gegossen. Einige Geschäfte lassen 15 Prozent des flüssigen Stahls im Ofen. Diese "Hot Heel" -Praxis ermöglicht eine vollständige Schlackentrennung.

Sehr sauberer Stahl - dh mit niedrigem Sauerstoff- und Schwefelgehalt - kann im EAF durch eine Zwei-Schlacken-Praxis hergestellt werden. Nach der Entfernung der Schlacke aus der ersten oxidierenden Schmelze werden neue Schlackenbildner zugesetzt, die Kohlenstoff oder Aluminium oder beides als Reduktionsmittel enthalten. Die neue reduzierende Schlacke kann aus 65 Prozent Kalk, 20 Prozent Kieselsäure, Calciumcarbid oder Aluminiumoxid (oder allen drei) und praktisch keinem Eisenoxid bestehen. Zu diesem Zeitpunkt werden Legierungen zugesetzt, die leicht oxidieren, um Verluste zu minimieren und die metallurgische Kontrolle zu verbessern. Das Raffinieren wird unter der reduzierenden Schlacke fortgesetzt, bis die Wärme zum Gewinnen bereit ist. Die Gesamtheizzeit beträgt ein bis vier Stunden, abhängig von der Art des hergestellten Stahls, dh von der Menge der angewendeten Raffination und des HilfsmittelsHeizung verwendet. Viele Geschäfte wenden keine Zwei-Schlacken-Praxis an, sondern behandeln den Stahl nach dem Schmelzen und Gewindeschneiden von Schrott in Pfannenbehandlungsstationen. Diese unten diskutierten sekundären metallurgischen Anlagen ermöglichen es dem EAF, nur als hocheffizientes Schmelzschmelzgerät zu arbeiten.

Von Zeit zu Zeit, wenn der Lichtbogen ihre Spitzen erodiert und die Hochtemperaturofenatmosphäre ihre Körper oxidiert, werden neue Elektroden an der Oberseite der Elektrodenketten am Ofen angebracht. Je nach Betriebsart werden Elektroden mit einer Rate von drei bis sechs Kilogramm pro Tonne Stahl verbraucht.

Variationen

In order to lower power consumption, scrap can be preheated in both batch and continuous processes, often utilizing the heat of furnace off-gases. Scrap preheating to 500° C (930° F) cuts power consumption by 40 to 50 kilowatt-hours per ton, and decreases tap-to-tap time and electrode consumption. Sometimes scrap is preheated inside the EAF by oxyfuel burners, but this requires a large off-gas system for handling combustion gases. In addition, for better mixing and heat transfer, electromagnetic coils or permeable refractory blocks for gas stirring are often installed in furnace bottoms. Applying these methods and using the EAF as a scrap melter can reduce power and electrode consumption to a mere 360 kilowatt-hours per ton and three kilograms per ton. Heat times are reduced to about one hour. This means, by applying methods originally developed for the basic oxygen process, the EAF can approach the steelmaking rates of the BOF.

Several EAFs are operated by direct current (DC) instead of alternating current (AC). DC furnaces normally have only one very large electrode extending through the centre of the roof, with the counter electrode embedded in the furnace bottom and contacting the melt. A hot heel is kept in the furnace to ensure a good current flow through the charge. Power and electrode consumption is lower than in regular AC furnaces. The DC arc has a steadier and quieter burn, which results in less disturbance of the surrounding power system and less noise around the furnace. The electrical equipment is smaller but still expensive because of the required rectifiers. Critical in DC furnace operation are the short life of the bottom electrode, integrity of the hearth, and current limitations with a one-electrode system. Furnaces with capacities up to 130 tons are in operation.