Lichtbogenofen
Ein Elektrolichtbogenofen (EAF) ist ein Ofen, der Material mit Hilfe eines elektrischen Lichtbogens erhitzt. ⓘ
Die Größe industrieller Lichtbogenöfen reicht von kleinen Anlagen mit einer Kapazität von etwa einer Tonne (die in Gießereien zur Herstellung von Gusseisenprodukten verwendet werden) bis hin zu Anlagen mit einer Kapazität von etwa 400 Tonnen, die in der Sekundärmetallurgie eingesetzt werden. Lichtbogenöfen, die in Forschungslaboratorien und von Zahnärzten verwendet werden, haben vielleicht nur eine Kapazität von einigen Dutzend Gramm. Die Temperaturen in industriellen Lichtbogenöfen können bis zu 1 800 °C (3 300 °F) erreichen, während sie in Laborgeräten über 3 000 °C (5 400 °F) liegen können. ⓘ
In Lichtbogenöfen wird das chargierte Material (das zum Erhitzen in den Ofen eingeführte Material, nicht zu verwechseln mit der elektrischen Ladung) direkt einem Lichtbogen ausgesetzt, und der Strom von den Ofenklemmen fließt durch das chargierte Material. Lichtbogenöfen unterscheiden sich von Induktionsöfen, bei denen die Charge stattdessen durch Wirbelströme erhitzt wird. ⓘ
Insbesondere in der Stahlerzeugung werden Lichtbogenöfen zum Recycling von Eisenschrott und, aufgrund sonst höherer Kosten zum Hochofen, für Qualitäts- und Edelstähle verwendet. Weltweit betrug in 2017 der Anteil von Lichtbogenöfen an der Rohstahlproduktion 28 %, in Europa 42 % und in Deutschland 29 %. ⓘ
Geschichte
Im 19. Jahrhundert hatten mehrere Personen einen elektrischen Lichtbogen zum Schmelzen von Eisen eingesetzt. Sir Humphry Davy führte 1810 eine experimentelle Demonstration durch, Pepys untersuchte 1815 das Schweißen, Pinchon versuchte 1853, einen elektrothermischen Ofen zu bauen, und Sir William Siemens meldete 1878-79 Patente für Elektroöfen mit Lichtbogen an. ⓘ
Der erste erfolgreiche und funktionsfähige Ofen wurde 1888 von James Burgess Readman in Edinburgh (Schottland) erfunden und 1889 patentiert. Er diente speziell der Herstellung von Phosphor. ⓘ
Weitere Lichtbogenöfen wurden von Paul Héroult in Frankreich entwickelt, und 1907 wurde in den Vereinigten Staaten eine kommerzielle Anlage errichtet. Die Brüder Sanderson gründeten die Sanderson Brothers Steel Co. in Syracuse, New York, und installierten den ersten Lichtbogenofen in den USA. Dieser Ofen ist heute am Station Square in Pittsburgh, Pennsylvania, ausgestellt. ⓘ
Ursprünglich war "Elektrostahl" ein Spezialprodukt, das unter anderem für Werkzeugmaschinen und Federstahl verwendet wurde. Lichtbogenöfen wurden auch zur Herstellung von Kalziumkarbid für die Verwendung in Karbidlampen verwendet. Der Stassano-Elektroofen ist ein Lichtbogenofen, der sich normalerweise dreht, um das Bad zu mischen. Der Girod-Ofen ist dem Héroult-Ofen ähnlich. ⓘ
Während Elektrolichtbogenöfen im Zweiten Weltkrieg in großem Umfang zur Herstellung von legierten Stählen eingesetzt wurden, begann die Elektrostahlerzeugung erst später zu expandieren. Die niedrigen Kapitalkosten für ein Mini-Stahlwerk - etwa 140 bis 200 US-Dollar pro Tonne installierter Jahreskapazität im Vergleich zu 1.000 US-Dollar pro Tonne installierter Jahreskapazität für ein integriertes Stahlwerk - ermöglichten die rasche Errichtung von Werken im kriegszerstörten Europa und ermöglichten es ihnen auch, erfolgreich mit den großen US-Stahlherstellern wie Bethlehem Steel und U.S. Steel um kostengünstige Kohlenstoffstahl-Langprodukte" (Baustahl, Stabstahl, Draht und Verbindungselemente) auf dem US-Markt zu konkurrieren. ⓘ
Als Nucor - heute einer der größten Stahlproduzenten in den USA - 1969 beschloss, in den Markt für Langstahlprodukte einzusteigen, entschied sich das Unternehmen für die Errichtung eines Ministahlwerks mit einem Elektrostahlwerk als Stahlerzeugungsofen, dem bald weitere Hersteller folgten. Während Nucor im Osten der USA rasch expandierte, konzentrierten sich die Unternehmen, die ihnen in den Ministahlwerken folgten, auf die lokalen Märkte für Langerzeugnisse, wo der Einsatz eines Elektrostahlwerks es den Werken ermöglichte, die Produktion entsprechend der lokalen Nachfrage zu variieren. Dieses Muster wurde auch weltweit befolgt, wobei die EAF-Stahlproduktion in erster Linie für Langerzeugnisse verwendet wurde, während integrierte Werke mit Hochöfen und Sauerstoffblasöfen die Märkte für "Flacherzeugnisse" - Stahlbleche und schwerere Stahlplatten - beherrschten. 1987 traf Nucor die Entscheidung, in den Markt für Flacherzeugnisse zu expandieren, wobei das EAF-Produktionsverfahren weiterhin angewandt wurde. ⓘ
Konstruktion
Ein Elektrolichtbogenofen für die Stahlerzeugung besteht aus einem feuerfest ausgekleideten Gefäß, das bei größeren Anlagen in der Regel wassergekühlt ist und mit einem beweglichen Dach abgedeckt wird, durch das eine oder mehrere Graphitelektroden in den Ofen gelangen. Der Ofen ist im Wesentlichen in drei Abschnitte unterteilt:
- den Mantel, der aus den Seitenwänden und der unteren Stahlschale besteht;
- die Herdplatte, die aus der feuerfesten Auskleidung der unteren Schale besteht;
- dem Dach, das feuerfest ausgekleidet oder wassergekühlt sein kann und die Form eines Kugelabschnitts oder eines Kegelstumpfes haben kann. Das Dach trägt auch das feuerfeste Delta in seiner Mitte, durch das eine oder mehrere Graphitelektroden eintreten. ⓘ
Die Herdplatte kann halbkugelförmig sein, oder bei einem exzentrischen Bodenabstichofen (siehe unten) hat die Herdplatte die Form eines halbierten Eies. In modernen Schmelzbetrieben ist der Ofen oft vom Boden abgehoben, so dass Schöpfkellen und Schlackentöpfe leicht unter die beiden Enden des Ofens manövriert werden können. Von der Ofenstruktur getrennt sind der Elektrodenträger und das elektrische System sowie die Kippplattform, auf der der Ofen ruht. Es sind zwei Konfigurationen möglich: Die Elektrodenhalterungen und das Dach kippen mit dem Ofen mit oder sind auf der erhöhten Plattform befestigt. ⓘ
Ein typischer Wechselstromofen wird mit einem dreiphasigen Stromnetz betrieben und hat daher drei Elektroden. Die Elektroden haben einen runden Querschnitt und sind in der Regel in Segmente mit Gewindekupplungen unterteilt, so dass bei Abnutzung der Elektroden neue Segmente hinzugefügt werden können. Der Lichtbogen bildet sich zwischen dem geladenen Material und der Elektrode; die Ladung wird sowohl durch den Strom, der durch die Ladung fließt, als auch durch die vom Lichtbogen erzeugte Strahlungsenergie erhitzt. Die Temperatur des Lichtbogens erreicht etwa 3.000 °C (5.400 °F), so dass die unteren Teile der Elektroden im Betrieb glühen. Die Elektroden werden automatisch durch ein Positionierungssystem angehoben und abgesenkt, das entweder elektrische Windenzüge oder Hydraulikzylinder verwenden kann. Das Regelsystem sorgt für eine annähernd konstante Strom- und Leistungsaufnahme während des Schmelzens der Charge, auch wenn sich der Schrott beim Schmelzen unter den Elektroden bewegt. Die Mastarme, die die Elektroden halten, können entweder schwere Stromschienen tragen (bei denen es sich um hohle wassergekühlte Kupferrohre handeln kann, die den Strom zu den Elektrodenklemmen leiten) oder "heiße Arme" sein, bei denen der gesamte Arm den Strom führt, was die Effizienz erhöht. Heiße Arme können aus kupferbeschichtetem Stahl oder Aluminium hergestellt werden. Große wassergekühlte Kabel verbinden die Sammelrohre oder Arme mit dem Transformator, der sich neben dem Ofen befindet. Der Transformator ist in einem Gewölbe untergebracht und wird durch Transformatoröl im Pumpenkreislauf gekühlt, wobei das Öl über Wärmetauscher mit Wasser gekühlt wird. ⓘ
Der Ofen ist auf einer kippbaren Plattform aufgebaut, so dass der flüssige Stahl zum Transport in ein anderes Gefäß gegossen werden kann. Der Vorgang des Kippens des Ofens zum Gießen des flüssigen Stahls wird "Abstich" genannt. Ursprünglich hatten alle Stahlerzeugungsöfen eine Abstichöffnung, die mit feuerfestem Material verschlossen war und beim Kippen des Ofens herausgeschwemmt wurde. Moderne Öfen haben jedoch häufig eine exzentrische untere Abstichöffnung (EBT), um den Eintrag von Stickstoff und Schlacke in den flüssigen Stahl zu verringern. Diese Öfen haben ein Abstichloch, das senkrecht durch Herd und Mantel verläuft und außermittig in der schmalen "Nase" des eiförmigen Herdes angebracht ist. Es wird mit feuerfestem Sand, z. B. Olivin, gefüllt, wenn es verschlossen wird. Moderne Anlagen können über zwei Schalen mit einem einzigen Elektrodensatz verfügen, der zwischen den beiden Schalen ausgetauscht werden kann; eine Schale wärmt Schrott vor, während die andere Schale zum Einschmelzen verwendet wird. Andere Öfen auf Gleichstrombasis sind ähnlich aufgebaut, haben aber Elektroden für jede Schale und einen Satz Elektronik. ⓘ
Wechselstromöfen weisen in der Regel ein Muster aus heißen und kalten Stellen am Herdumfang auf, wobei sich die kalten Stellen zwischen den Elektroden befinden. Moderne Öfen sind mit Sauerstoffbrennern in der Seitenwand ausgestattet, die die Kaltstellen mit chemischer Energie versorgen und so für eine gleichmäßigere Erwärmung des Stahls sorgen. Zusätzliche chemische Energie wird durch das Einblasen von Sauerstoff und Kohlenstoff in den Ofen bereitgestellt; früher geschah dies durch Lanzen (hohle Stahlrohre) in der Schlackentür, heute geschieht dies hauptsächlich durch an der Wand montierte Injektionseinheiten, die die Sauerstoff-Brennstoff-Brenner und die Sauerstoff- oder Kohlenstoffinjektionssysteme in einer Einheit vereinen. ⓘ
Ein mittelgroßer moderner Stahlerzeugungsofen hat einen Transformator mit einer Nennleistung von etwa 60.000.000 Volt-Ampere (60 MVA), einer Sekundärspannung zwischen 400 und 900 Volt und einem Sekundärstrom von über 44.000 Ampere. In einem modernen Betrieb dürfte ein solcher Ofen eine Menge von 80 Tonnen Flüssigstahl in etwa 50 Minuten von der Beschickung mit Kaltschrott bis zum Abstich des Ofens erzeugen. Im Vergleich dazu können einfache Sauerstofföfen eine Kapazität von 150-300 Tonnen pro Charge oder "Schmelze" haben und eine Schmelze in 30-40 Minuten erzeugen. Je nach Endprodukt und örtlichen Gegebenheiten gibt es enorme Unterschiede bei der Konstruktion und dem Betrieb der Öfen, und es wird laufend an der Verbesserung der Effizienz der Öfen geforscht. Der größte reine Schrottofen (in Bezug auf Abstichgewicht und Transformatorleistung) ist ein Gleichstromofen, der von Tokyo Steel in Japan betrieben wird. Er hat ein Abstichgewicht von 420 Tonnen und wird von acht 32-MVA-Transformatoren mit einer Gesamtleistung von 256 MVA gespeist. ⓘ
Energiedichte
Für die Herstellung einer Tonne Stahl in einem Elektrolichtbogenofen werden etwa 400 Kilowattstunden (1,44 Gigajoule) pro kurze Tonne oder etwa 440 kWh (1,6 GJ) pro Tonne benötigt; die theoretische Mindestmenge an Energie, die für das Schmelzen einer Tonne Stahlschrott erforderlich ist, beträgt 300 kWh (1,09 GJ) (Schmelzpunkt 1.520 °C (2.768 °F)). Daher benötigt ein 300-Tonnen-Elektrolichtbogenofen mit 300 MVA etwa 132 MWh Energie, um den Stahl zu schmelzen, und eine "Einschaltzeit" (die Zeit, in der der Stahl mit einem Lichtbogen geschmolzen wird) von etwa 37 Minuten. Die Herstellung von Stahl mit Lichtbogen ist nur dort wirtschaftlich, wo es reichlich und zuverlässig Strom gibt und das Stromnetz gut ausgebaut ist. Vielerorts werden die Werke in den Schwachlastzeiten betrieben, wenn die Versorgungsunternehmen über überschüssige Stromerzeugungskapazitäten verfügen und der Strompreis niedriger ist. Im Vergleich dazu wird der Energieverbrauch der weltweiten Stahlproduktion mit allen Methoden auf etwa 20 GJ pro Tonne geschätzt (1 Gigajoule entspricht etwa 270 kWh). ⓘ
Betrieb
Schrott wird in einer Schrottabteilung angeliefert, die sich neben dem Schmelzbetrieb befindet. Schrott wird in der Regel in zwei Hauptqualitäten angeliefert: Schrott (Weißwaren, Autos und andere Gegenstände aus ähnlichem Leichtstahl) und schwere Schmelze (große Brammen und Träger) sowie etwas direkt reduziertes Eisen (DRI) oder Roheisen für das chemische Gleichgewicht. Einige Öfen schmelzen fast 100 % DRI. ⓘ
Der Schrott wird in große Eimer, so genannte Körbe, mit Klapptüren als Boden geladen. Es wird darauf geachtet, den Schrott in den Körben zu schichten, um einen guten Ofenbetrieb zu gewährleisten; die schwere Schmelze wird auf eine leichte Schicht aus schützendem Schrott gelegt, auf die wiederum weiterer Schrott gelegt wird. Diese Schichten sollten nach der Beschickung im Ofen vorhanden sein. Nach der Beladung kann der Korb in einen Schrottvorwärmer gebracht werden, der die heißen Abgase des Ofens nutzt, um den Schrott zu erhitzen und Energie zurückzugewinnen, was die Effizienz der Anlage erhöht. ⓘ
Der Schrottkorb wird dann in den Schmelzbetrieb gebracht, das Dach des Ofens wird abgeschwenkt und der Ofen wird mit dem Schrott aus dem Korb beschickt. Das Chargieren ist einer der gefährlichsten Vorgänge für die Betreiber des Elektrostahlwerks. Durch die Tonnen fallenden Metalls wird eine Menge potenzieller Energie freigesetzt; flüssiges Metall im Ofen wird oft durch den festen Schrott nach oben und außen verdrängt, und das Fett und der Staub auf dem Schrott entzünden sich, wenn der Ofen heiß ist, was zu einem Feuerball führt. Bei einigen Doppelmantelöfen wird der Schrott in den zweiten Mantel chargiert, während der erste eingeschmolzen wird, und mit den Abgasen des aktiven Mantels vorgewärmt. Andere Verfahren sind die kontinuierliche Beschickung, bei der der Schrott auf einem Förderband vorgewärmt wird, das den Schrott dann in den eigentlichen Ofen entlädt, oder die Beschickung des Schrotts über einen Schacht oberhalb des Ofens, wobei die Abgase durch den Schacht geleitet werden. Andere Öfen können mit heißem (geschmolzenem) Metall aus anderen Verfahren beschickt werden. ⓘ
Nach der Beschickung wird das Dach über dem Ofen zurückgeschwenkt und das Einschmelzen beginnt. Die Elektroden werden auf den Schrott abgesenkt, ein Lichtbogen wird gezündet, und die Elektroden werden dann so eingestellt, dass sie sich in die Schrottschicht am oberen Ende des Ofens bohren. Für diesen ersten Teil des Vorgangs werden niedrigere Spannungen gewählt, um das Dach und die Wände vor übermäßiger Hitze und Schäden durch die Lichtbögen zu schützen. Sobald die Elektroden die schwere Schmelze am Boden des Ofens erreicht haben und die Lichtbögen durch den Schrott abgeschirmt sind, kann die Spannung erhöht und die Elektroden leicht angehoben werden, wodurch die Lichtbögen länger werden und mehr Leistung auf die Schmelze trifft. Dadurch kann sich schneller ein Schmelzbad bilden und die Abstichzeiten werden verkürzt. Sauerstoff wird in den Schrott geblasen, wodurch der Stahl verbrannt oder geschnitten wird, und zusätzliche chemische Wärme wird durch an der Wand montierte Sauerstoff-Brennstoff-Brenner bereitgestellt. Beide Prozesse beschleunigen das Einschmelzen des Schrotts. Überschalldüsen ermöglichen es den Sauerstoffstrahlen, die schäumende Schlacke zu durchdringen und das flüssige Bad zu erreichen. ⓘ
Ein wichtiger Bestandteil der Stahlerzeugung ist die Bildung von Schlacke, die auf der Oberfläche des geschmolzenen Stahls schwimmt. Schlacke besteht in der Regel aus Metalloxiden und dient als Auffangbecken für oxidierte Verunreinigungen, als Wärmedecke (die einen übermäßigen Wärmeverlust verhindert) und zur Verringerung der Erosion der feuerfesten Auskleidung. Bei einem Ofen mit basischem Feuerfestmaterial, zu dem die meisten Öfen zur Herstellung von Kohlenstoffstahl gehören, sind die üblichen Schlackenbildner Calciumoxid (CaO, in Form von Branntkalk) und Magnesiumoxid (MgO, in Form von Dolomit und Magnesit). Diese Schlackenbildner werden entweder mit dem Schrott eingebracht oder beim Einschmelzen in den Ofen geblasen. Ein weiterer Hauptbestandteil der EOF-Schlacke ist Eisenoxid aus Stahl, das mit dem eingeblasenen Sauerstoff verbrennt. Später in der Hitze wird Kohlenstoff (in Form von Koks oder Kohle) in diese Schlackenschicht eingeblasen, der mit dem Eisenoxid zu metallischem Eisen und Kohlenmonoxidgas reagiert, wodurch die Schlacke aufschäumt, was einen höheren thermischen Wirkungsgrad sowie eine bessere Lichtbogenstabilität und einen höheren elektrischen Wirkungsgrad ermöglicht. Die Schlackendecke deckt auch die Lichtbögen ab und verhindert so Schäden an der Ofendecke und den Seitenwänden durch Strahlungswärme. ⓘ
Nach dem Einschmelzen der ersten Schrottcharge kann ein weiterer Schrotteimer in den Ofen gefüllt werden, obwohl die Entwicklung von Elektrolichtbogenöfen immer mehr in Richtung einer Einzelchargenkonstruktion geht. Der Schrottbeschickungs- und Einschmelzvorgang kann so oft wiederholt werden, wie es zum Erreichen des erforderlichen Wärmegewichts erforderlich ist - die Anzahl der Beschickungen hängt von der Dichte des Schrotts ab; Schrott mit geringerer Dichte bedeutet mehr Beschickungen. Nachdem alle Schrottchargen vollständig eingeschmolzen sind, werden Raffinationsvorgänge durchgeführt, um die Stahlchemie zu überprüfen und zu korrigieren und die Schmelze zur Vorbereitung des Abstichs über ihre Gefriertemperatur zu erhitzen. Es werden mehr Schlackenbildner zugeführt und mehr Sauerstoff in das Bad geblasen, wodurch Verunreinigungen wie Silizium, Schwefel, Phosphor, Aluminium, Mangan und Kalzium ausgebrannt und ihre Oxide in die Schlacke überführt werden. Der Kohlenstoff wird erst nach dem Ausbrennen dieser Elemente entfernt, da sie eine größere Affinität zu Sauerstoff haben. Metalle, die eine geringere Affinität zu Sauerstoff haben als Eisen, wie z. B. Nickel und Kupfer, können nicht durch Oxidation entfernt werden und müssen allein durch die Schrottchemie kontrolliert werden, z. B. durch die Einführung des bereits erwähnten direkt reduzierten Eisens und Roheisens. Die schäumende Schlacke wird während des gesamten Prozesses aufrechterhalten und läuft oft über den Ofen hinaus, um aus der Schlackentür in die Schlackengrube zu fließen. Die Temperatur- und Chemikalienprobenahme erfolgt über automatische Lanzen. Sauerstoff und Kohlenstoff können über spezielle Sonden, die in den Stahl eintauchen, automatisch gemessen werden, aber für alle anderen Elemente wird eine "Kühlprobe" - eine kleine, erstarrte Probe des Stahls - mit einem Lichtbogen-Emissionsspektrometer analysiert. ⓘ
Sobald die Temperatur und die Chemie stimmen, wird der Stahl durch Kippen des Ofens in eine vorgewärmte Pfanne abgestochen. Bei Öfen für unlegierten Stahl wird der Ofen, sobald während des Abstichs Schlacke festgestellt wird, schnell in Richtung der Abschlackseite gekippt, um die Schlackenverschleppung in die Pfanne zu minimieren. Bei einigen speziellen Stahlsorten, einschließlich Edelstahl, wird die Schlacke ebenfalls in die Pfanne gegossen und im Pfannenofen behandelt, um wertvolle Legierungselemente zurückzugewinnen. Während des Abstichs werden einige Legierungszusätze in den Metallstrom eingebracht, und oben auf der Pfanne werden weitere Flussmittel wie Kalk zugegeben, um mit dem Aufbau einer neuen Schlackenschicht zu beginnen. Oft werden einige Tonnen flüssiger Stahl und Schlacke im Ofen belassen, um einen "heißen Absatz" zu bilden, der dazu beiträgt, die nächste Schrottcharge vorzuwärmen und ihr Einschmelzen zu beschleunigen. Während und nach dem Abstich wird der Ofen "umgedreht": Die Schlackentür wird von erstarrter Schlacke gereinigt, die sichtbaren feuerfesten Teile werden inspiziert und die wassergekühlten Komponenten auf Lecks überprüft, und die Elektroden werden auf Schäden untersucht oder durch Hinzufügen neuer Segmente verlängert; das Abstichloch wird nach Abschluss des Abstichs mit Sand gefüllt. Bei einem 90-Tonnen-Ofen mittlerer Leistung dauert der gesamte Prozess in der Regel 60-70 Minuten vom Abstich einer Schmelze bis zum Abstich der nächsten Schmelze (die Abstichzeit). ⓘ
Der Ofen wird regelmäßig vollständig von Stahl und Schlacke entleert, so dass eine Inspektion der feuerfesten Materialien vorgenommen und gegebenenfalls größere Reparaturen durchgeführt werden können. Da die feuerfesten Materialien häufig aus kalzinierten Karbonaten bestehen, sind sie äußerst anfällig für die Hydratation durch Wasser, so dass jeder Verdacht auf Leckagen an wassergekühlten Bauteilen äußerst ernst genommen wird, abgesehen von der unmittelbaren Gefahr einer möglichen Dampfexplosion. Ein übermäßiger Verschleiß des Feuerfestmaterials kann zu Ausbrüchen führen, bei denen das flüssige Metall und die Schlacke das Feuerfestmaterial und den Ofenmantel durchdringen und in die umliegenden Bereiche entweichen. ⓘ
Vorteile für die Stahlerzeugung
Durch den Einsatz von Elektrolichtbogenöfen kann Stahl aus 100 % Schrott hergestellt werden. Dadurch wird der Energiebedarf für die Stahlerzeugung im Vergleich zur primären Stahlerzeugung aus Erzen erheblich reduziert. ⓘ
Ein weiterer Vorteil ist die Flexibilität: Während Hochöfen ihre Produktion nicht stark variieren können und über Jahre hinweg in Betrieb bleiben, können Elektrolichtbogenöfen schnell an- und abgeschaltet werden, so dass das Stahlwerk die Produktion je nach Bedarf anpassen kann. ⓘ
Obwohl Lichtbogenöfen zur Stahlerzeugung in der Regel Stahlschrott als primäres Einsatzmaterial verwenden, kann auch Roheisen aus einem Hochofen oder direkt reduziertes Eisen als Ofeneinsatz verwendet werden, wenn dieses wirtschaftlich verfügbar ist. ⓘ
Da Lichtbogenöfen große Mengen an elektrischer Energie benötigen, planen viele Unternehmen ihren Betrieb so, dass sie von den Strompreisen in den Schwachlastzeiten profitieren. ⓘ
Ein typischer Lichtbogenofen zur Stahlerzeugung ist die Stahlquelle für ein Miniwalzwerk, das Stabstahl oder Bandstahl herstellen kann. Miniwalzwerke können relativ nahe an den Märkten für Stahlerzeugnisse angesiedelt werden, so dass die Transportanforderungen geringer sind als bei einem integrierten Werk, das in der Regel in der Nähe eines Hafens angesiedelt ist, um einen besseren Zugang zum Schiffsverkehr zu haben. ⓘ
Die Herstellung von Stahl im Elektrolichtbogenofen führt zu geringeren Kohlendioxidemissionen von etwa 0,6 Tonnen CO2 pro Tonne produzierten Stahls, was deutlich niedriger ist als die konventionelle Produktion über Hochöfen und Sauerstoffblasöfen. ⓘ
Themen
Obwohl der moderne Elektrolichtbogenofen ein hocheffizienter Recycler von Stahlschrott ist, kann der Betrieb einer Lichtbogenofenanlage negative Auswirkungen auf die Umwelt haben. Ein großer Teil der Investitionskosten einer neuen Anlage entfällt auf Systeme zur Verringerung dieser Auswirkungen, wie z. B:
- Einhausungen zur Reduzierung hoher Schallpegel
- Staubabsaugung für die Abgase des Ofens
- Produktion von Schlacke
- Kühlwasserbedarf
- Schwerer Lkw-Verkehr für Schrott, Materialtransport und Produkte
- Umweltauswirkungen der Stromerzeugung ⓘ
Aufgrund der sehr dynamischen Qualität der Lichtbogenofenlast können die Stromnetze technische Maßnahmen erfordern, um die Stromqualität für andere Kunden aufrechtzuerhalten; Flimmern und harmonische Verzerrungen sind häufige Nebenwirkungen des Lichtbogenofenbetriebs auf das Stromnetz. ⓘ
Andere elektrische Lichtbogenöfen
Für die Stahlerzeugung werden Gleichstrom-Lichtbogenöfen verwendet, bei denen sich eine einzige Elektrode in der Decke befindet und der Strom durch eine leitende Bodenauskleidung oder leitende Stifte im Boden zurückgeführt wird. Der Vorteil von Gleichstrom ist der geringere Elektrodenverbrauch pro Tonne Stahl, da nur eine Elektrode verwendet wird, sowie weniger elektrische Oberschwingungen und andere ähnliche Probleme. Die Größe von Gleichstromlichtbogenöfen wird durch die Strombelastbarkeit der verfügbaren Elektroden und die maximal zulässige Spannung begrenzt. Die Wartung des leitfähigen Ofenherdes ist ein Engpass für den längeren Betrieb eines Gleichstromlichtbogenofens. ⓘ
In einem Stahlwerk wird ein Pfannenofen (LF) verwendet, um die Temperatur des flüssigen Stahls während der Verarbeitung nach dem Abstich aus dem Elektrostahlwerk aufrechtzuerhalten oder um die Legierungszusammensetzung zu ändern. Die Pfanne wird für den ersten Zweck verwendet, wenn es im weiteren Verlauf des Stahlherstellungsprozesses zu Verzögerungen kommt. Der Pfannenofen besteht aus einer feuerfesten Decke, einem Heizsystem und gegebenenfalls einer Vorrichtung zum Einblasen von Argongas in den Boden der Schmelze zum Rühren. Im Gegensatz zu einem Schrottschmelzofen verfügt ein Pfannenofen nicht über einen Kipp- oder Schrottbeschickungsmechanismus. ⓘ
Elektrolichtbogenöfen werden auch für die Herstellung von Kalziumkarbid, Ferrolegierungen und anderen Nichteisenlegierungen sowie für die Herstellung von Phosphor verwendet. Öfen für diese Dienstleistungen unterscheiden sich physisch von Öfen für die Stahlerzeugung und können kontinuierlich statt im Chargenbetrieb arbeiten. Kontinuierlich arbeitende Öfen können auch pastenförmige Søderberg-Elektroden verwenden, um Unterbrechungen durch Elektrodenwechsel zu vermeiden. Ein solcher Ofen wird als Tauchlichtbogenofen bezeichnet, da die Elektrodenspitzen in der Schlacke/Charge vergraben sind und der Lichtbogen durch die Schlacke zwischen der Matte und der Elektrode entsteht. Bei einem Lichtbogenofen für die Stahlerzeugung dagegen findet der Lichtbogen im Freien statt. Der Schlüssel ist der elektrische Widerstand, der die erforderliche Wärme erzeugt: In einem Stahlwerksofen ist der Widerstand die Atmosphäre, während in einem Unterwasserlichtbogenofen die Schlacke (oder die Charge) den Widerstand liefert. Das flüssige Metall, das sich in beiden Öfen bildet, ist zu leitfähig, um einen wirksamen wärmeerzeugenden Widerstand zu bilden. ⓘ
Amateure haben eine Vielzahl von Lichtbogenöfen gebaut, oft auf der Grundlage von Bausätzen zum Lichtbogenschweißen, die in Quarzblöcken oder Blumentöpfen enthalten sind. Diese einfachen Öfen sind zwar sehr primitiv, können aber eine breite Palette von Materialien schmelzen, Kalziumkarbid erzeugen und vieles mehr. ⓘ
Kühlungsmethoden
Kleinere Lichtbogenöfen können durch Luftumwälzung über die Strukturelemente des Mantels und der Decke ausreichend gekühlt werden, aber größere Anlagen erfordern eine intensive Zwangskühlung, um die Struktur innerhalb sicherer Betriebsgrenzen zu halten. Der Ofenmantel und das Dach können entweder durch Wasser gekühlt werden, das durch Rohre zirkuliert, die eine Platte bilden, oder durch Wasser, das auf die Plattenelemente gesprüht wird. Röhrenförmige Platten können ersetzt werden, wenn sie Risse bekommen oder ihre thermische Belastungsdauer erreicht haben. Die Sprühkühlung ist die wirtschaftlichste und effizienteste Kühlmethode. Ein Sprühkühlgerät kann fast unendlich oft neu ausgekleidet werden; Geräte, die 20 Jahre halten, sind die Norm. Während jedoch ein Rohrleck in einem in Betrieb befindlichen Ofen aufgrund der Druckverlustalarme an den Platten sofort bemerkt wird, gibt es derzeit keine Möglichkeit, ein Sprühkühlleck mit sehr geringem Volumen sofort zu erkennen. Diese verstecken sich in der Regel hinter einer Schlackenabdeckung und können die feuerfeste Auskleidung im Herd hydratisieren, was zu einem Ausbruch von geschmolzenem Metall oder im schlimmsten Fall zu einer Dampfexplosion führen kann. ⓘ
Plasma-Lichtbogenofen
Ein Plasmalichtbogenofen (PAF) verwendet Plasmabrenner anstelle von Graphitelektroden. Jeder dieser Brenner hat ein Gehäuse mit einer Düse und axialen Rohren zur Zufuhr eines plasmabildenden Gases (entweder Stickstoff oder Argon) und einer abbrennbaren zylindrischen Graphitelektrode innerhalb des Rohrs. Solche Öfen können als "PAM"-Öfen (Plasma Arc Melt) bezeichnet werden; sie werden in großem Umfang in der Titanschmelzindustrie und ähnlichen Spezialmetallindustrien eingesetzt. ⓘ
Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzen
Das Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzen (VAR) ist ein sekundäres Umschmelzverfahren zur Vakuumveredelung und Herstellung von Blöcken mit verbesserter chemischer und mechanischer Homogenität. ⓘ
In kritischen militärischen und kommerziellen Luft- und Raumfahrtanwendungen spezifizieren Werkstoffingenieure üblicherweise VIM-VAR-Stähle. VIM steht für Vacuum Induction Melted und VAR für Vacuum Arc Remelted. VIM-VAR-Stähle werden zu Lagern für Düsentriebwerke, Rotorwellen für Militärhubschrauber, Klappenaktuatoren für Kampfflugzeuge, Zahnrädern in Jet- oder Hubschraubergetrieben, Halterungen oder Befestigungselementen für Düsentriebwerke, Heckhaken für Düsenflugzeuge und andere anspruchsvolle Anwendungen. ⓘ
Die meisten Stahlsorten werden einmal erschmolzen und dann in eine feste Form gegossen oder gewalzt, bevor sie durch Schmieden oder Walzen in eine metallurgisch einwandfreie Form gebracht werden. Im Gegensatz dazu durchlaufen die VIM-VAR-Stähle zwei weitere hochgradig reinigende Schmelzen unter Vakuum. Nach dem Schmelzen in einem Lichtbogenofen und dem Legieren in einem Argon-Sauerstoff-Entkohlungsgefäß werden die für das Vakuumumschmelzen bestimmten Stähle in Barrenformen gegossen. Die erstarrten Blöcke kommen dann in einen Vakuum-Induktionsschmelzofen. Durch dieses Vakuumumschmelzverfahren wird der Stahl von Einschlüssen und unerwünschten Gasen befreit und gleichzeitig die chemische Zusammensetzung optimiert. Beim VIM-Verfahren werden die festen Blöcke in der verunreinigungsfreien Leere eines Vakuums wieder in den geschmolzenen Zustand versetzt. Diese streng kontrollierte Schmelze benötigt oft bis zu 24 Stunden. Noch immer vom Vakuum umhüllt, fließt das heiße Metall aus dem Tiegel des VIM-Ofens in riesige Elektrodenformen. Eine typische Elektrode ist etwa 5 m (15 Fuß) hoch und hat verschiedene Durchmesser. Die Elektroden erstarren unter Vakuum. ⓘ
Bei VIM-VAR-Stählen muss die Oberfläche der abgekühlten Elektroden geschliffen werden, um Oberflächenunregelmäßigkeiten und Verunreinigungen vor der nächsten Vakuumumschmelzung zu entfernen. Anschließend wird die geschliffene Elektrode in einen VAR-Ofen gelegt. In einem VAR-Ofen schmilzt der Stahl in der vakuumversiegelten Kammer allmählich Tropfen für Tropfen. Beim Vakuum-Lichtbogenumschmelzen werden verbleibende Einschlüsse weiter entfernt, um die Reinheit des Stahls zu erhöhen und Gase wie Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff zu entfernen. Durch die Steuerung der Geschwindigkeit, mit der sich diese Tropfen bilden und verfestigen, wird eine gleichmäßige chemische Zusammensetzung und Mikrostruktur im gesamten VIM-VAR-Block gewährleistet, was den Stahl widerstandsfähiger gegen Brüche und Ermüdung macht. Dieser Veredelungsprozess ist unerlässlich, um die Leistungsmerkmale von Teilen wie der Rotorwelle eines Hubschraubers, dem Klappenantrieb eines Militärjets oder einem Lager in einem Strahltriebwerk zu erfüllen. ⓘ
Für einige kommerzielle oder militärische Anwendungen durchlaufen die Stahllegierungen nur eine einzige Vakuumumschmelzung, nämlich die VAR. Beispielsweise werden Stähle für Raketengehäuse, Fahrwerke oder Torsionsstäbe für Kampffahrzeuge in der Regel nur einmal im Vakuum umgeschmolzen. ⓘ
Das Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzen wird auch bei der Herstellung von Titan und anderen reaktiven Metallen oder Metallen, bei denen ein hoher Reinheitsgrad erforderlich ist, eingesetzt. ⓘ
Produkte
Der Lichtbogenofen wird zur Herstellung von Baustählen, Qualitätsstählen und Rostfreistählen genutzt. ⓘ
Die Bauform als Schmelz-Reduktionsofen (engl.: Submerged Arc Furnace, SAF) wird zum Erschmelzen von Legierungsbestandteilen, Ferrolegierungen oder so genannten Zuschlägen verwendet. Die Produkte aus Schmelz-Reduktionsöfen finden somit hauptsächlich im Hüttenwesen und damit in der Metallurgie Anwendung. Weniger gebräuchlich ist die Herstellung von Calciumcarbid, Hütten-Silicium und synthetischen Kristallen. ⓘ
Funktion
Beim Lichtbogenofenprozess kann neben der elektrischen auch chemische Energie zum Aufschmelzen des Einsatzgutes eingesetzt werden. Dabei wird ein großer Teil der Gesamtenergie in thermische Energie (bis 3500 °C) umgesetzt, die zum Aufschmelzen des Einsatzgutes führt; ein weiterer Anteil führt zur Erwärmung der Ofenzustellung. Die Wärme über dem Lichtbogen, der zwischen der Graphitelektrode und dem Einsatzgut brennt, wird hauptsächlich durch Strahlung auf das Einsatzgut übertragen. Beim Wechselstrom-Lichtbogenofen brennen mehrere Lichtbögen zwischen dem Einsatzgut (bzw. der Schmelze) und den Spitzen der drei Graphitelektroden. Beim Gleichstrom-Lichtbogen wird der Lichtbogen von vier Bodenelektroden (+) durch das Einsatzgut zu einer Graphitelektrode (-) übertragen. ⓘ
Beim Elektrostahlverfahren kann neben Stahlschrott auch Eisenschwamm oder Roheisen mit verarbeitet werden. Neben dem flüssigen Rohstahl bildet sich aus den nichtmetallischen Einsatzstoffen (gebrannter Kalk / Magnesiumoxid) und Oxiden der Legierungsstoffe eine Schlackenschicht auf der Schmelze. Diese hat die Aufgabe, unerwünschte Bestandteile zu binden und das Stahlbad vor weiteren Oxidationen und Wärmeverlusten sowie den Ofen vor Überhitzung zu schützen. Kurz vor dem Abstich wird die Schlacke aus dem Ofen in einem Schlackenkübel abgelassen und wird dann von einem Spezialfahrzeug abtransportiert und beim Schlackenbeet entleert. Der Flüssigstahl wird in einer Stahlpfanne abgegossen, die auf einem ferngesteuerten Pfannenwagen steht und den Stahl zur Weiterverarbeitung in die Pfannenöfen transportiert. ⓘ
Früher war es üblich, nach Einbringen der gewünschten Mengen an Legierungsbestandteilen in das Stahlbad, die Schmelze in eine Pfanne abzulassen und anschließend in der Gießanlage zu vergießen. Heute wird in den meisten Fällen der Elektro-Ofen als reines Einschmelzaggregat zur Erzeugung einer Basisschmelze mit niedrigen Kohlenstoff-, Schwefel- und Phosphor-Gehalten benutzt. Die endgültige Analyse wird erst nach dem Abstechen im Pfannenofen erstellt. Hierdurch ergibt sich eine höhere Analysengenauigkeit und zudem eine erhebliche Energieersparnis. Trotz hoher Energiekosten für Strom sowie für Erdgas und Sauerstoff (für Hilfsbrenner im Gefäß) ist dieses Verfahren sehr flexibel hinsichtlich der Menge der zu erzeugenden Stahlsorten und der verschiedenen Stahlqualitäten. ⓘ
Entscheidend für die Produktion ist die Einschmelzzeit, die im Wesentlichen von der elektrischen Leistung des Ofentransformators sowie der Art und Beschaffenheit des Einsatzgutes abhängt. Typische Zykluszeiten (die Zeit zwischen zwei Abstichen, Tap-to-Tap-Time) liegen zwischen 30 und 90 Minuten. Die reine Schmelzzeit mit Lichtbogeneinsatz (Power-On-Time) liegt bei etwa 25 bis 70 Minuten. Die Differenz der beiden Zeiten enthält die Summe der Auszeiten (Power-Off-Time), bei denen der Lichtbogen abgeschaltet ist. Darin enthalten sind z. B. Chargierung, Probenahme oder Wartungsarbeiten. Um diese Zeiten unter Vorgabe der Ofenkapazität und des Einsatzgutes zu erreichen, muss der Ofentransformator so dimensioniert werden, dass eine spezifische elektrische Leistung im Bereich von etwa 0,5 bis 1,4 MVA/t erreicht wird. Gegenüber der Rohstahlerzeugung wird bei der Elektrolichtbogenroute ca. 55 % Energie eingespart. ⓘ
Bauformen
Der Lichtbogenofen kann als Gleichstromofen oder als Wechselstromofen ausgeführt werden. Die Lichtbogenlänge wird mittels eines Elektrodenreglers geregelt. An die Stromversorgung der Öfen werden hohe Anforderungen gestellt, die aus dem ungleichmäßigen Brennen des Lichtbogens herrühren; es besteht die Gefahr von unerwünschten Netzrückwirkungen. ⓘ
Wechselstromofen
Am weitesten verbreitet ist der Wechselstromofen, der mit drei Kathoden aus Graphit im Deckel arbeitet. Das Schmelzgut wirkt als Anode und nimmt durch Lichtbögen übertragene Elektronen auf. Verglichen mit einem Gleichstrom-Lichtbogenofen ist diese Bauform kostengünstiger und insbesondere in kleinen Öfen einfacher. ⓘ
Gleichstromofen
Der Gleichstromofen auch DC-Lichtbogenofen ist moderner als der Wechselstromofen. Er verfügt über eine einzelne Graphitelektrode am Deckel, und der metall Elektrode in Magnesiumoxid eingebettet am Boden des Ofens. Im Betrieb fließt der Strom von der Kathode im Deckel zur Anode im Boden. Es existieren Varianten mit aktiver oder passiver Kühlung der Bodenkathode. ⓘ
Zu den Vorteilen gegenüber dem Wechelstromofen gehören:
- Verringerter Elektrodenverbrauch
- Geringere Netzrückwirkungen
- Geringerer Stromverbrauch (5–10 %) ⓘ
Transformator
Der unmittelbar neben dem Ofen befindliche Transformator ist üblicherweise ölgekühlt und zum Schutz in einer eigenen Umhüllung untergebracht. Die mit Dreiphasenwechselstrom betriebenen Anlagen erreichen Leistungen von einigen 10 MVA bis über 100 MVA und verfügen über Stufenschalter für Leistungstransformatoren zur Einstellung der Unterspannung, welche dem Ofen über die Elektrodenanschlüsse zugeführt wird. Die Anspeisung erfolgt meist zweistufig:
- Ein Leistungstransformator welcher aus dem Hochspannungsnetz wie der 110-kV-Ebene auf eine Zwischenspannung von rund 30 kV transformiert und sich üblicherweise mit der elektrischen Hochspannungsschaltanlage außerhalb der Produktionshalle befindet.
- Der Ofentransformator transformiert die Zwischenspannung auf Spannungen von einigen 100 V bis zu einigen kV, welche bei Wechselspannungsöfen den Elektroden direkt zugeführt wird. ⓘ
Die Ströme auf der Elektrodenseite betragen bei Betrieb einige 10 kA, bei großen Öfen auch über 100 kA, weshalb die Anschlussschienen zu den Elektroden möglichst kurz gehalten werden müssen und als Hohlleiter ausgeführt sind. Im Innenbereich der Hohlleiter zirkuliert zur Kühlung Wasser. Die Verbindung zwischen Transformator und Elektroden wird häufig in Knapsack-Schaltung ausgeführt. ⓘ
Emissionen
Der Lichtbogenofenprozess emittiert gas- und staubhaltige Stoffe. Erforderlich sind daher wirkungsvolle Absauganlagen und Filter. Hinzu kommen Schallemission und elektromagnetische Strahlung. Aufgrund der hohen elektrischen Elektrodenströme entstehen auch starke magnetische Wechselfelder. ⓘ