Gedompelde boogovens: De motor van de moderne staalproductie

Het industriële gebruik van elektrische energie begon met de ontwikkeling van de dynamo-machine door Werner von Siemens. Elektrische boogovens zijn al jarenlang gebruikt zowel voor het smelten van schrootijzer (open boogovens) als voor reductieprocessen (gedompelde boogovens). Bij de gedompelde boogoven (SAF) worden erts en reducerend middel continu van boven in de oven toegevoerd, zodat de elektroden in het mengsel begraven liggen en de boog gedompeld is. De oven heet gedompelde-boogoven omdat de boog gedompeld is. De meest voorkomende fysieke opstelling bestaat uit een cirkelvormig bad met drie verticale elektroden in een driehoekige rangschikking. Zes-elektroden ovens met cirkelvormige of rechthoekige baden worden ook gebruikt, maar zijn minder algemeen.

Toepassingen van gedompelde boogovens

Gedompelde boogovens hebben hun toepassing gevonden in meer dan 20 verschillende hoofindustriële sectoren zoals ferrolegeringen, chemische industrie, lood, zink, koper, refractair, titaniumoxide, recycling, fosfor, etc. Een typisch schematisch diagram van een gedompelde boogoven voor ferrochroomproductie samen met materiële balans is gegeven in Fig. 1.

Geschiedenis

De toenemende vraag naar ferrolegeringen en ontgiftingsmiddelen in de staalproductie aan het begin van de twintigste eeuw leidde tot de ontwikkeling van de eerste gedompelde boogoven. De bouw van de eerste SAF werd in 1905 gestart. Deze 1,5 MVA eenheid werd geïnstalleerd in Horst Ruhr, Essen, Duitsland voor de productie van calciumcarbide. Het werd met succes in 1906 in bedrijf genomen en was gebaseerd op DC (gelijkstroom) technologie.

Sindsdien zijn een groot aantal SAFs (zowel met DC- als AC-gebaseerde ovens) in bedrijf genomen met diverse toepassingen. Vandaag de dag is de meerderheid van de gedompelde boogovens gebaseerd op AC (wisselstroom) concepten.

Principe en kenmerken van SAF

Het principe van een conventionele SAF is elektrische weerstandsverhitting. Elektrische energie wordt omgezet in warmte- en reductie-energie door gebruik te maken van de weerstand (R) van de lading of het gesmolten slak, soms versterkt door de elektrische weerstand van een boog tussen het slak en de elektrode. De energie wordt overgedragen aan de ovenbodem door koolstofelektroden. Het vermogen van de oven is het product van de bodemweerstand en het kwadraat van de elektrodenstroom. Daarom kan een beperkte toename van de elektrodenstroom resulteren in een relatief grote toename van de belasting.

Kenmerk van het proces in SAF is dat de elektrode door de grondstof naar beneden penetrateert in de bodem boven op het metalen bad. Normaal penetrateert het slak in deze koksbed, maar niet ver genoeg om in contact te komen met de punt van de elektrode. De elektrische warmte voor het smelten wordt ontwikkeld in de onmiddellijke omgeving van de elektrodenpunt waar het grootste deel van de spanningsval geconcentreerd is. De verwarmde koksbed heeft een zeer hoge elektrische en thermische geleiding vergeleken met de koude lading. Gevolglijk gaat slechts een klein deel van de stroom uit van de flanken van de elektrode. De koksbed geleidt ook de warmte naar de smeltzones weg van de elektrode. Reactiegassen uit de smeltzone, voornamelijk CO (koolstofmonoxide) gas, passeren omhoog door de dalende grondstoffen, deels deze voorverwarmen door hun zinnelijke warmte af te geven en deels vastestofreductie van de hogere ijzeroxiden veroorzaken.

De dikte van de zone waar materialen worden verwarmd tot reactietemperatuur is echter zo klein dat het gas niet voldoende retentiestijd heeft om een uitgebreide reductie te geven. 10% tot 20% pre-reductie is normaal in koude lading operatie.

De basisvergelijking voor de vermogensinvoer in de oven wordt gegeven door de vergelijking P = 3E Cos φI = 3RI², waar P het vermogen is, E de fasspanning tussen transformator en ovenbodem, I de elektrodenstroom en R de ohmse bodemweerstand. Voor de vermogensfactor is de vergelijking PF = Cos φ – V [R/(R²+X²)], waar R en X respectievelijk de ohmse weerstand en de reactantie van het systeem zijn. De ovenreactantie X wordt voornamelijk bepaald door de ovendimensies en elektrische opstelling en is vrij constant zolang de algemene bedrijfsomstandigheden gehandhaafd worden. Zonder rekening te houden met de vermogensfactor op het elektriciteitsnet, zijn de ohmse weerstand op de bodem en de toelaatbare amperage in de elektroden de bepalende parameters voor de belasting in een oven.

Het effect van een lage vermogensfactor kan echter gemakkelijk gecompenseerd worden door installatie van condensatorbanken om de vermogensfactor op het net te corrigeren.

Er zijn verschillende manieren om de ohmse weerstand te regelen door selectie van grondstoffen en met name korrelgrootte en kwaliteit van het koolstofmateriaal. Er zijn echter een paar grote factoren die speciale overweging vereisen:

• De neiging om een grote koksbed op te bouwen geeft normaal dalende ohmse weerstand.
• Geleidend materiaal in de lading neigt tot stroomvloei van de flanken van de elektrodes, wat weer resulteert in verminderde weerstand.
• Verhoogde temperatuur op de flanken van de elektrodes vergroot de mogelijkheid van stroomvloei van de flanken en daardoor daalt de totale weerstand.

De ervaring van conventionele SAF is dat de economie ervan afhangt van de beschikbaarheid van goedkope elektriciteit. Verder zijn de eisen aan specifieke typen reducerende middelen om de elektrische resistiviteit in de oven te controleren, belangrijk. De lage verblijftijd in de oven vergeleken met die van de hoogoven geeft de mogelijkheid tot lagere vastestofreductie en gasbenutting binnen de oven. De afgassen vertegenwoordigen daarom een groot deel van de warmteinvoer in het proces en een zinvolle benutting van het gas is een belangrijke factor in de economie van het proces.

De kwaliteit van de grondstof heeft de grootste impact op het proces. Enerzijds beïnvloedt het de slaksamenstelling en anderzijds het smeltpatroon binnen de oven (gebaseerd op de fysieke eigenschappen en de hoeveelheid energie-invoer).

De fysieke eigenschappen bepalen of de smelter kan draaien in de (i) conventionele weerstandsmodus gebruikmakend van de elektrische weerstand van slak, of (ii) afgeschermde boogmodus gebruikmakend van de elektrische weerstand van de slak en boog of gebruikmakend van de elektrische weerstand van de voedmengsel.

Kenmerken van SAF

Een typische SAF met slakoperatie omvat een cirkelvormige of rechthoekige ovenschelp met gescheiden taphatenten voor slak en metaal. Voor sommige processen worden slak en metaal door één taphatt gegetapt en daarnaastrooms gescheiden via cascade gieten of afschuimers. De ovenschelp is refraktarig bekleed en – als additionele schelokoeling vereist is door het proces – watergekoeld door een speciaal zijwandkoelingssysteem. De schelonderkant wordt meestal gekoeld door gedwongen luchtventilatie. De elektroden worden verbruikt door het ovenbad. De zelfbakende elektroden met mantels of voorgebakken elektroden worden periodiek verlengd met nieuwe stukken. De elektrode wordt half-automatisch in het bad gegleden met de oven op volle elektrische belasting en zonder onderbreking van de ovenoperatie.

De elektrodenkolomassemblages bevatten alle faciliteiten om te houden, te glijden en de penetratie in het bad te regelen. Alle elektrodeoperaties worden hydraulisch uitgevoerd.

De elektrische energie wordt normaal geleverd vanaf de oventransformator via hoogstroomlijnen, watergekoelde flexibele busbuizen bij de elektroden en de contactklemmen naar de elektroden. Als het proces afgas produceert dat een bepaalde hoeveelheid CO bevat, is de oven normaal ontworpen als een gesloten oven type en wordt het afgas verzameld en gebruikt voor verdere toepassingen zoals stroomopwekking, verwarming, pompen, stoomopwekking, etc.

De belangrijkste normale kenmerken van AC-gebaseerde ovens zijn als volgt:

• Laag-onderhoud elektrodenkolommen voor diverse elektrodedtypes
• Fail-safe, robuust ontworpen elektrodenhouder- en glijdinrichting
• Robuust ovontwerp staat geen uitholling/beweging toe
• Holge elektrodenlaadsysteem
• Gasdichte watergekoelde dakontwerp levert hoge kwaliteit CO-rijk gas
• Toepassing van energierherwinningsysteem mogelijk

Conventionele DC-ovens

De DC-ovens zijn doorgaans van cirkelvormig type en de elektrische energie wordt voornamelijk omgezet in warmte door de boog, die tot stand komt tussen de elektrodenpunt en het slakbad. De bovenste elektrode is verbonden als de kathode en het geleidende bodemsysteem is verbonden als de anode. Een typische oven met open slakbadoperatie omvat doorgaans 1 tot 3 slaktaphaten en 1 tot 2 metaltaphaten op een lagere elevatie. De oven vereist geavanceerde koelingsregelingen in het dak- en zijwandgebied vanwege het feit dat de vloeibare slaktemperatuur in direct contact is met het refraktariemateriaal en vanwege de stralingswarmte van de boog. Het refraktariconcept is meestal zorgvuldig ontworpen om deze agressieve condities aan te kunnen. De elektrode wordt verbruikt door het ovenproces. De voorgebakken elektroden worden periodiek verlengd met nieuwe stukken. Conventionele concepten passen elektrodenarm toe om de elektrode te regelen. De mechanische functies en de elektriciteitsoverdrachtsprincipes zijn vergelijkbaar met de conventionele AC-gebaseerde elektrodenkolommen.

Ook DC-ovens kunnen ontworpen worden als een gesloten oven type en kan de CO worden verzameld. De energieverbruik kan geoptimaliseerd worden door gecombineerde elektrodenbewegingsregelaar met thyristor-ontstekingscontroller en hoge elektrodesnelheid. DC-elektrodenkolomsysteem staat normaal glijden en nippen onder volle kracht toe (wat de power-on tijd maximaliseert). Snel wisselbaar centrumstukapparaat is essentieel voor maximale bedrijfstijd. In DC-ovens is normaal een intelligente voederregeling nodig om doorvoer en refraktarijlevensduur te maximaliseren. De overige kenmerken van een DC-oven omvatten het volgende:

• Robuust schelontwerp
• Holge elektrodenlaadsysteem
• Dak- en zijwandkoelingssystemen ontworpen om voldoende bescherming te bieden bij matige energieverbruik

De DC-oven werkt meestal met een open boog, die het materiaal smelt binnen een zeer korte tijd. Het materiaal kan via het holle elektrodenlaadsysteem direct in de boog geladen worden. Normaal 'danst' de boog aan de punt van de elektrode. Daarom is het ook praktisch om het materiaal direct rond de elektrodenpunt te laden. In sommige ovens is het mogelijk om een zijwandbeschermingslaag op te stapelen met het geladen materiaal. De meeste processen, waar het slak oververhit is, laten dit soort zijwandbescherming niet toe. In het algemeen kan gesteld worden dat het totale energieverbruik van een DC-oven hoger is in vergelijking met een AC-oven vanwege het volgende:

• Er is een hogere stralingswarmtelasting in de ovenvrijboord
• Er is een additionele ovenkoelingsvereiste door hogere proces temperaturen
• Er is een hoge graad van metalen rookvorming die additionele energie verbruikt

Het voordeel van de DC-oven is het directe gebruik van fijn materiaal wat de noodzaak van investering in intensieve agglomeratieprocessen upstream van de oven elimineert. Ook het lagere prijsniveau van fijn materiaal helpt bij het verlagen van de totale exploitatiekosten.

Toepassing van SAF

De toepassingsgebieden voor SAF omvatten productie van ferrochroom, ferronikkel, ferromangaan, silicomangaan, ferroniobium, Ilemeniet (TiO2 slak) alsmede het potentieel voor afvalrecycling.

Oorspronkelijk werden de ferrolegeringen uitsluitend geproduceerd in speciale hoogovens wat resulteert in een gietijzer bestaande uit kleine tot middelgrote inhoud van silicium, chroom en mangaan. Type smelting en metallurgisch evenwicht bepaalde de koolstofinhoud van deze legeringen. De gedompelde boogoven is een veel beter gekwalificeerde eenheid om ferrolegeringen te produceren met betrekking tot temperatuurcontrole en aanpassing aan verschillende reductiepotentialen. In de loop van de tijd vestigde zich een onafhankelijke ferrolegeringsindustrie die vandaag de dag de permanent toenemende eisen van de staalindustrie beantwoordt. De meerderheid van ferrolegeringen wordt geproduceerd door pyrometallurgisch smelten dat plaatsvindt in gedompelde boogovens. De sterke concurrentiekracht van gedompelde boogovens in deze sector werd voornamelijk bereikt door de installatie van geavanceerde hoge-vermogen smelteinheden.

Op dit moment wordt meer dan 99% van ferrolegeringen en TiO2 productie uitgevoerd in AC gedompelde boogovens. Er is geen toepassing in de pyrometallurgie voor DC-ovens die niet uitgevoerd kan worden in AC-ovens.

Ontwikkeling van grote elektrodenystemen, geavanceerde transformatortechnologie en nieuwe ovenconstructieprincipes hebben het ontwerp van grote capaciteit rechthoekige SAF toegestaan met afmetingen tot 36 m in lengte en 17 meter in breedte. Van technologisch oogpunt zijn nog grotere eenheden mogelijk, maar hun economische haalbaarheid moet zorgvuldig worden gecontroleerd.

Op dit moment zijn SAF van hoge capaciteit 120 MVA rechthoekige ovens met thyristor plus koperkoelingssysteem en DC-oven van 70 MW voor ferrochroom geïnstalleerd.

Nieuwe ontwikkelingen worden herkend voor processen die verhoogde slakbadoperatie toepassen in de constructie van hoog-efficiënte eenheden met een hoge vermogensdichtheid. De hogere vermogensdichtheid in de oven veroorzaakt hogere warmtefluxen door de zijwand wat de toepassing van nieuwe koelingsconcepten noodzakelijk maakt.

De besturingssystemen zijn ook door een significante evolutie gegaan tijdens de laatste decennia als hieronder getoond:

• 1906 – Handmatig gecontroleerd
• 1955 – Elektrisch gebalanceerde balkcontroller
• 1960 – Beweegspoelcontroller
• 1965 – Transductorcontroller
• 1975 – Transistorcontroller
• 1985 – H&B controller
• 1995 – Softwarecontroller

Sinds het einde van de jaren 1950 zijn alle SAFs uitgerust met elektrodencontrollers. Vandaag de dag maken geavanceerde gedompelde boogovens gebruik van softwarecontrollers. De DC-toepassing voor gedompelde boogoventechnologie toont wereldwijd een toenemend aandeel in nisgebieden, met name in sommige ferrolegeringen, slakschoonmaak en TiO2 productie-eenheden. Niettemin, de meerderheid van de gedompelde boogovens is en blijft AC-technologie gebaseerd.