Valokaariuuni

Valokaariuuni on uuni, jossa varautunutta metallia, kuten terästä kuumennetaan valokaaren avulla.

Valokaariuunien koko vaihtelee kapasiteetiltaan noin tuhatkiloisista (käytetään valurautavalimoissa) 400-tonnisiin (käytetään sekundäärisen teräksen valmistamiseen). Tutkimuslaboratorioissa ja hammashoitoloissa ne ovat kapasiteetiltaan vain muutamia kymmeniä grammoja.

Valokaariuunilla päästään noin 1800 celsiusasteen lämpötilaan. Toisin kuin induktiouunissa, varautunut materiaali altistetaan suoraan valokaarelle ja virtaus uunien navoissa läpäisee varautuneen materiaalin.

Valokaariuuni on tehokas tapa esimerkiksi romu- ja harkkometallin sulatuksessa metalliteollisuudessa.

Historia 

1800-luvulla valokaariuunia käytettiin jo raudan sulattamiseen. Sir Humphry Davy suoritti ensimmäisen valokaariuunikokeen vuonna 1810; Pepys tutki valokaarihitsausta vuonna 1815; Pinchon yritti valmistaa lämpösähköuunin vuonna 1853; ja vuosina 1878–1879 Sir William Siemens hankki patentin valokaareen perustuvaan sähköuuniin.

Ranskalainen Paul Héroul kehitti ensimmäiset varsinaiset kaupalliset valokaariuunit vuonna 1907 Yhdysvalloissa. Alun perin siitä saatu ”sähköteräs” oli erikoistuote esimerkiksi työstökoneisiin ja jousiteräkseen. Valokaariuunia käytettiin myös kalsiumkarbidin valmistamiseen karbidilamppuihin.

Vaikka valokaariuunia käytettiin laajalti toisessa maailmansodassa seostettujen terästen valmistukseen, niiden laajamittainen käyttö yleistyi vasta myöhemmin.

Rakenne

Teräksentuotantoon käytetty valokaariuuni rakentuu tulenkestävästä vesijäähdytteisestä astiasta. Tämä on peitetty kokoonvedettävällä katolla, jonka läpi työntyy yksi tai useampi grafiittielektrodi uuniin. Uuni jakaantuu pääasiassa kolmeen osaan:

Kuori, joka koostuu sivuseinistä sekä alemmasta ”teräskulhosta”
Sydän, joka koostuu tulenkestävästä aineesta ja peittää alempaa kulhoa.
Katto, joka voi olla tulenkestävällä aineella peitetty tai vesijäähdytetty ja voidaan muotoilla pallosegmentin tai katkaistun kartion muotoon. Katto myös kannattelee tulenkestävää kolmiota keskustassa, minkä läpi yksi tai useampi elektrodi työntyy.

Sydän voi olla puolipallomainen tai puolitetun munan muotoinen epäkeskisessä metallilasku-uunissa. Moderneissa sulattamoissa uuni on usein korotettu maantason yläpuolelle, jotta kauhat ja kuonapadat voidaan siirtää uunin kumpaankin päähän. Uunirakenteesta erillään on elektrodituki ja sähköinen järjestelmä sekä kallistusalusta, jonka päällä uuni lepää. Kokoonpanovaihtoehtoja on kaksi: elektrodituet ja katto kallistuu uunin mukana tai ne on asennettu kohotetulle alustalle.

Tyypillisessä vaihtovirtauunissa on kolme elektrodia. Ne ovat kierreliitännällä kiinnitettyinä segmentteinä ympyrämuodostelmassa, joten kun elektrodit kuluvat, uusia segmenttejä voidaan lisätä. Valokaari muodostuu varautuneen materiaalin ja elektrodin välille. Sekä sähkövirta että valokaaressa syntyvä säteilyenergia kuumentaa materiaalia. Automaattinen paikannusjärjestelmä tarvittaessa nostaa tai laskee elektrodeja sähköisillä nostovinsseillä tai hydraulisilla teloilla. Säätöjärjestelmä pitää kutakuinkin virran ja sisään tulevan tehon vakiona varattua materiaalia kuumennettaessa, vaikkakin metalliromua saattaa joutua elektrodien alle sulattamisprosessissa. Elektrodeja kiinnipitävät varret kannattelevat virtakiskoja. Ne voivat olla onttoja vesijäähdytteisiä kupariputkia, jotka toimivat virrankuljettimina elektrodinpitimille. Modernit järjestelmät käyttävät kuumia kiinnitysvarsia. Tällöin koko varsi toimii virrankuljettimena, mikä parantaa hyötysuhdetta. Kuumat kiinnitysvarret voidaan tehdä kuparipäällysteisestä teräksestä tai alumiinista. Koska elektrodien korkeutta vaihdellaan automaattisesti valokaaren säätelemiseksi ja elektrodit nostetaan uunikaton poistamiseksi, raskaita vesijäähdytteisiä kaapeleita käytetään yhdistämään johtimet/varret uunin läheiseen muuntajaan. Muuntaja on sijoitettu kuumuudelta suojaavaan holviin.

Uuni on rakennettu kallistettavalle alustalle, jotta nestemäinen teräs voidaan kaataa toiseen astiaan kuljetusta varten. Nestemäisen teräksen valuttamista uunia kallistamalla kutsutaan kierteittämiseksi. Alun perin kaikissa teräksentekouuneissa oli valutusnokka. Se oli suljettu tulenkestävällä aineella, joka huuhtoutui, kun uunia kallistettiin. Nykyaikaisissa uuneissa on usein epäkeskinen metallisulan laskureikä, joka vähentää kuona- ja typpisulkeumien muodostumista nestemäiseen teräkseen. Näissä uuneissa on laskureikä, joka sivuaa kohtisuorasti sydäntä ja kuorta, ja joka on asennettu epäkeskeisesti munanmuotoisen sydämen ahtaaseen ”nenään”. Suljettaessa se täytetään tulenkestävällä hiekalla, kuten oliviinilla. Nykyaikaisissa tehtaissa kahdella kuorella on yhteinen elektrodisarja, joita voidaan siirtää näiden kahden välillä; toinen kuori esilämmittää metalliromun, kun taas toista käytetään varsinaiseen sulattamiseen. Jotkin tasavirtaan pohjautuvat uunit ovat rakenteeltaan samantapaisia, mutta niissä käytetään vain yhtä elektroniikkasysteemiä ja kullakin kuorella on omat elektrodinsa.

Vaihtovirtauuneja käytetään yleensä osoittamaan kylmien ja kuumien alueiden rakenteet sydämen ympärillä. Kylmät alueet sijaitsevat elektrodien välissä. Nykyaikaisissa uuneissa on happi-polttoainereaktioihin perustuvia polttimia sivuseinämissä, jotka tuottavat kemiallista energiaa kylmille alueille. Näin uuni lämpiää tasaisemmin. Kemiallista lisäenergiaa tuotetaan myös ruiskuttamalla hiiltä ja happea uuniin.

Keskikokoisten teräksentekouunien muuntajat tavataan mitoittaa noin 60 000 000 volttiampeeriin (60 MVA) toisiojännitteen ollessa 400V–900V ja toisiovirran yli 44 000 ampeeria. Nykysulattamoissa tällainen uuni tuottaa noin 80 tonnia sulaa terästä tunnissa. Tyypillisen happiuunin kapasiteetti on 150–300 tonnia per erä. Maailman suurin, kapasiteetiltaan 300-tonninen, metalliromun sulattamiseen tarkoitettu valokaariuuni sijaitsee Turkissa.

Teoriassa tonnin teräsromuerän sulattamiseen tarvitaan 300 kWh energiaa (sulamispiste 1 520 °C ). Valokaariuuni käyttää prosessiin noin 440 kWh, minkä vuoksi sen käyttö on taloudellisesti järkevää paikoissa, joissa sähköenergiaa on helposti ja halvasti saatavilla.

Toiminta

Romumetalli toimitetaan sulattamon vieressä sijaitsevaan romuruumaan. Saapuvia teräslaatuja on yleensä kahta tyyppiä: silppua (kodinkoneet, autot ja muu ohutlevyteräs) ja raskassulatteet (isot levyt ja palkit), sekä myös jonkin verran suorapelkistettyä rautaa ja harkkorautaa kemiallisen tasapainon saavuttamiseksi. Jotkin valokaariuunit sulattavat suorapelkistetyn raudan liki sataprosenttisesti.

Metalliromu lastataan betonikippoihin, joita sanotaan koreiksi. Niiden pohjana toimii ”simpukankuoriovet”. Metalliromu asetetaan kerroksittain onnistuneen sulatusprosessin varmistamiseksi: raskassulatteet sijoitetaan kevyen, suojaavan silpun päälle. Raskassulatteiden päälle asetetaan kevytsilppua. Kerrostunut rakenne pyritään säilyttämään myös varautumisen jälkeen. Lastaamisen jälkeen korit voidaan kuljettaa metalliromun esilämmittimeen, jossa uunin pakokaasujen avulla romu kuumennetaan ja näin energiaa palauttamalla prosessin tehokkuutta saadaan parannettua.

Tämän jälkeen romukorit viedään sulattamoon, katto käännetään pois uunin päältä ja koreissa kuljetettu putoava metalli varaa uunin potentiaalienergiansa avulla. Varaus on yksi valokaariuunin vaarallisimmista prosesseista. Romuraudan mukana tuleva voiteluöljy ja pöly saattaa syttyä, jos uuni on kuuma. Tämä voi saada aikaan pallosalamapurkautuman. Joissakin kaksikuorisissa uuneissa romu varautuu toisessa kuoressa, kun taas toisessa se sulatetaan ja esilämmitetään aktiivikuoren pakokaasuilla. Muita prosesseja ovat jatkuvavaraaminen – metalliromun esilämmitys liukuhihnalla, joka purkaa romun sähkövarauksen uuniin.

Varaamisen jälkeen katto käännetään takaisin uunin päälle ja sulatusprosessi aloitetaan. Elektrodit lasketaan metalliromun suuntaan, valokaari syntyy ja elektrodit työnnetään uunin päällykerroksen metallisilppuun. Prosessin ensimmäisessä vaiheessa käytetään alhaista jännitettä, jotta uunin katto ja seinät eivät vaurioituisi kuumuudesta ja valokaaren vaikutuksesta. Kun elektrodit ovat saavuttaneet raskassulatteen uunin pohjalla ja metalliromu suojaa valokaarta, jännitettä voidaan kasvattaa ja elektrodeja nostaa hieman, jolloin valokaaret pitenevät ja sulatusteho kasvaa. Näin hitsisulaa muodostuu nopeammin ja koko sulatusprosessi nopeutuu. Myös happea syötetään metalliromun sekaan, jolloin se polttaa tai leikkaa terästä ja ylimääräistä kemiallista energiaa tuotetaan uunin seinämiin kiinnitetyillä happi-polttoaine-polttimilla. Molemmat prosessit kiihdyttävät romuraudan sulamista.

Yksi teräksentekoprosessin tärkeimmistä vaiheista on kuonanmuodostuminen, missä kuona kelluu sulan teräksen pinnalla. Kuona koostuu yleensä metallioksideista ja toimii hapettuneiden epäpuhtauksien määränpäänä sekä lämpöeristekerroksena ja vähentää tulenkestävän vuorauksen eroosiota. Tavallisimmissa valokaariuuneissa, joihin myös hiiliteräsuunit yleensä luetaan, tavallisimpia kuonanmuodostajia ovat kalsiumoksidi (CaO, poltetun kalkin muodossa) sekä magnesiumoksidi (MgO, dolomiittina ja magnesiittina). Nämä kuonanmuodostajat joko varataan metalliromulla tai puhalletaan uuniin sulatuksen aikana. Yksi kuonan tärkeimmistä ainesosista on rautaoksidi, joka syntyy raudan palaessa, kun uunin sisään syötetään happea. Myöhemmin lämpöenergiaa ja hiiltä (kivihiilen tai koksin muodossa) syötetään tähän kuonakerrokseen, jolloin ne reagoivat rautaoksidin kanssa ja syntyy metallista rautaa ja hiilimonoksidikaasua. Tällöin kuona vaahdottuu, mikä kasvattaa lämpöhyötysuhdetta, parantaa valokaaren pysyvyyttä ja sähköistä hyötysuhdetta. Kuonavaippa suojaa myös valokaarta, mikä ehkäisee uunin katon ja seinien vaurioitumista lämpösäteilyltä.

Syntyneen teräksen kemiallista koostumusta parannellaan ja terässula ylikuumennetaan sen jähmettymispisteen yläpuolelle ennen kierteittämistä. Liuokseen tuodaan lisää kuonanmuodostajia ja happea, joka polttaa seoksessa olevia epäpuhtauksia, kuten piitä, rikkiä, fosforia, alumiinia, mangaania ja kalsiumia oksideiksi kuonaan. Vasta näiden aineiden jälkeen seoksessa oleva hiili palaa (hiilellä pienempi affiniteetti). Hapen suhteen rautaa pieniaffiniteettisemmat metallit, kuten nikkeli ja kupari eivät poistu seoksesta hapettumalla, vaan niiden määrään vaikutetaan rautatyyppien keskinäistä suhdetta säätämällä (ks. aiemmin mainitut harkkorauta ja pelkistetty rauta). Kuonan vaahtoamista ylläpidetään jatkuvasti ja kuonan tulvimisen varalle on asennettu erityinen kuonaovi, josta kuona valuu kuonakuoppaan. Lämpötila ja seoksen kemiallinen koostumus näytteistetään automaattisesti.

Kun lämpötila ja massan koostumus on oikea, teräs kierteitetään esilämmityskauhaan uunia kallistamalla. Heti kun kierteittämisessä havaitaan kuonaa, uuni kallistetaan äkkiä kuonanpoistopuolelle, jolloin kuonanpääsy kauhaan estyy. Kierteittämisen aikanakin metallivanaan lisätään joitain lisäaineita. Usein muutama tonni sulaa terästä ja kuonaa jätetään uuniin, jolloin seuraavan metallierän sulattaminen helpottuu. Kierteittämisen aikana ja sen jälkeen uuni käännetään ympäri. Tällöin kuonaovi puhdistuu kiinteäksi muuttuneesta kuonasta, voidaan suorittaa uunin huoltotoimenpiteitä ja elektrodit voidaan tarkastaa mahdollisten vaurioiden varalta tai niitä voidaan pidentää uusia segmenttejä lisäämällä. Kierteittämisen päätteeksi laskureikä tukitaan hiekalla. Keskitehoisessa, 90 tonnin uunissa kierteittäminen kestää yleensä noin 60–70 minuuttia

Lähteet 
H. W. Beaty (ed), "Standard Handbook for Electrical Engineers,11th Ed.", McGraw Hill, New York 1978, ISBN 0-07-020974-X
J.A.T. Jones, B. Bowman, P.A. Lefrank, Electric Furnace Steelmaking, in The Making, Shaping and Treating of Steel, R.J. Fruehan, Editor. 1998, The AISE Steel Foundation: Pittsburgh. p. 525–660.

Viitteet

Aiheesta muualla 

 Electric Arc Furnace Steelmaking 

Metallurgia
1800-luvun keksinnöt