Valokaariuuni
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