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 Héroult 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:
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.