ZELEZARSKI ZBORNIK
IZDAJAJO ŽELEZARNE JESENICE, RAVNE, ŠTORE IN METALURŠKI INŠTITUT LETO 22	LJUBLJANA	JUNIJ 1988
Elektroobločna peč danes
J. Bratina*
UDK: 621.365:669.041 ASM/SLA: D5, W18s, A5f
V članku je prikazan zgodovinski razvoj elektrooblo-čne peči za proizvodnjo jekla oziroma njenih tehničnih in tehnoloških faz, ki so omogočile, da je danes delež tako pridobljenega jekla že blizu 25 % svetovne proizvodnje jekla. Podane so njene elektroenergijske karakteristike, vplivi na napajalno omrežje ter pogoji obratovanja glede na racionalno izrabo električne moči v elektroenergetskem sistemu. Primerjave energijskih in toplotnotehni-ških posebnosti med običajno (RP) in močnostno (UHP) pečjo potrjujejo še vedno prisotne tendence vedno večje izrabe električne energije in vedno večje proizvodnosti agregata. Podane so metode določanja realnih elektrotehničnih vrednosti ob ločne peči (obratovalna induktivna upornost, napetost, elektrodni tok), oziroma realnih obratovalnih stanj, ki so odločilnega pomena za vodenje obločne peči, tako v času taljenja kakor tudi v času raz-taljenega vložka. Optimiranje obratovanja ni omejeno le na določitev pogojev za maksimalno moč na loku ali za maksimalni energijski izkoristek, temveč se razširja od energijskega na stroškovno optimiranje, ki poleg energijskih in stalnih stroškov obratovanja upošteva še stroške za ognjevzdržen material in za porabo grafitnih elektrod. Energijski in stroškovni obračuni v teku izdelave šarže spremenljivih obratovalnih stanj elektroobločne peči omogočajo vrednotenje različnih scenarijev taljenja peči. Rezultati stroškovnega optimiranja potrjujejo pravilnost obratovanja klasične močnostne peči pri nizkih faznih faktorjih cos (p = 0,60 (kratek lok), oziroma pravilnost obratovanja moderne močnostne peči z vodnohla-jenimipanelipri visokih faznih faktorjih cos <p = 0,84 (dolgi lok); podani so napotki za stroškovno optimalno vodenje procesa v teku celotne izdelave šarže. Obravnavana je možna letna proizvodnja elektroobločne peči glede na izrabo obratovalnega časa, teže vložka, specifične moči pečnega transformatorja ter v odvisnosti od potrebnih tehnoloških časov.
Razvoj
Elektroobločna peč se je razvila iz prvotnega eksotičnega agregata za izdelavo specialnih legur in za študij različnih vrst žlinder, s čimer se je v letih 1900—1903 pr-
* Janez Bratina, dipl. inž. el. teh. — Železarna Ravne Stanovanje: Dobja vas 99, Ravne na Koroškem Rokopis prejet: december 1987 Originalno publicirano: Železarski zbornik, 22, 1988, 2
vi ukvarjal Francoz Paul Heroult v La Pazu v Savoyi. Prve patentne prijave Siemensa o uporabi električnega loka za taljenje težko taljivih materialov segajo v leto 1879 in bi zato že lahko govorili o stoletnici elektroobločne peči. Da se je Heroulova zamisel o prednostih visokotempera-turne žlindre v njegovi peči lahko prebila iz tradicionalnih okvirjev izdelave jekel v Siemens-Martinovi peči oziroma Thomasovi hruški, gre zahvala srečanju iznajditelja z Ric-hardom Lindbergom, lastnikom jeklarne v Remscheidu, kjer so leta 1906 uspešno dali v obratovanje 500-kg elek-troobločno peč.
Peč je bila izdelana v Demagu; zanimivo je, da je še istega leta bila dana v obratovanje enaka peč, in sicer v ZDA v mestu Syracuese. Prva enofazna elektroobločna peč je zaradi svoje majhne električne moči in drage električne energije uporabljala kot vložek talino iz Martinove peči in šele s prehodom na trofazni omrežni priključek je bilo mogoče zgraditi peč, ki je lahko gospodarno talila odpadke oziroma staro železo kot standardni vložek. Bilo je potrebnih 20 let tehnološkega razvoja v gradnji elektroenergetskih, merilnih in regulacijskih naprav ter 20 let tehnološkega osvajanja, da je bilo mogoče v novem jeklarskem agregatu izdelati vse vrste znanih jekel. (SI. 1) Po drugi svetovni vojni se je elektroobločna peč uveljavila kot standardna enota zmogljivosti 201; delež elektrojekla v skupni svetovni proizvodnji jekla pa se je
1970
Slika 1:
Deleži tehnoloških postopkov v proizvodnji jekla Fig. 1:
Share of single process in steelmaking
«90 leto
ob tem že povzpel na 5 %. Tudi eksploziven razvoj kisi-kovega konvertorja ni mogel zaustaviti rasti proizvodnje jekla v elektroobločni peči. Cenovna razmerja surovin in energije, ki so se odražala predvsem v cenenem starem železu in ceneni električni energiji, kot posledici velikih povojnih vlaganj sproščenega kapitala v elektroenergetske objekte ter predvsem nizki specifični naložbeni stroški v primerjavi z integralnimi železarnami so pospeševali gradnjo vedno večjih elektroobločnih peči. Proizvodne enote so dosegle kapaciteto 100 t, 150 t, 2001, 2501; tekmovanje med Evropo, ZDA in porajajočo se Japonsko je seglo tudi na to področje. Kmalu pa je zniževanje specifičnih proizvodnih stroškov kot neposredna posledica gradnje vse večjih proizvodnih kapacitet zadelo ob meje novonastalih problemov, kot na pr. pri ekstremnih premerih elektrod, pri izrednih elektrodnih tokovih, pri moči pečnih transformatorjev, pri teži posameznih šarž, pri vzdržnosti obzidave, pri časih izdelave šarž. V 60-tih letih je klasična elektroobločna peč dosegla zrelost jeklarskega agregata, v katerem je bilo mogoče gospodarno izdelati običajno nizkolegirano jeklo, kakor tudi najbolj zahtevno plemenito jeklo. Razvoj elektrojeklarstva v posameznih državah je bil poslej odvisen predvsem od razpoložljivih cenenih elektroenergetskih zmogljivosti ter od dejstva, ali razpolaga posamezna država s primernimi premogi za koksanje.
Kot je razdivno iz tabele I, se je delež elektrojekla v skupni proizvodnji jekla v letu 1985 najvišje povzpel v Španiji in Itlaiji, kjer presega 50 %. V svetovni proizvodnji pa je v istem letu delež elektrojekla dosegel 24,7 % in ima še vedno tendenco naraščanja.
Tabela I: Proizvodnja elektrojekla in deleži v skupni proizvodnji jekla v posameznih državah za leto 1985
Država	10(6) t	%
Španija Italija Švedska Anglija Jugoslavija Francija
Zvezna Republika Nemčija Ves svet skupno
8.70 12.52 2.39 4.54 1.15 3.68 7.48 177.40
58.5
52.5
49.6 28.9 26.1
19.6 18.5
24.7
Trend rasti svetovne proizvodnje jekla je sicer za desetletno obdobje 1975—1985 komaj 0,3 %, za elektroje-klo pa še zmeraj znaša dobrih 4 %. Predvideva se, da je glede na 10-letno trajajoči recirkulacijski čas vložka oziroma sterega železa pričakovani največji možni mejni delež elektrojekla pri 30 % skupne proizvodnje jekla.
Do takega mesta v količinskem deležu proizvodnje se je elektroobločni peči uspelo prebiti z vrsto tehničnih in tehnoloških inovacij, med katere je v prvi vrsti šteti UHP tehniko. Ob koncu 60-tih let je namreč postalo jasno, da gradnja vedno večjih obločnih peči ne zagotavlja vedno ugodnih proizvodnih rezultatov; proizvodnost peči je direkno sorazmerna le moči pečnega transformatorja, zato so pričeli v ZDA po zamislih Schwabe-a graditi elektroobločne peči vedno večjih specifičnih moči, ki so se od prvotnih RP (Regular Povver) vrednosti 200 kVA/t dvignile na preko 600 kVA/t (Ultra High Povver) in omogočile čas raztalitve vložka pod 60 min. Povečevanje moči na obločni peči je bilo možno samo na račun povečevanja toka taljenja in s tem skrajšanja dolžine loka, kar je imelo za posledico izredno poslabšanje obratovalnega faznega faktorja (cos (p = 0,60). Nova spoznanja o sevanju električnega loka na obzidavo — postavitev erozijskega indeksa — so potrjevala slabosti
nove UHP prakse, ki se je kazala predvsem v povečanih stroških za obzidavo peči kot neposredni posledici povečanih toplotnih obremenitev. Rešitev težav slabše vzdržnosti obzidave elektroobločne UHP peči je v 70-tih letih prišla iz Japonske z uvedbo vodnohlajenih sten — panelov — oziroma vodnohlajenega oboka. Z njimi je bilo mogoče brez težav obratovati tudi z največjimi močmi ob znosnih faznih faktorjih, tako v fazi taljenja kakor ob raztaljenem vložku, ko sedaj ni šlo le za vzdržnost obzidave, temveč samo še za porabo energije. Elektroobločni peči je zato ostala kot kritična tehnološka faza izdelave jekla, ki je zaradi svoje toplotnotehnične specifike in zahtev oksidacije, rafinacije in legiranja terjala v tem obdobju še vedno spremenjen način obratovanja v primerjavi s taljenjem. Šlo je predvsem za veliko znižanje moči v tem obdobju (na ca. 30 % moči taljenja) ter za dolgo trajajoče tehnološke postopke, ki so bili predvsem pri zahtevnih vrstah jekla še vedno daljši od faze taljenja. Uvedba sekundarnih metalurških postopkov, pri katerih se ves preostali tehnološki del, razen oksidacije in od-
to 50 60 70
Slika 2:
Razvojne faze elektroobločne peči Fig. 2:
Development stages of the electric are furnace
Poraba elek. čas od preboda E3 energije ZZJ do preboda CU] Poraba elektrod
Leto
1960
1965
1975
1980
1985
ir

kv\\vvvv\v\\\\\v\\\\vv\\\v,vn
1111111 11 cm
630 kWi/t 180 min 6 kg/t
VARAVA VA^	567kWh/t
/ s-m	1(,8 min
ii l l l i m i i i i i i i itti	5 kg/t
IVA^VAV.VVAVVAAVV^	537 kWh/t EZZZZZZZZZZ3 118 min ......i i i i i i i ll i, kg/t
(ZZZZZZZ23
ii 1111 i m ra
i,80kWh/t 85 min 32 kg/t
v//s s/A
ii m i i i i i
400kWh/t 70 min 2,6 kg/t
Slika 3:
Razvoj glavnih kazalcev elektroobločne peči Fig. 3:
Development of influential parameters of the are furnace
fosforjenja, izvrši izven elektroobločne peči, ter uvedba peneče žlindre, ki zakriva električni lok tudi pri razta-Ijenem vložku in omogoča intenzivno obratovanje z dolgim lokom v tem obdobju, sta povečali povprečno izkoriščenost moči pečnega transformatorja v času od izliva do izliva nad 75 % in povečali povprečni fazni faktor za to obdobje nad 0,80. Elektroobločna peč je tako postala talilni stroj izrednih zmogljivosti, ki se odlikuje predvsem z veliko prilagodljivostjo energijskih karakteristik, z izrednimi tehnološkimi možnostmi in veliko proizvodnostjo.
Na SI. 2 so prikazane štiri prelomne razvojne faze v razvoju elektroobločne peči, na podlagi katerih se je produktivnost tega agregata povzpela na več kot 100 t/ h. Istočasno pa so se specifični materialni in energetski stroški zmanjševali, kot to kaže SI. 3. Na podlagi dosedanjih trendov lahko predvidevamo, da bo specifična poraba energije, poraba grafitnih elektrod in ognjevzdržne-ga materiala v devetdesetih letih dosegla manj kot 40 % od vrednosti iz leta 1960.
ELEKTROENERGIJSKE KARAKTERISTIKE
Poraba električne energije za proizvodnjo jekla v elektroobločnih pečeh se v svetovni porabi električne energije nahaja na drugem mestu, takoj za porabo pri proizvodnji aluminija. Pri razvoju proizvodnje elektrojekla je bilo vedno prisotno ugodno razmerje specifične porabe električne energije v tem agregatu z ca. 600 kWh/t proti ca. 2000 kWh/t v nizkošahtni električni peči za pridobivanje grodlja oziroma z ca. 20000 kWh/t v elektroli-zni peči za pridobivanje aluminija, kar je bistveno pripomoglo k ekonomičnosti njene proizvodnje. Tehnični problemi, ki so se pojavili s priključevanjem elektroobločnih peči na napajalno omrežje, niso bili le v izpolnjevanju zahteve po ravnotežju med vsakokratno porabo in proizvodnjo električne energije, temveč tudi v zadovoljevanju potrebnega kratkostičnega nivoja na mestu priklopa na javno napajalno omrežje (PCC — Point of Common Co-nection). Elektroobločna peč povzroča zaradi svojega nemirnega obratovanja v času taljenja, ko prihaja pod posameznimi elektrodami do občasnih kratkih stikov oziroma do trganja in ugasnitve loka, neenakomerne obremenitve omrežja, kar ima za posledico spremenljive padce napetosti in pojav utripanja svetlobe žarnic (flikerji) pri porabnikih, ki so na omrežje priključeni v bližini PCC. Na podlagi obsežne mednarodne raziskave, ki jo je opravila posebna komisija UIE, je ugotovljeno, da mora biti moč trofaznega kratkega stika v PCC med 60 in 80-krat-no vrednostjo moči pečnega transformatorja oziroma, da mora biti razmerje moči kratkega stika napajalne mreže in kratkega stika obločne peči med 35 do 45. Ker se današnje kratkostične moči na 110 kV nivoju gibljejo med 2000 MVA in 3000 MVA, lahko ugotovimo, da leži pri tem zgornja meja moči pečnega transformatorja obločne peči pri 50 MVA oziroma da lahko brez posebnih ukrepov za povečanje kratkostične moči v napajalni točki priklopimo na 110 kV UHP-EOP največje zmogljivosti 80 t. Te ugotovitve izhajajo tudi iz predpisov posameznih evropskih držav o največjih dopustnih padcih napetosti, ki jih smejo povzročiti v PCC porabniki na 110 kV:
ob kratkem stiku EOP	dU max = 2,0—2,5 %
ob frekvenci 10 Hz	dU max = 0,5—1,0 %
S frekvenco 10 Hz ponavljajoče se obremenitve so posebej neprijetne zaradi tega, ker sovpadajo s področjem največje občutljivosti človeškega očesa za neprijetnost utripanja svetlobe. Elektroobločna peč pa ni zahteven porabnik za priklop na električno omrežje le zaradi
visokih zahtev po čvrstosti napajalnega mesta, temveč povzroča onesnaženje napetosti tudi z višjeharmonskimi tokovi, ki nastajajo kot posledica nelinearne uporovne karakteristike električnega loka. Frekvenčne analize linijskih tokov obločnih peči kažejo prisotnost lihih in sodih višjeharmonskih komponent, kar govori ne samo o veliki popačenosti, temveč tudi o določenem usmerniškem efektu, ki ga ima električni lok v obločni peči. Pomembneje so prisotni vsi mnogokratniki tokov od drugega do trinajstega, njih spekter je odvisen predvsem od joniza-cijskih pogojev gorenja loka: v začetku taljenja se posamezne vrednosti povzpnejo preko 30 % nazivnega toka, v obdobju raztaljenega vložka pa padejo te vrednosti pod 10 %. Zaradi takih obremenitev napajalnega omrežja se ustrezno popači sinusna oblika napetosti, ki se ji lahko priredi podoben spekter višjeharmonskih komponent.
Čeprav standardna nadomestna vezava električnih elementov obločne peči nadomešča električni lok le z delovno upornostjo, pa se v tem tokokrogu nahajajo tudi nadomestne induktivne upornosti omrežja, pečnega transformatorja ter visokotokovnih dovodov na peč. Manjše obločne peči imajo pred transformatorjem še dušilko, ki stabilizira nemirno obratovanje peči v času taljenja. Potreba po jalovih močeh je pri obratovanju peči zato neobhodna; njena velikost je odvisna od induktivne upornosti in od delovne točke na obratovalnem diagramu. Pri klasičnih elektroobločnih pečeh so bili v času taljenja fazni faktorji cos <p = 0,75 do 0,85, v času raztaljenega vložka pa okrog 0,70. Standardna EOP UHP peč je v času taljenja imela fazni faktor cos cp = 0,62—0,72 in se ta tudi v kasnejšem obdobju raztaljenega vložka ni kaj bistveno spremenil. Šele moderna UHP obločna peč, ki obratuje z dolgim električnim lokom, tako v času taljenja kot tudi po razstalitvi, omogoča doseganje povprečnega faznega faktorja nad 0,82.
Elektroobločni peči pripadajo torej kompenzacijske naprave jalove moči, ki so v večini primerov kondenza-torske baterije, priključene na velikosti baterije primerne napetosti. Za obvladovanje v omrežju nastopajočih višjeharmonskih komponent se kompenzacijske naprave grade v obliki sesalnih krogov z resonančnimi napravami za 5, 7, 11, 13 komponento, ali pa celo z napravami za dinamično kompenziranje posameznih višjeharmonskih komponent, ki uravnotežujejo potrebe po jalovih močeh že znotraj časa nekaj deset milisekund. Take naprave bistveno znižujejo nihanja napetosti v PCC in zato virtual-no zvišujejo kratkostični nivo priključnega mesta.
Nesimetrija faznih obremenitev, ki je nastajala zaradi nesimetrično oblikovanih dovodov na peč ali zaradi neustreznega delovanja elektrodnih regulatorjev, je posebno v začetnem obdobju uvajanja UHP povzročala s svojimi »vročimi« fazami probleme z vzdržnostjo obzidave kadi, peči in oboka. Napajalno omrežje takih nesimetrij običajno niti ne zapaža, saj so v večini primerov prehodne in omejene le na fazo taljenja oziroma se z vmesnimi transformacijami pri spojih transformatorjev D/y ta nesimetrija zmanjšuje. Moderne elektroobločne peči skoraj ne poznajo obremenitvenih nesimetrij, ki bi bile posledica nesimetrične gradnje visokotokovnih dovodov na peč, saj so ti dosledno triangulirani v vsem svojem poteku, od pečnega transformatorja do elektrod oziroma vložka v peči.
Analize dnevnih in mesečnih elektroenergetskih obremenilnih diagramov obločnih peči kažejo njihovo značilno diskoniteto obratovanja, ki se odraža v ponavljajočem se zaporedju visokih obremenitev, ki jim slede nižje obremenitve raztaljenega vložka, in končno ob izlivu šarže odklop peči od omrežja. Tudi znotraj ciklusa izde-
lave šarže prihaja v času od izliva do izliva ob ponovnem šaržiranju peči, ob delovanju preobremenitve zaščite ter ob drugih tehnološko pogojenih opravilih do izklopov obločne peči in do popolnih razbremenitev elektroenergetskega omrežja. Nadzorovanje odjema porabnikov električne energije, ki imajo v svoji sestavi poleg osnovne obremenitve tudi elektroobločne peči, je za racionalno izrabo električne moči nujno potrebno. Obračunska moč se v večini elektroenergetskih sistemov ugotavlja kot najvišja poraba električne energije v času 15 min v vsakterem četrturnem intervalu trajanja tarifnega obdobja. Ker znaša delež stroškov za plačano moč v skupni ceni za električno energijo več kot 50 %, je vsako zniževanje moči odjema ob enaki energijski porabi istočasno zniževanje cene električne energije. Gospodarjenje z močjo porabe električne energije je eden od glavnih vplivnih dejavnikov stroškovne optimizacije pri proizvodnji jekla v obločnih pečeh. Gre prevsem za tak način vodenja proizvodnje, ki bo zagotavljal čim boljšo zapolnitev obremenitvenega profila moči v teku dneva. Tolerančni profil moči, kot ga običajno predvidevajo pogodbe med odjemalcem in dobaviteljem električne energije, je prirejen obremenitvenim karakteristikam proizvodnega elektroenergetskega sistema, in sicer tako, da vzpodbuja inverzno obratovanje porabnikov: v času visokih obremenitev v sistemu naj bi porabniki svojo moč zniževali, v času nizkih obremenitev v sistemu pa naj bi porabniki moč zviševali. Tarifne postavke za obračun električne energije v posameznem tarifnem obdobju (konična tarifa, višja tarifa, manjša tarifa) naj bi s svojimi cenovnimi razmerji vzpodbujale takšno porabo. Na SI. 4 imamo prikazan primer, kako se dejanska poraba električne energije neke železarne giblje v primerjavi z dopustno.
Razmerje med dejansko in dopustno porabo v določenem časovnem obdobju imenujemo faktor obremenitve ali tudi izkoristek odjema; giblje se med vrednostma 0,80—0,90. Višje vrednosti so običajne v dneh zimske sezone za čas trajanja konične tarife, nižje vrednosti pa za čas trajanja manjše tarife. Razlikovati je tudi med dnevnimi in mesečnimi vrednostmi izkoristkov odjema, pri čemer so mesečni izkoristki bistveno nižji, saj se v njih ne odražajo samo nižje obremenitve ob sobotah in nedeljah, ampak tudi vsi enkratni mesečni tehnološki zastoji. Če izhajamo iz celotne letne porabe električne energije ter iz najvišje plačane mesečne konice četrtur-ne moči, lahko namesto izkoristka časa govorimo o le-
P |MW1
t (h)
Slika 4:
Dejanska poraba električne energije znotraj dovoljene moči odjema
Fig. 4:
Actual electric energy consumption inside the limits of allowed povver consumption
tnih obratovalnih urah. Za železarne, ki imajo v svojem sklopu elektroobločne peči, veljajo za normalne letne obratovalne ure med 5500 h in 6500 h.
Za presojo elastičnosti moči odjema posamezne železarne kot porabnika električne energije je pomembno poznati osnovno — neprilagodljivo moč ter tej nadgrajeno prilagodljivo moč odjema. Slednja se nanaša predvsem na moč elektroobločnih peči, saj se njihova prilagodljivost kaže v tem, da je tako peč mogoče ustaviti brez večjih tehnoloških posledic sredi tehnološkega procesa: v času taljenja za nekaj deset minut, v času razta-Ijenega vložka za nekaj minut. Pred vakokratnim pričet-kom nove šarže pa prekinitev obratovanja lahko traja tudi več ur oziroma z predhodnimi organizacijskimi uskladitvami več dni. Zaradi opisanih možnosti prilagajanja porabe električne energije možnostim dobave lahko taki porabniki nastopajo v elektroenergetskem sistemu kot rezerva moči. Take možnosti poseganja v tehnološki proces omogočajo računalniško vodenje moči energetskega sistema železarne neposredno „on line". Merijo se porabe električne energije posameznih peči in skupna poraba železarne, ugotavljajo se tehnološke faze po pečeh, primerjajo se dejanski trendi porabe s predvidenimi v vsakem četrturnem obdobju tolerančnega obremenitvenega profila, na podlagi spoznanega modela in v program vstavljenih parametrov se nato znižajo potrebne obremenitve ali popolnoma prekine obratovanje peči z direktnim posegom računalnika v regulatorje moči obločnih peči.
Opisano delovanje sistema vodenja, imenovano tudi Povver Managment, zahteva vnaprej poznan tolerančni profil; postavlja se vprašanje določitve optimalnega nivoja moči kot ravnotežja med stroški za plačano angažirano električno moč in stroški za zastoje v proizvodnji jekla. Ekonomski vpliv na celotno predelovalno verigo jekla je mogoče neposredno ugotavljati le s časovno odvisnimi parametri, ki ponazarjajo efekte medfaznih zalog.
ENERGIJSKE KARAKTERISTIKE
Energijske razmere elektroobločne peči za čas od preboda do preboda najbolje prikazuje Sanky-jev diagram na SI. 5, kjer pomeni:
dovedena
energija: We (kWh/t)
Wre (kWh/t) Wg (kWh/t) Wrek (kWh/t) porabljena energija: Wo (kWh/t) Wž (kWh/t) Wizg (kWh/t)
električna energija, merjena na pečnem transformatorju sproščena reakcijska toplota toplota iz goriva predgrevanja rekuperacijska toplota
entalpija jekla entalpija žlindre toplotne izgube
Če si izračunamo karakteristične deleže iz zgoraj prikazanih vrednosti, dobimo:
Rre: razmerje med sproščeno rekacijsko toploto in entalpijo jekla;
Rizg: razmerje med toplotnimi izgubami in entalpijo jekla;
Rž: razmerje med entalpijo žlindre in entalpijo jekla;
Renel: razmerje med entalpijo jekla in žlindre ter elektr. energ.;
Rter: razmerje med antalpijo jekla in žlindre ter celotno dovedeno energijo.
V tabeli II zbrani podatki za RP (klasična peč) in UHP (močnostna peč) kažejo na značilne razlike oziroma vrednosti.
Tabela II: Karakteristične toplotnotehnične vrednosti obtočne peči
Wrek
We
Wre
Wg
Delež	RR EOP	UHP EOP
Rre	0,30-0,35	0,55-0,75
Rizg	0,70-1,30	0,65-0,90
Rž	0,15-0,25	0,10-0,20
Renel	0,55-0,75	0,85—1,00
Rter	0,50-0,60	0,60-0,65
Iz podanih toplotnotehničnih vrednosti, dobljenih iz energijskih bilanc več kot 50 elektroobločnih peči, lahko zaključimo:
—	da se v modemih UHP EOP bistveno povečuje delež rekacijske toplote v entalpiji jekla, kot posledica intenzificirane porabe kisika v peči oziroma uporabe dodatnih energijskih nosilcev;
—	da se delež toplotnih izgub z moderno tehnologijo kratkih izdelovalnih časov zmanjšuje kljub uvedbi vod-nohlajenih sten in vodnohlajenih obokov;
—	da se energijska potreba za tvorbo žlindre z moderno tehnologijo izdelave jekla zmanjšuje;
—	da se delež električne energije v entalpiji jekla povečuje: moderna UHP peč dosega več kot 100 % izrabo električne energije, kar pomeni, da pokrivamo z drugimi energijskimi nosilci vse toplotne izgube EOP in še del potrebne entalpije jekla oziroma žlindre;
—	da se pri modrnih pečnih agregatih izboljšuje njihov termični izkoristek, zaradi boljših ognjevzdržnih in izolacijskih materialov, kakor tudi kratkih izdelovalnih časov.
Pri računanju energijskih bilanc elektroobločne peči se uporabljajo naslednje vrendosti karakterističnih fizikalnih veličin:
—	specifična toplota vložka
za segrevanje od 20° C na 1525° C	298 kWh/t
—	specifična talilna toplota	56 kWh/t
—	specifična toplota taline
za segrevanje od 1525°C na 1550° C	6 kWh/t
Skupaj
360 kWh/t
Specifična toplota žlindre se glede na 1600°C in na različno sestavo giblje med 550 kWh/t in 630 kWh/t.
Energijske bilance elektroobločnih peči različnih avtorjev kažejo, da je vsota eksotermnih reakcij (oksidacija C, Si, Mn, Cr, Al, Fe, P, S) in endotermnih reakcij (diso-ciacija FeSi, CaC03, MgC03) vedno pozitivna. Ker ima največji vpliv na rezultat bilance oksidacija ogljika, se energijski vpliv ogljika v elektroobločni peči enostavno ugotavlja s količino v peč vpihanega kisika. Z upoštevanjem entalpije dimnih plinov pri 1000°C nam oksidacija ogljika da:
C + 1/2 02 — CO + 1,43 kWh/m3 - 0,39 kWh/m3 = 1,04 kWh/m3
C + 02 — C02 + 4,95 kWh/m3 - 0,62 kWh/m3 = 4.33 kWh/m3
Razmerje C0/C02 je odvisno od ravnotežja teh plinov s Fe in Fe oksidi, ki vlada pri določeni temperaturi v peči, zato se računa s srednjo energijsko vrednostjo 1 m3 kisika 3 kWh. Pri količini kisika, ki se v teku izdelave šarže porabi v peči (15 m3/t—30 m3/t), pomeni to energijsko vrednost od 50 kWh/t do 100 kWh/t. S povečevanjem količine vpihanega kisika raste tudi potreba po ogljiku, ki se ga zato dodaja v peč. Ker razogljičenje taline poteka z burno reakcijo, omejuje kipenje taline hi-
Wbw-V*»Wre.Wg.W r
VVfctfc-VVfo.VVŽ.VVizg

Wizg
Slika 5:
Sanky-jev diagram energijskih tokov v obločni peči Fig. 5:
Sanky's diagram of energy flovvs in the are furnace
trost zgorevanja ogljika na 40 kg/m2h. Tako nastala kipeča žlindra zaslanja električni lok in zelo ugodno vpliva na toplotne razmere v obločni peči.
Cenen zemeljski plin je prodrl v obločno peč Ifot dodatni energijski nosilec, tako zaradi ekonomskih kot tehnoloških prednosti. Zgorevanje plina s pomočjo visoko-hitrostnih oxy-fuel gorilnikov je posebno v začetni fazi taljenja ugodno, ker pomaga raztaliti vložek v conah med elektrodami in tako pripomore k hitremu zaključku taljenja. Ob koncu taljenja pa izkoristek takega segrevanja zaradi visokih temperatur v peči zelo pade, zato se uporablja izključno le v začetku taljenja. Energijsko pomeni 1 m3 zemeljskega plina ca. 6 kWh. Izkustveni podatki govore o skrajšanju taljenja zaradi uporabe zemeljskega plina v obločni peči do 10 % časa taljenja.
Predgrevanje vložka izven elektroobločne peči je razširjeno predvsem v deželah severne Evrope, ker zagotavlja sušenje vložka. Vedno dražji zemeljski plin pri tem skušamo nadomestiti s toploto plinov, izhajajočih iz peči. Naprave za tako izkoriščanje odpadne toplote so investicijsko in prostorsko zahtevne, doseženi efekti govore o vrnjeni toplotni vrednosti med 30 kWh/t in 50 kWh/t, maksimalna dosežena vrednost pa je 80 kWh/t.
Glede na teoretsko potrebno specifično energijo, ki jo je potrebno dovesti v vložek v peči, da se ta raztali in segreje na zahtevano temperaturo, lahko ugotovimo ustrezno moč pečnega transformatorja: 1,1 -Wo-no-Tv [(<VA]
Pn,—
kjer so: Wo (kWh/t) —
no	—
nt	—
nel	—
cos (p t	— Tv(t)
nt-nel-cos <p t-tt
specifična energija Wo = 360 kWh/t delež električne energije no = 0,80 toplotni izkoristek v času taljenja
nt = 0,71
električni izkoristek v času taljenja
nel = 0,86
fazni faktor taljenja	cos cp t = 0,83
teža vložka
Tt(h)	— čas taljenja
Pnt (kVA) — nazivna moč pečnega transformatorja
Ob upoštevanju običajnih vrednosti se zgornja enačba poenostavi:
p„, = ^p[kVA/t]
kar pomeni, da nam specifična moč pečnega transformatorja 625 kVA/t da čas raztalitve 1 uro; v tem primeru torej lahko govorimo o enourni UHP peči. Razpon elek-troobločnih peči se glede na specifično moč širi od 200 kVA/t do 1000 kVA/t, kar ustreza časom taljenja med 3,5 uro in 40 min.
Podrobnejša raziskava toplotnega izkoristka obločne peči v času taljenja se naslanja na raziskave več kot 100 obločnih peči v Evropi; upoštevaje zakonitosti geometrijske rasti velikosti elektroobločne peči, dobimo za toplotni izkoristek naslednji izraz:
,Xo'X
etaen = -
nel-Wo
Wo + 82,8Tv-04tt
EOP	1 h	2 h	3 h
(t)	etaen (kWh/t)	etaen (kWh/t)	etaen (kVVh/t)
10	0,787 (458)	0,726 (496)	0,674 (534)
30	0,811 (444)	0,768 (469)	0,730 (493)
50	0,820 (439)	0,784 (459)	0,751 (480)
70	0,824 (437)	0,792 (545)	0,763 (472)
90	0,828 (435)	0,798 (451)	0,771 (467)
110	0,830 (434)	0,803 (449)	0,777 (463)
Za določitev elektroenergetskih parametrov pri taljenju so najvažnejše induktivne in ohmske upornosti pečnega tokokroga, ugotovljene z meritvijo kratkega stika peči. Te niso vplivno odvisne od zakonov geometrijske rasti obločne peči; karakteristične vrednosti induktivnih upornosti so:
—	pri obločnih pečeh 5 t—10 t
—	pri obločnih pečeh 251—100 t
X = 3,5—5,5 mohm X = 2,5—3,5 mohm
Pri tem se razmerja med induktivno in ohmsko upornostjo gibljejo med vrednostmi 3 do 10; vse navedene vrednosti so reducirane na sekundarno stran pečnega transformatorja in upoštevajo tudi upornosti napajalne mreže.
TALJENJE V REALNIH RAZMERAH
V elektroobločni peči nastajajo v času taljenja posebne razmere, ki so posledica slabših jonizacijskih pogojev pri gorenju loka. Zdi se, kot da so se v elektroenergetskem krogu peči kot posledica nesinusnih oblik elektrodnih tokov in napetosti povečale njihove nadomestne induktivne in ohmske upornosti, zato govorimo o obratovalnih vrednostih teh upornosti, oziroma o razmerju med obratovalno in kratkostično induktivno upornostjo. Na si. 6 imamo prikazan značilen primer, kjer se vidi, kako to razmerje v začetku taljenja vsake posamezne košare naraste (od cca 1,30) in se nato s stopnjo raztalitve zmanjšuje na končno vrednost (na ca. 1,057). Pri ugota-
					
Vi					
					
					
					
					
Rezultati, ki jih dobimo s pomočjo navedenega izraza, so prikazani v tabeli III.
Tabela III: Toplotni izkoristki elektroobločne peči v času taljenja (etael= 0,859)
0	3	6	9	12	15	18
ttminl
Slika 6:
Razmerje med obratovalno in kratkostično induktivno upornostjo elektroobločne peči
Fig. 6:
Relationship between the operational and the short-circuit in-ductive resistance of the electric are furnace
vljanju potreb po najvišji napetosti taljenja je zato potrebno upoštevati obratovalno induktivno upornost, navidezno moč taljenja in fazni faktor taljenja, kot sledi:
U
= ]/PnrXo [v] " sin cp
Razmerje med največjo in najmanjšo napetostjo je odvisno predvsem od potrebne moči za vzdrževanje končne temperature v peči in je izkustveno 3:1. Pripadajoči tok taljenja je:
y VPn.-sintp ' 3X0
[A]
Maksimalne vrednosti napetosti in tokov taljenja za rzalične moči pečnih transformatorjev so prikazane na si. 7. Vrednosti so računane za fazni faktor cos(p = 0,707, kjer dobimo najnižjo napetost taljenja.
								
	'1,3 «			t®.				t—-"
								bi-
				»				
/		>						
f	/s /					---	u j	
								
12 It 2 L 30 36 12 it
-IM«)
Slika 7:
Maksimalne vrednosti napetosti in tokov taljenja elektroobločne peči
Fig. 7:
Maximal values of voltages and of currents during melting in the are furnace
■ 00 ci	0,2 03 04 05 06 07 08 09
Slika 8:
Realen krožni diagram elektroobločne peči Fig. 8:
Real oircle diagram of the electric are furnace
U) Ql <W 0.3 OA 03 0,6 0,7 00 0S
Slika 9:
Realen obratovalni diagram elektroobločne peči Fig. 9:
Real diagram of the arc-furnace operation
Zaradi opisanega navideznega povečevanja obratovalne induktivne upornosti se ob nespremenjeni napetosti taljenja znižuje delovna moč taljenja oziroma se znižuje obratovalni fazni faktor, kot to kaže realni krožni diagram na si. 8 oziroma realni obratovalni diagram na sl. 9
Kot je razvidno iz dosedanjih izvajanj, nam časa taljenja ne skrajšuje samo močnejši pečni transformator ali njegovo čimvišje preobremenjevanje oziroma optimalno nastavljena elektrodna regulacija, ki naj po vsaki motnji v čim krajšem času izravna moč taljenja na nastavljeno vrednost, ali optimalno izbran vložek, ki omogoča, da se na dnu peči ustvari dovolj velika luža taline, ki zagotavlja večjo enakomernost obratovanja peči, temveč tudi srednji cos tp v času taljenja. Z njim je namreč pri določeni obratovalni upornosti definirano obratovalno mesto na krožnem oziroma obratovalnem diagramu obločne peči. Vsako povečanje faznega faktorja v času taljenja pomeni povečanje specifične moči taljenja ob nespremenjeni moči transformatorja, vendar pa tu jasne elektroenergetske zahteve zadenejo ob konstrukcijske in tehnološke omejitve.
Fazni faktor nad 0,86 povzroča nestabilno gorenje električnega loka: lok v vsaki polperiodi ugasne, ker je ob prehodu toka skozi nič vsakokratna vrednost sinusne napetosti nižja od vžigne napetosti loka. Visok cos <p pomeni tudi dolg električni lok, kar je drugi vzrok nestabilnega obratovanja, saj so pri tem jonizacijski pogoji za gorenje loka slabi; lok ob najmanjši spremembi ugasne; da pa se ponovno prižge, mora elektroda prepotovati več cm, kar pomeni izgubljen čas, prekinjeno obratovanje ene elektrode pa se posredno odrazi tudi pri zmanjšanju moči na preostalih dveh elektrodah. Govorimo o
nemirnem obratovanju peči v času taljenja, kar vpliva na zmanjšanje povprečne moči taljenja. Taljenje z dolgim lokom je zato možno le v drugih treh četrtinah časa taljenja ob pogoju, da je lok zakrit z vložkom. Z erozijskim indeksom definirana toplotna obremenitev obzidave dosega svoje najvišje vrednosti pri faznih faktorjih 0,82 do 0,86, zato so klasične UHP peči s standardno obzidavo smele obratovati z nazivnimi elektrodnimi tokovi le pri cos (p = 0,58—0,64 oziroma je bil iztek taljenja z nezakri-tim lokom pri običajnih pečeh najbolj problematična faza taljenja. Šele sodobne močnostne peči, ki so opremljene tako z vodno hlajenimi stenami kot tudi z vodno hlajenim obokom, morejo obratovati brez težav s faznimi faktorji med 0,80 in 0,84. Posebna tehnologija taljenja s preostankom taline omogoča ugodne efekte taljenja z dolgim lokom: po tem, ko so elektrode prodrle v vložek oziroma do preostale taline na dnu peči, se vložek tali od spodaj navzgor s polno močjo in z veliko stabilnostjo. Pri uporabi peneče žlindre je mogoče obratovati z dolgim lokom tudi v fazi raztaljenega vložka, kar zagotavlja tudi tej fazi ugodne toplotnotehnične razmere.
Iz obratovalnega diagrama na sl. 9. je razvidno, da obstaja obratovanje, kjer dosežemo najhitrejšo raztalitev (največja moč na loku j,), kakor tudi obratovanje, kjer raztalimo vložek z najmanj električne energije (največji energijski izkoristek jn). Elektrodni tokovi se pri teh obratovalnih mestih med seboj razlikujejo za idealne razmere v peči, kakor tudi za realna stanja. Najenostavneje jih je mogoče definirati s pripadajočim cos <p. Izračunan primer konkretnih razmerij takih stanj je prikazan v tabeli-IV.
Tabela IV: Ekstremne vrednosti moči na loku in energijskega izkoristka ter pripadajoči elektrotehnični parametri
Maksimalna moč loka Ideal. Real.
Maksim. energ.
izkoristek Ideal. Real.
Relat. tok	0,646	0,610	0,424	0,406
cos (p	0,763	0,713	0,906	0,851
Relat. del. moč	0,493	0,435	0,384	0,346
Rel. moč loka	0,424	0,372	0,354	0,318
Rel. el. izgube	0,070	0,062	0,030	0,027
Energ. izkorist.	0,764	0,749	0,922	0,921
Izkorist. časa	1,000	1,000	0,814	0,834
V navedeni tabeli se relativne vrednosti toka nanašajo na tok idealnega kratkega stika, relativne vrednosti moči pa na moč idealnega kratkega stika. Energijski izkoristek upošteva električne in toplotne izgube, časovni izkoristek pa izrabo moči glede na maksimalno moč loka.
Prave vrednosti tokov in moči taljenja so odvisne tako od napetosti taljenja kakor od induktivnih upornosti celotnega tokokroga peči; vsaki napetostni stopnji lahko priredimo obratovalno stanje največje delovne moči na loku oziroma obratovalno stanje z največjim energijskim izkoristkom peči. Če ležijo ta stanja nad dovoljeno močjo pečnega transformatorja, tako obratovanje ni možno; v tem primeru je potrebno znižati talilno napetost in obratovati s tako dolgim lokom, kot je še dopustno glede na stabilnost taljenja. Za dosego najkrajšega taljenja je važna višina vsakokratne moči loka kakor tudi njena dosežena povprečna vrednost. Šele po izboru najprimernejše talilne napetosti se odpre vprašanje pravilne namestitve talilnega toka.
Iz tabele IV se da razbrati, da bomo s taljenjem pri toku j = 0,406 (cos (p =0,851) dosegli sicer največji energijski učinek, vendar pa bo zaradi nižje moči, ki ga tako obratovanje zahteva, trajalo taljenje 12 % dalj od taljenja
pri največji moči na loku. Pri maksimalni moči na loku j = 0,610 (cos <p =0,713) pa bo energijski učinek 4,7% slabši od maksimalnega. Očitno je, da leži optimalno taljenje nekje med obema vrednostma, določa ga najnižja skupna vrednost stroškov za porabljeno energijo in stalnih (kapitalnih) stroškov za porabljen čas pri taljenju oziroma razmerje teh stroškov s stroški za teoretsko specifično porabo električne energije.
TALJENJE Z NAJNIŽJIMI STROŠKI
Poglobljena analiza optimalnega obratovanja (taljenja) mora poleg elektroenergijskih in vseh fiksnih stroškov upoštevati še one, na katere lahko z načinom obratovanja vplivamo: to so predvsem stroški obzidave in stroški za porabo grafitnih elektrod. V tabeli V je prikazana karakteristična sestava navedenih stroškov, kot nastopajo pri proizvodnji jekla v domačih in zahodnoevropskih razmerah.
Tabela V: Deleži stroškov pri proizvodnji jekla
	SRS	BRD
1. Stroški električne energije	35%	50%
2. Kapitalni-fiksni stroški	10%	15%
3. Stroški ognjestalnega materiala	10%	5%
4. Stroški grafitnih elektrod	45%	30%
	100%	100%
Relativni energijski stroški v času taljenja elektroobločne peči Fig. 10:
Relative energy costs during melting in the electric are furnace
Glede stroškov ognjevarnega materiala v elektro-obločni peči lahko po splošno uveljavljeni metodi računamo, da so ti sorazmerni toplotni obremenitvi obzidave, izraženi z erozijskim indeksom. Če vpliv različnih izdelovalnih tehnologij upoštevamo s korekcijskim faktorjem ter vpeljemo razmerje s stroški teoretske porabe električne energije, je delež stroškov obzidave sorazmeren razmerju vsakokratnega erozijskega indeksa z njegovo maksimalno vrednostjo.
Podobno lahko tudi za stroške porabe elektrod ugotavljamo njihov delež v elektroenergijskih stroških. Delež je predvsem v fazi taljenja sorazmeren kvadratu toka taljenja; ker menimo, da dobimo najkrajše taljenje pri obratovanju s tokom, ki zagotavlja maksimalno moč na loku, računamo pri optimiranju stroškov z ustreznim razmerjem dejanskega toka proti toku maksimalne moči na loku.
S si. 10 je vidno, kako prikazano razmerje (A) vpliva na spremembo stroškovno optimalnega toka: nizko raz-
0. s

0, B
0, 2
0, 1
0,0
0,0 0.7 O.t 0,6 0,8 1,0
A =	0,5 C = 1.0
0, 5
0. 3
0, 1
0. 1
0,0
0,0 0.2 0,1. 0,6 0,8 1,0
A - 1,0 C = 1, 0 ' Slika 11:
Relativni energijski stroški ob začetku taljenja Fig. 11:
Relative energy costs at the beginning of melting
			B =0 B=0.5 B = 1	
			B = 2 B = 1 B = 8	
	/		\ \\	
N'			- ^v	\ :i
l"				i
merje stroškov (A) pomeni visoke energijske stroške v primerjavi s stroški proizvodne kapacitete, zato leži opti-mum le nekaj nad obratovanjem, kjer dobimo največji energijski izkoristek; visoko razmerje stroškov (A), ki pomeni visok strošek kapitala v primerjavi s stroški električne energije, pa premika optimum proti obratovalnemu mestu, kjer dosegamo največjo električno moč na loku. Relativni elektroenergijski strošek (ns) označujemo kot delež teoretskih elektroenergijskih stroškov v skupnih stroških pretalitve. Najnižji skupni stroški nastopajo torej takrat, ko doseže relativni elektroenergijski strošek svojo maksimalno vrednost.
Rezultate računalniškega iskanja stroškovnega obratovalnega optimuma, ki upošteva vse štiri nastopajoče stroškovne zakonitosti, kaže skupina diagramov na si. 11, kjer so prikazane razmere na začetku taljenja, in na si. 12, kjer so prikazane razmere ob koncu taljenja.
o , 5
0. t 0.3
0. 2
0 , 1
0,0
0,0 0 ,? 0.U 0,6 0.8 1, 0
A = 0, 5 C - 1, 0
0 , S
0,t o , 3
0 , 2
0 , 1
0 , 0
0,0 0,2 0,i 0,6 0,8 1,0
A -1,0 C - 1 . 0 Slika 12:
Relativni energijski stroški ob koncu taljenja Fig. 12:
Relative energy costs at the end of melting
Pri tem pomeni B razmerje stroškov obzidave proti stroškom teoretske porabe električne energije, C pa razmerje stroškov porabe grafitnih elektrod proti stroškom teoretske porabe električne energije.
Kot je razvidno iz zgornjih slik, nastopa bistvena razlika pri stroškovno optimalnem taljenju med začetkom oziroma koncem taljenja. Razlike nastajajo zaradi velike popačitve sinusnih vrednosti tokov v začetku taljenja, kar se odraža v povečani obratovalni induktivnosti, kakor tudi v majhnih toplotnih izgubah in nizkih vrednostih za razmerje B, kot posledica velike zaslonitve loka z vložkom.
Konec taljenja označujejo: velike toplotne izgube, manjše povečanje obratovalne induktivne upornosti in večje vrednosti stroškov ognjevzdržnega materiala. S slikovnega prikaza lahko razberemo, da zahtevajo visoki stroški za obzidavo (klasična UHP EOP) optimalno obratovanje z visokimi tokovi oziroma nizkimi cos (p; da pa nizki stroški obzidave (vodno hlajeni paneli) omogočajo doseganje najnižjih stroškov z obratovanjem pri daljšem loku, t. j. pri cos <p >0,80.
Na sl. 13 so prikazane optimalne vrednosti toka (cos (p ) pri stroškovnem optimiranju za različna, v praksi nastopajoča stroškovna razmerja A, B, C v odvisnosti od toplotnih izgub. Vidimo, da večina stroškovno optimalnih vrednosti leži med obratovalnimi mesti maksimalne moči na loku in maksimalnega energijskega izkoristka. Izredno veliki stroški za porabo elektrod lahko npr. premaknejo stroškovni optimum preko toka maksimalnih energijskih izkoristkov k višjim cos ep, med tem pa lahko izredno visoki stroški za ognjevarno obzidavo zahtevajo premik k obratovanju pod cos (p < 0,700. V splošnem velja, da zahtevajo naraščajoče toplotne izgube obratovalni premik k maksimalni moči loka, ne glede na veljavna stroškovna razmerja. Iz povedanega je mogoče ugotoviti, da poteka taljenje vložka v elektroobločni peči v spremenljivih pogojih. Za stroškovno optimalno vodenje taljenja je bistveno, kako se posamezni vplivni dejavniki časovno spreminjajo oziroma kako so odvisni od stopnje gotovosti tehnološkega procesa. Da obratovalna induktivna upornost s časom taljenja pada, potrjujejo rezultati opravljenih meritev; linearno naraščajočo odvisnost lahko predpostavimo tudi za stroške obzidave. Največ negotovosti je pri ocenjevanju časovnega poteka toplotnih izgub: v splošnem lahko trdimo, da toplotne izgube s stopnjo raztaljenosti vložka rastejo.
Teorija energijskih in stroškovnih obračunov v času taljenja omogoča vrednotenje različnih scenarijev talje-
Stroškovno optimalne vrednosti relativnih tokov in pripadajočih
cos <p.
Fig. 13:
Optimal-cost values of relative currents and corresponding cos (p
				
	8=0 8=0, 8= 1			
	B= 2 B=t B= 8			
			■.v.	
			N	\
				
	B = 0 B = 0 P=1	5		
	B = ? B=t B= 8			
				
	š r		_	« 1
nja. Numerična integracija vseh časovno spremenljivih parametrov daje:
—	potreben čas taljenja,
—	srednje relativne energijske izgube,
—	srednje deleže stroškov za ognjevzdržen material, za porabo grafitnih elektrod in fiksnih stroškov,
—	vsakokratno stroškovno optimalno vrednost toka taljenja oziroma pripadajočega cos <p.
Primerjava med stroškovno optimalnimi procesi in klasičnimi načini taljenja (konstanten tok, linearno ali časovno koračno spreminjanje toka) kaže, poleg tega da je
Dobljeni rezultati kažejo:
—	da se za začetek taljenja zahtevajo skoraj nedosegljivo visoki fazni faktorji,
—	da fazni faktorji s stopnjo raztalitve vložka padajo in so ob koncu taljenja najnižji,
—	da vsa ona cenovna razmerja, ki zahtevajo nižje vrednosti stroškovno optimiranih tokov taljenja, podaljšujejo čas pretaljevanja.
Kolikšni so relativni prihranki stroškovnega optimira-nja, nam pove elastičnost funkcije skupnih stroškov v bližini njene ekstremne vrednosti. Če predpostavimo 10% odstopanje toka taljenja od njegove optimalne vrednosti, velja za začetek taljenja, da je stroškovno optimalno vodenje procesa ca. 0,5 % cenejše, ob koncu taljenja pa nam stroškovno optimalno vodenje lahko prinese več kot 10 % prihranka.
MOŽNA PROIZVODNJA
Pri obravnavanju možne proizvodnje elektroobločne peči je potrebno upoštevati izdelovalni čas šarže t. j. čas za raztalitev vložka in čas, ki ga zahteva tehnologija izdelave določene kvalitete jekla do izliva šarže, kakor tudi vse ostale manipulacijske »mrtve« čase. Torej velja: tš = tt + to pri čemer je to = tr + tm in so:
tš (h) — čas šarže tt (h) — čas taljenja to (h) — ostali izdelovalni čas tr (h) — čas rafinacije tm (h) — čas manipulacij
Proizvodnja jekla v elektroobločni peči je diskuntinui-rani proizvodni postopek, ki ga prekinjajo številni predvidljivi in nepredvidljivi dogodki. Tako lahko predvidimo:
—	generalno popravilo ognjevzdržne obzidave in zamenjavo oboka peči,
—	zamenjavo oziroma podaljšanje grafitnih elektrod,
—	planirana vzdrževalna dela pri strojnih in elektrotehniških napravah.
stroškovni optimirano taljenje najcenejše taljenje, da pri klasičnem taljenju na dolžino taljenja ne vplivajo stroškovna razmerja: dolžina talilnega procesa je določena s potrebno razliko med dovedeno energijo in energijo izgub, Stroškovno optimiranje pa zahteva vsakokratnemu stanju stroškovnih in energijskih parametrov ustrezno dovajanje energije, zato neposredno vpliva tudi na trajanje taljenja. V tabeli VI so zbrani časi taljenja in začetne ter končne vrednosti faznih faktorjev za nekaj značilnih primerov cenovnih razmerij. Vrednosti so dobljene na podlagi predpostavljenih linearnih zakonitosti spreminjanja vplivnih parametrov.
Nepredvidljivi dogodki pa so:
—	sprotna popravila ognjevzdržne obzidave,
—	strojniška in elektrotehniška vzdrževalna opravila,
—	čakanje zaradi nepredvidljivih zastojev v pretoku materiala in energije.
Iz dnevnih, mesečnih in letnih koledarskih delovnih ur zato ne moremo določiti povprečnega trajanja ene šarže, ne da bi pri tem upoštevali ustrezno izrabo časa, s katero upoštevamo za proizvodnjo izgubljene čase. Faktor izrabe časa je definiran:
. tp tv + tč
n. = 1--*---
N • tš tš
pri čemer je:
tp (h) — čas za obnovo obzidave N — število šarž med dvema obnovama obzidave tv (h) — čas vzdrževalnih opravil v obdobju ene šarže tč (h) — čas čakanja v obdobju ene šarže
Na si. 14 je prikazana izraba časa pri proizvodnji jekla v obločni peči v odvisnosti od števila obratovalnih ur
--N lj h
Slika 14:
Faktor izrabe časa pri proizvodnji jekla v obločni peči Fig. 14:
Factor of timeyield in making steel in the electric are fumace
Tabela VI: Časi taljenja ter začetne in končne vrednosti cos <p stroškovne optimizacije
A	B	C —1,0			C = 2,0			C = 4,0		
		tt (h)	cos (p z	cos (p k	tt (h)	cos (p z	cos tp k	« (h)	cos cp z	cos <p k
0.5	1,0 2,0	0,847 0,816	0,936 0,936	0,850 0,818	0,946 0,901	0,954 0,954	0,878 0,854	1,103 1,048	0,969 0,969	0,901 0,891
1,0	1,0 2,0	0,809 0,786	0,915 0,915	0,838 0,822	0,874 0,849	0,936 0,936	0,871 0,849	0,996 0,968	0,956 0,956	0,899 0,885
med dvema popraviloma ognjevzdržne obzidave za značilen primer trajanja obnove obzidave tp = 20 h in za različne vzdrževalne oziroma čakalne časa. Praviloma je izraba časa za večja časovna obdobja večja: pri določitvi letnega faktorja izrabe časa moramo upoštevati vse one mrtve čase, ki bodo nastopili v celoletnem obdobju, pri določitvi mesečnega faktorja pa one, ki se pojavijo v toku enega meseca. Nastopanje dogodkov, ki pomenijo zastoj proizvodnje, pa ni premosorazmerno s časom, ampak je odvisno od verjetnosti, ki opisuje zakonitosti teh dogodkov, imenovana tudi komulativna Poissonova porazdelitev. Če predpostavimo, da sodeluje v proizvodnem sistemu elektroobločna peč — jeklarna tolikšno število elementov s takšnim faktorjem izpada, da bo z verjetnostjo p = 0,995 v teku enega dne nastal en dogodek, ki pomeni zastoj proizvodnje, bodo pri enaki verjetnosti nastali v teku enega meseca štirje takšni dogodki, v teku enega leta pa ca. petdeset. Glede na velikost opazovanega obdobja procentualni deleži zastojev padajo, faktor izrabe časa pa zato raste. Če poleg opisane izrabe časa upoštevamo še izkoristek (i) kot delež odlitega jekla v masi metala ene šarže, lahko definiramo kot letno proizvodnjo elektroobločne peči:
Tabela VII: Letna možna proizvodnja elektroobločne peči (t)
Q1 = nlič • i - Tv ■ tl/tš Z upoštevanjem že izvedenih relacij pa dobimo končno obrazec
Q1 = nlič-i--—
625 , .
--h tO
pnt
Pri čemer so:
nlič	— letna izraba časa
i	— izplen
Tv (t)	— teža vložka
ti (h)	— letne obratovalne ure
tš (h)	— čas šarže
to (h)	— ostali čas
ptn (kVA/t) — specifična moč pečnega transformatorja
Na podlagi tipičnih vrednosti za izkoristek i = 0,88 ter za letno izrabo časa nlič = 0,78 so v tabeli VII zbrane vrednosti letne možne proizvodnje elektroobločnih peči pri različnih tehnoloških postopkih (to) in pri različnih letnih obratovalnih urah (ti).
	ptn		Tv = 30t			Tv = 50t			Tv = 70t	
	(kVA/t)	to = 1h	to = 1,5h	to = 2h	to = 1h	to= 1,5h	to = 2h	to = 1h	to = 1,5h	to = 2h
	200	41900	37400	33700	69800	62300	56200	97800	87200	78700
JC o	300	56100	48200	42300	93400	80400	70500	130800	112500	98800
s	400	67400	56400	48500	112400	94100	80800	157400	131700	113200
CO	500	76800	62800	53200	128000	104700	88600	179200	146700	124100
II	600	84700	68000	56800	141100	113300	94700	197500	158700	132600
	700	91300	72200	59800	152200	120000	99500	213100	168500	139500
	200	29900	26700	24100	49900	44500	40100	69800	62300	56200
	300	40000	34500	30200	66700	57400	50400	94300	80400	70600
§	400	48200	40300	34700	80300	67200	57800	112400	94100	80900
<o	500	54900	44900	38000	91500	74800	63300	128100	104800	88600
II	600	60500	48600	40600	101800	80900	67600	141100	113400	94700
	700	65300	51600	42700	108700	86000	7110Q	152200	120400	99600
Pri obravnavi »ostalega« časa izdelave šarže je potrebno vedeti, kakšna jekla se v elektroobločni peči izdelujejo in kakšna tehnologija se pri tem uporablja. Pri klasični tehnologiji izdelave nizkolegiranih jekel se po razta-litvi izvede oksidacija z vpihovanjem kisika v talino, nato se z ustrezno stopnjo bazičnosti žlindre ob pravilnem segrevanju izvrši odfosforenje in delno odžveplanje. Pri popolnejši rafinaciji je potrebno zamenjati oksidacijsko (črno) žlindro ter desoksidirati talino, nadaljnje odžveplanje in redukcija z belo žlindro pa zahteva zaradi počasnih difuzijskih procesov dolge izdelovalne čase. Moderni hitri postopki pospešujejo predvsem difuzijske procese z vpihovanjem praškastih dodatkov ter s sprotno menjavo črne žlindre; tudi sifonski ali ekscentrični izliv šarže omogočata hitro ločitev žlindre od jekla, z dodajanjem legur in končnih desoksidantov v ponovco pa se izdelovalni čas skrajša pod 1 h. V kombinaciji z izvenpo-novčno sekundarno ali konvertorsko tehnologijo je bila razvita vrsta postopkov in naprav (AOD, VOD, RH, DH), ki so omogočili doseganje zelo nizkih vrednosti C, H, N, S, P, s to prednostjo, da se v elektroobločni peči izvede le raztalitev in segretje taline na določeno temperaturo ter eventuelna oksidacija in odfosforenje.
Tehnologija izdelave visokolegiranih kromovih jekel z nizkim ogljikom temelji na preprečevanju oksidacije kroma pri istočasnem razogljičenju taline. Po klasičnem postopku je bilo to mogoče doseči le z intenzivnim vpiho-
vanjem kisika v talino ter z segrevanjem te nad 1900° C, kar je zahtevalo zato dodatne desoksidacijske postopke, hlajenje pregrete taline z nizkoogljičnim vložkom ali s ferokromom pa je dražilo proizvodnjo. Z moderno vakuumsko oksidacijo v posebni ponovci dosežemo pri znižanem pritisku dobro oksidacijo ogljika, ne da bi pri tem utrpeli odgor kroma; prepihavanje taline z argonom omogoča homogenizacijo in hlajenje taline, izdelovalni čas v obločni peči se je pri tem reduciral le na taljenje vložka ter delno predoksidacijo.
Tudi pri tehnologiji izdelave visokolegiranih jekel se je izvršil premik od časovno zahtevne tehnologije z dvema žlindrama k izvenponovčnim postopkom, ki so obločni peči prepustili le taljenje in oksidacijo. V ponovci, ki ima sisteme za računalniško spremljanje celotnega procesa ter naprave za dogrevanje taline, se pod strogo nadzorovanimi pogoji — z avtomatskim doziranjem energije in metalnih oziroma nemetalnih dodatkov —, dosega zanesljiva ponovljivost izdelovalnih postopkov, ker je omogočilo zožitev legirnih toleranc ter izdelavo jekel z načrtovanimi fizikalnimi lastnostmi. V vsakem primeru postaja elektroobločna peč za proizvodnjo jekla vedno bolj le visoko produktivni, proizvodno zelo elastičen talilni stroj z odprtimi možnostmi nadaljnega izboljševanja vodenja procesa in zniževanja specifičnih materialnih in energijskih potroškov.
LITERATURA:
1.	B. Bovvman: Trends in electrical parameters of are steelma-king furnaces, Elektrowaerme International 37 (1979)
2.	E. Markvvorth: Elektrische Auslegung fuer neuzeitlihe Bet-riebweisen von Lichtbogenofen — Schmelzofen, Elektro-vvarme International 39 (1981)
3.	E. Markworth: Moeglichkeiten einer Leistungssteigerung beim Betrieb von Lichtbogen — Schrnetlzofen mit wasser-fuhrender Gefasszustellung, Stahl und Eisen 100 (1980)
4.	E. Schwabe: Electric furnace problems: design and opera-ting requirements for UHP are furnace melting prereduced charge materials, UIE 1976
5.	K. Schmermer: Verminderung des Eischmetlzstromver-brauches des Lichtbogenofens durch Ausnutzung der in Abgass enthaltene VVarme zum Schrotvervvarmen, Elektro-
warme International 39 (1981)
6.	H. Berger: Die elektrische und mechaniche Auslegung des Elektrolichtbogenofens, Radex Rundschau (1980) 1
7.	G. Pfeifer: Elektrische Auslegung und Ausrustung von Lichtbogenofen, Radex Rundschau (1984) 2
8.	S. Koele: Lineares elektrisehes Ersatzschaltbild von Dreh-stromlichtbogenofen, UIE 1984
9.	M. Sakulin: Studie uber die elektrische verhalten des Drei-fasenlichtbogenofen, UIE 1984
10.	J. Bratina: Optimalno obratovanje obločne peči za proizvodnjo jekla, Energetika in zaščita okolja u crnoj metalurgiji
1984
11.	F. Wheeler: The evaluation of are furnace performance, 42th Electric furnace conference, Toronto 1984
12.	J. Udoh: New EAF operating technology aiming at laborsa-ving, energysaving and costreduction in Japan, 4th Are furnace meeting, Budapest 1985
13.	M. Karbovvniczek: Optimatization of the work parameters of steelmaking process, 4th Are furnace meeting, Budapest
1985
14.	B. Bovvman: Optimum use of elektrodes in are furnace, Me-talurgical plant and technology 1, 1983
15.	R. Bulajič: Električki i toplotni parametri trofaznih lučnih peči, Nikšič 1986
Es wird die geschichtliche Entwichlung des Lichtbogenofens zur Erzeugung von Stahl uber die technischen und tech-nologischen Entvvichlungsphasen gezeigt. Durch diese war es moglich, die Bedeutung des Lichtbogen — Schmelzofens lau-fend zu steigern so, dass der Anteil von Elektrostahl an der VVeltrohstahlerzeugung inzvvischen schon nahe 25 % liegt. Die Elektroenergetischen Eigenheiten des Lichtbogen- Schmelzofens, dessen Einflusse auf das Speisungsnetz so wie die Be-triebsbedingungen im Bezug auf eine rationelle Ausnutzung elektrischer Leistung im elektroenergetischen System vverden angegeben. Ein Vergleich der energetisehen und vvarmetechni-schen Besonderheiten des ublichen (RP) und eines Hochlei-stungslichtbogenofens (UHP) bestatigen eine dauernd anwe-sende Tendenz zur bessern Energieausnutzung und hoheren Produktivitat des Ofens. Die Methode zur Bestimmung der reel-len elektrotechnischen Werte des Lichtbogen — Schmelzofens, bzw. der reellen Betriebszustande, welche von entsehei-dender Bedeutung fur die Fuhrung des Lichtbogenofens wah-rend der Einschmelzzeit, wie auch nach der Verflussigung der Einsatzstoffe sind, vverden angegeben.
Die Optimierung des Schmelzvorganges ist nicht nur auf die Bestimmung der Bedingungen zur Erreichung der grossten Lei-
stung am Lichtbogen oder fur eine maximale Energieausnutzung beehrankt, sondern breitet sich aus von der Energieopti-mierung auf die Kostenoptimierung, vvo neben der Kosten fur die elektrische Energie und der festen Kosten noch die Kosten fur das feuerfeste Material und den Verbrauch von Graphitelek-troden berucksichtigt vverden. Die Energie und Kostenberech-nungen im Verlauf einer Schmelzperiode bei varierenden Be-triebszustanden ermoglichen die Bevvertung versehiedener Ein-schmelzszenarien des Lichtbogenschmelzofens. Die Ergebnis-se der Kostenoptimierung bestatigen die Richtigkeit der Ofen-fuhrung eines klassischen Ofens, normaler Leistung (RP) bei niedrigem Leistungsfaktor cos ip <0,60 (kurzer Lichtbogen), bzw. die Richtigkeit der Ofenfuhrung eines modernen Hochlei-stungs — Lichtbogenofens mit wassegekuhlten VVandelemen-ten bei hohem Leistunsfaktor cos ep>0,82 (ianger Lichtbogen).
Anvveisungen fur eine Kostenoptimale Prozessfuhrung im gesamten Verlauf einer Schmelze vverden gegeben.
Eine mogliche Jahresproduktion des Lichtbogen — Schmelzofens in Hinsicht der Betriebszeitausnutzung, des Ein-satzgevvichtes, der speziphischen Leistung vom Ofentransfor-mator, und in Abhangigheit von den notigen Einschaltzeiten wird behandelt.
SUMMARY
Historical development of the electric are furnace for steelmaking is presented. Technical and operational improvements enabled that nearly 25 % of steel is produced in these furnaces in the vvorld. Further, electroenergetic characteristics of the furnace, their influence on the electric supply netvvork, and operational conditions in respect to rational use of electric power in the power system are given. Comparison of energy and heat-engineering characteristics of a regular-povver and ultra-high-povver furnace confirm the fact that the tendency to improve the electric yield and to increase the furnace output is stili pres-ent. Methods to determine the real electrical operational parameters of the are furnace, and thus the real electrical operational parameters of the are furnace, and thus the real operational conditions vvhich are essential during the burden melting and when burden is molten are given too. Optimising the opera-tion is not limited only to determining the conditions for achiev-
ing the highest povver of are or maximal energy yield but it is extended also to the optimization of costs taking in account cumsumption of refractory materials and graphite electrodes next to the energy and fixed costs. Energy and cost evaluations during the manufacturing process under variable operational conditions enable to appreciate various melting procedures in the are furnace. Results of cost optimization confirm that cor-rect operation of standard ultra-high-power are furnace is at low cos (p <0.60 (short are), and oorrect operation of modem are furnace with vvater-cooled panels at high cos (p >0,82 (long are); instructions for the optimal-cost control of the process during the complete manufacturing cycle are given. Also the annual output of are furnace from the vievvpoint of operational tirne, burden vveight, specific povver of furnace transformer, and necessary operational times is discussed.
3AK/TOMEHHE
ripuBeaeHO onncaHne MeTopM^eeKoro pa3BMTMfl 3/ieKTpn4e-cKOfl ayroBoPi ne^n a/in npon3BoacTBa CTa/in, a TaKme en t6xho-nonmecKMX m TexHvmecKi-ix <J>a3. Ee 6naronpM(nHbie CBOMCTBa /laflM B03M0>KH0CTb, mo Tenepb npn6n. oko/io 25 % MMpOBOrO np0M3B0flCTBa CTa;w Bbino/iHfleTcn b /iyr0B0M ne4M.
npuBeaeHbi sneKTposHepreTMHecKMe aaHHbie 3/ieKTpoayro-BO(i neMM, mx B/iMflHMe Ha nmatomee Hanpfl>neHMe, Taione yc;io-BMfl pa6oTbi hto KacaeTcn pauHOHa/ibHoro Mcnonb30BaHM a;ieK-TpMMeCKO^ MOLUHOCTH B 3/16KTp03H6pr6THHeCK0M CMCTGMbl.
CpaBHGHMe 3HepreTMHecKMx m Ten/i0TexHM4ecKux oco6eH-HOCT6 neMM 06biKH0BeHH0r0 o6"beMa (Regular Power) m nemi 6onbinoM moluhoctm (Ultra regular Povver) noflTBep>KflaK>t euie, hto Bce eme cymecTByeT TeH^eHunn b HanpaB/ieHMe 4eM 6onb-oje M3pacx0fl0BaTb 3/ieKTpM4ecKyio SHeprMKD m 4eM 6o/ibUJe ynynuJkiTb np0M3B0flMTenbH0CTb sroro arperaTa.
ripuBe/ieHbi MeTOflbi flnn onpefleneHMH pea/ibHbix sneKTpo-TexHpmecKHx 3Ha4eHMfi flyrobom nenu, oth. pea/ibHbix bmaob pa-6otw, KOTOpbie MMetoT peujatoLuee 3Ha4eHMe a/in ynpa8/ieHMH xo/jom ne4M KaK b TeMeHHM Bbino/iHeHMR pacnnaBneHun KaK n bo BpeMfl yme pacn/iae/ieHHoPi 3arpy3KM.
OnTMMM3aunfl pa6oTbi ne^M He orpaHM4eHa TOflbKO Ha onpe-flenehne ycnoBMfi ana flocTM>kehmfl caMoR 6onbLuo(i moluhoctm
Ha ayre ne4M m/im «e Ha MaKCMMa/ibHoe SHepreTMnecKoe mc-n0/ib30BaHkie, a pacnpooTpaHHHTCfl ot SHepreTkmecKoro Ha onTMMH3aumo pacMeTa, KOTOpaR 6epeT bo BHMMaHMe He ToribKo 3HepreTM4ecKkie m nocTonHHbie pacxoflbi euie pacxoflbi Ha orHeynopHbiti MaTepna/i m /inn 3aTpaTy rpa<t>MTHbix 3/ieKTpofl.
PacMeTbi no sHeprmi n npoHMX pacx0fl0B bo BpeMH M3roTO-B/ieHUfi n/iaBKM C M3MeHReMblMM COCTOHHMMMM pa60Tbl flaKJT B03M0WH0CTb oueHMTb pa3Hbie BMflbi pacnnaB/ieHMH b sneKTpo-4yr0B0fi ne4n. Pe3y/ibTaTW onTHMniaunn pacxoaoB noflTBepfiM-nM npaBunbHOCTb pa6oTbi k/iaccM4ecK0M ayroBoPi ne4M 6o/ib-luom moluhoctm npM hm3kmx (J)a3ax cos (p MeHe 0,60 (KOpOTKan ayra), OTHocMTe/ibHO npaBMflbHocTb pačoTbi C0BpeMeHH0M ny-roBoii nenM c naHennMM Ha oxna>KfleHMe c boaom npn (t>aKTopax cos (p CBbiLue 0,82 (fl/iMHHan ayra), npMBefleHw yKa3aHMH /j/ih 4eM 6o/iee 6/iaronpMHTHoe ynpaB;ieHMe npoueccoM c tohkm 3pehmfl pacxoaoB b tenehmm n3r0t0bnehmfl nnabkm.
PaCCMOTpeHa B03M0>KH0e TOflOBO npOM3BOflCTBO 3/ieKTpM-^ecKofi flyroBofi nenn b OTHOLueHMM Ha ncn0/ib30BaHMe BpeMe-hm pa6oTbi, Beca 3arpy3KH, yflenbHO(i moluhoctm nonepe^Hora TpaHC(t>OpMaTOpa m 3aBMCMMOCTM ot Heo6xOflMMOM fl/lMTe/lbHO-ctm npouecca b ayr0B0(i ne4M.