Ugnar

Ugnar används industriellt för värmning. Inom stålindustrin finns dels smältugnar (ljusbågsugnar) samt värmnings- och värmebehandlingsugnar. De kan vara såväl bränsleeldade som elektriska, satsvisa eller kontinuerliga. Ugnstemperaturerna i stålindustrin kan variera kraftigt, alltifrån relativt låga temperaturer vid värmebehandling till en bra bit över 1000 °C vid värmning inför valsning eller smide.

Gemensamt för alla ugnar är att de omvandlar en energiform med hög kvalité (el eller bränsle) till värme som är en energiform med låg kvalité. Det gäller att ta tillvara på så mycket som möjligt av den frigjorda energin och ofta finns goda möjligheter att minska energiförbrukningen i ugnen. För att identifiera var energibesparingspotentialerna finns är det bra att först ställa upp en energibalans för ugnen.
 

Klassificering av ugnar

Industriella ugnar kan klassificeras på en rad olika sätt. Här nedan följer tre exempel:

Klassificering via system för värmeenergiproduktion

• Omvandling av kemisk energi i ett bränsle till värme (bränsleeldade ugnar)
• Omvandling av kemisk energi i det smälta materialet till värme
• Omvandling av elektrisk energi till värme (elektriska ugnar)

Klassificering via system för lastning av materialet

• Genom att hela lasten sätts i, värms och tas ut tillsammans (batch-ugn)
• Genom att material kontinuerligt lastas och tas ur ugnen (kontinuerlig ugn)
• Genom att materialet lastas på en vagn som körs in i ugnen (semi-kontinuerlig ugn)

Klassificering via ugnens användningsområde

• Smältugnar:
  Ljusbågsugn
  Skänk
   
• Värmningsugnar:
  Värmning inför valsning
  Värmning inför smide

• Värmebehandlingsugnar:
  För olika typer av värmebehandling
   

Elektriska ugnar

I en elektrisk ugn omvandlas elenergi till värmeenergi genom:

• Att låta en elektrisk ström passera genom det material som ska värmas. Exempel: ljusbågsugn.
   
• Att låta en elektrisk ström passera genom ett motståndselement som sedan överför värmen till materialet som ska värmas genom strålning och konvektion.
   
• Att låta en elektrisk ström passera genom en gas. Exempel: plasmaugn.
   
• Påverkan av en elektrisk ström på ett magnetfält så att eddy-strömmar bildas i metallen Exempel: induktionsugn.
   

Elvärmda ugnar har ej några avgaser som ger höga förluster. De är lätta att reglera och har en hög verkningsgrad. Elugnar har dock normalt högre investeringskostnader än bränsleeldade ugnar. Driftkostnaderna kan vara lägre eller högre än bränsleeldade ugnar - förutsättningarna varierar från fall till fall.

De motståndsvärmda ugnarna har motståndselement som ofta hänger ned från taket (utmed väggarna) och är i regel U-formade. Elementen är relativt tåliga då de är uppe i full temperatur, men blir oftast mycket spröda då de har svalnat och man måste därför iaktta försiktighet vid arbeten inuti en kall elugn. Energin överförs från elementen genom strålning. Eftersom deras placering är utmed väggarna kan det vara svårt att erhålla en helt jämn temperaturprofil. Materialet i mitten kan hamna i "skuggan". I ugnar med lägre temperaturer (värmebehandlingsugnar) kan då fläktar användas för att sätta ugnsgaserna i rörelse. Genom denna rörelse fås ett konvektivt tillskott till värmeöverföringen.

De så kallade induktionsugnarna har spolar som skapar ett växlande magnetfält genom vilket materialet får passera. Den virvelström som då uppstår i stålet ger en kraftig värmeutveckling inne i materialet och temperaturen stiger.
 

Satsugnar (batch-ugn)

Med batch-ugn avses en ugn som lastas och avlastas diskontinuerligt. En batch-ugn arbetar i cykler och materialet i ugnen rör sig inte under värmningsprocessen. Detta gör att temperaturen i materialet varierar med tiden men varierar inte med var lasten är placerad i ugnsrummet vid en viss tidpunkt. Vid i- och urlastning går ugnen oundvikligen på tomgång. I förhållande till kontinuerliga ugnar är batch-ugnar relativt lätta att konstruera och flexibla. De lämpar sig dessutom för värmning i kontrollerad atmosfär. Batch-ugnar används bland annat för anlöpning, glödgning, normalisering, härdning och uppkolning.

Flera olika typer av batch-ugnar används inom stålindustrin:

• Klockugnar
• Skänkugnar
• Bogiehärdugn
• Gropugn
   

Energieffektiviserande åtgärder för ugnar
 

Klockugnar

Klockugnar är en typ av satsvis ugn. Ugnskroppen har formen av en klocka som lyfts över den materialstapel som skall värmebehandlas. Två klockor utnyttjas över varandra varvid skyddsgas ofta cirkuleras genom den inre där materialet ligger. Denna ugnstyp kan vara bränsleeldad eller elvärmd.

Struktur
Ugnar
Klassificering av ugnar
Elektriska ugnar
Satsugnar
Ljusbågsugn 
Skänkugnar
Värmningsugnar
Värmebehandlingsugnar

Ljusbågsugnen består av ett cylindriskt ugnsrum med basisk infodring. Värmealstringen görs via ljusbågar mellan chargen och tre grafitelektroder som går genom valvet. Elektrisk energi tillförs via en transformator. Ljusbågsugnen matas vanligen med tre-fas växelström. Likströmsugnar förekommer mera sällan. Mycket höga strömstyrkor kan förekomma. Ugnsfatet kan vickas framåt och bakåt för att möjliggöra tappning av stålet respektive avslaggning. En del ugnar är utrustade med en induktiv omrörare under ugnsbotten för att underlätta bl.a. avslaggning. Valvet med elektroderna kan svängas åt sidan för att möjliggöra chargering, som sker i etapper genom att en korg med skrot sänks ned i ugnsfatet. Tackjärn och legeringar kan ingå i beskickningen. Kalk tillsätts som slaggbildare med avsikt att åstadkomma svavel- och fosforrening. Kolfärskning sker med syrgas eller malmning. Införandet av sekundär metallurgi (skänkmetallurgi) utanför stålugnen har medfört att ljusbågsugnen utnyttjas huvudsakligen som smältmaskin. Genom slaggskumning, skrotförvärmning, efterförbränning, råmaterialoptimering och processoptimering, ugnsdesign och minimering av stopptider kan energianvändningen påverkas. Användningen av elektrisk energi för smältningen möjliggjorde utvecklingen av höglegerade stål såsom rostfritt stål och verktygsstål med flera, i början av 1900-talet.

Total energianvändning (elektricitet, gasol, olja, naturgas, kol, elektroder, oxidation av element i stålsmältan) för ljusbågsugnar varierar mellan 600 och 800 kWh/ton stål. Andelen kemisk energi varierar mellan 20-50 %, och vanligtvis ökar den totala energiförbrukningen med andelen kemisk energi eftersom verkningsgraden vanligtvis är lägre än för elektrisk energi.

Energieffektiviteten för olika energikällor (elektricitet, kemisk energi) i ljusbågsugnen varierar kraftigt beroende på hur (elektroder, brännare, lansar) och när (skrotsmältning, raffinering) energin tillsätts.

Genom förbättrad kontroll av elektroder, brännare och lansar kan energieffektiviteten förbättras. En generell effektivisering på 1 % motsvarar en energibesparing på cirka 15 kWh/ton stål.

Utveckling av övervaknings- och optimeringssystem för energianvändning i ljusbågsugnar finns i MEFOS-rapporterna MEF97004 och MEF01051.

Vanligtvis har varje stålsort ett ”standardrecept” för materialblandning vid tillverkning på olika stålverk. Materialblandningen består av järnbärare (exempelvis stålskrot, tackjärn, järnsvamp), slaggbildare (exempelvis kalk, dolomit) och legeringar (exempelvis kol, koks, ferrolegeringar, metaller). Osäkerhet i uppskattningen av materialens kemiska sammansättning gör att höga säkerhetsmarginaler måste användas vilket medför en i många fall överdriven användning av rena och dyra material. Bättre uppskattningar av råmaterialegenskaper gör att användningen (och återvinningen) av ”dåliga” skrotsorter i ljusbågsugn kan öka på bekostnad av ”rent” skrot och legeringar. Under förutsättning att tillgången på rent skrot och den sammanlagda årsproduktionen av stål är konstant ger detta indirekta energibesparingar genom mindre behov av råstål via malmbaserad ståltillverkning (cirka 4500 kWh/ton) samt tillverkning av legeringar (4000-8000 kWh/ton) och slaggbildare (1000-2000 kWh/ton). Förbättrad råmaterialoptimering innebär även direkta energibesparingar genom minskat energibehov för smältning av legeringar (500-1000 kWh/ton) och slaggbildare 1500-2000 kWh/ton). Ökad användning av ”dåligt” skrot ökar dock troligen energibehovet för smältning (0-500 kWh/ton). Uppskattningsvis kan nettoeffekten bli en energibesparing på cirka 10 kWh/ton stål. Beskrivning av metoder för uppskattning av skrotegenskaper som kemisk analys och specifik smältenergi (kWh/ton skrot) finns beskrivna i rapporter från MEFOS (MEF06007) och Jernkontoret (TO23-127). En pilotapplikation för online-uppskattning av skrotegenskaper finns installerad vid Ovako Bar i Hofors.

Slaggskumning uppnås genom gasutveckling (CO) i slaggen. Gasutvecklingen gör att slaggen ”jäser” eller ”skummar” och volymen ökar drastiskt. Syftet med slaggskumning är att täcka ljusbågarna med slaggskum och därmed minska värmeförlusterna till tak och väggar samt öka värmeöverföringen till smältan. Detta är särskilt viktigt i slutskedet av smältningen då allt skrot är smält och ugnens väggar är helt exponerade mot ljusbågarna och mindre viktigt i skrotsmältningsfasen då elektroderna är delvis ”nedborrade” i skrotet.

Gasutveckling uppnås genom injektion av reduktionsmedel i slaggen, som kolpulver eller kalciumkarbid. För att slaggen ska skumma måste viskositeten och halten av reducerbara oxider (FeO, MnO, Cr2O3) ligga inom ett visst intervall. Skillnaden i energiförbrukning mellan bra och dålig slaggskumning är cirka 40 kWh/ton stål. Generellt sett är slaggskumning svårare att åstadkomma för rostfria slagger (som innehåller mycket Cr2O3). En rapport om skumning av rostfria slagger med kalciumkarbid vid Outokumpu Stainless i Avesta finns tillgänglig på MEFOS (MEF07014).

Ugnsdesign

En ljusbågsugns maximala energieffektivitet begränsas av designen på ugnen och dess tillbehör som exempelvis transformator, reaktor, elektroder, lansar och brännare.

Exempel på faktorer som påverkar energieffektiviteten:

• Syrgaslansar – väggmonterade lansar ger mindre läckluft än lansning via slagglucka.
   
• Brännare – co-jet brännare flyttar förbränningen närmare skrotet än traditionella olje/gas brännare.
   
• Spolstenar – ökar omrörningen och nedsmältningen av tungt skrot/legeringar.
   
• Isoleringstegel – påverkar värmeförlusterna.
   
• Transformator – hög effekt ger kortare smälttid och mindre värmeförluster.
   

Ljusbågsugnen matas vanligen med tre-fas växelström. Denna ugnstyp benämns AC-ugn. Vid kraftverken transformeras den elektriska spänningen upp till högspänning för att minska effektförlusterna mellan producent och användare. I närheten av stålföretaget transformeras högspänningen ofta ned till 20 kV, vilket är ugnstransformatorns primärspänning. Den transformeras ned till 265-884 V och strömstyrkan ökar till 50 kA. Ljusbågsspänningen kan regleras med en lindningsomkopplare. Vid högre spänning blir ljusbågarna längre med kraftig strålning åt sidorna som följd, vilket påskyndar nedsmältningen av skrotet. När allt är smält och ljusbågarna går mot det flytande stålbadet önskas kortare bågar som ger stark strålning mot badet för att höja temperaturen.

Vid tre-fas växelström arbetar man med tre olika effektbegrepp: skenbar effekt, reaktiv effekt och aktiv effekt. Med skenbar effekt menas den effekt som tillförs systemet, den mäts i MVA. Den reaktiva effekten utvecklas i ledningssystemet på grund av dess induktiva motstånd. Den anges i Mvar (megavoltamperereaktiv). Den aktiva effekten är den verksamma och utrycks i kW eller MW. Förhållandet mellan den aktiva effekten och den skenbara anges som effektfaktorn, cos. som alltid är mindre än 1.
 

Skrotförvärmning

Skrot och andra råmaterial kan förvärmas innan de chargeras i ugnen, vilket förkortar smälttiden och minskar energianvändningen i ugnen. Vanligtvis kombineras detta med energiåtervinning genom att avgaserna från ljusbågsugnen eller andra processer i stålverket används som energikälla. Det är även tänkbart att använda fossila bränslen eller biobränslen för förvärmning, vilket ger samma effekt men ingen netto-energibesparing.

Energiinnehållet i avgaserna från ljusbågsugnar är cirka 150-200 kWh/ton stål. Med en verkningsgrad på 50-75 % på värmeöverföring mellan skrot och avgaser ger skrotförvärmning med avgaser en energibesparing på 75-150 kWh/ton stål.

Effektiv skrotförvärmning medför dock en långsam avsvalning av avgaserna vilket ger stor risk för dioxinbildning. Detta begränsar användningen av skrotförvärmning och i dagsläget används skrotförvärmning i Sverige enbart för att torka skrot, dvs. driva av fukt genom upphettning till 100-150 °C. Rapporter från försök med kombinerad skrotförvärmning och ytrening finns på MEFOS (MEF03019, MEF04069, MEF07017) och på Jernkontoret (D 794). C. Rapporter från försök med kombinerad skrotförvärmning och ytrening finns på MEFOS (MEF03019, MEF04069, MEF07017) och på Jernkontoret (D 794).
 

Efterförbränning i ljusbågsugn

Efterförbränning kan användas då en process producerar en brännbar gas. Vid efterförbränningen oxideras kvarvarande bränsle i rökgasen innan den lämnar anläggningen via skorsten. Vid smältning av skrot i ljusbågsugn bildas brännbara gaser (CO, H2, Zn) som efter att de lämnat slaggen kan efterförbrännas i ugnen genom tillsats av syrgas. Syrgas kan antingen tillsättas genom speciella injektionslansar eller genom syrgasöverskott i olje- eller gasolbrännare. Det kemiska energiinnehållet i avgaserna är 90-150 kWh/ton stål.

Verkningsgraden för värmeöverföring mellan skrot/stål och avgaser är lägre än för kontrollerad skrotförvärmning och sjunker allt eftersom temperaturen på skrot/stål ökar. Vid fullständig efterförbränning och en verkningsgrad på 25-50 % kan en energibesparing på 30-60 kWh/ton stål erhållas.
 

Minimering av stopptider

Värmeförluster från ugnen kan minska om stilleståndstiden med varmt stål och/eller skrot kan minska. Generellt sett ökar energianvändningen med cirka 1 kWh/ton stål för varje minut smältningen pågår, oavsett om ugnen är påslagen eller inte.

Stopptiden kan minimeras genom god planering av underhållsstopp, produktionsplanering och löpande underhåll. Antal och tid för processrelaterade stopp som beror på plötsliga och oförutsedda händelser under smältningsförloppet, till exempel elektrodbrott, kan minimeras genom god processkunskap och beredskap hos operatörerna.

Rapporter om kartläggning och kategorisering av power-off tid vid svenska ljusbågsugnsverk finns tillgängliga på MEFOS (MEF06007) och Jernkontoret (TO23-127).
 

Skänkugnar

Skänkugnar används för skänkmetallurgisk behandling av det smälta stålet som kommer från ljusbågsugnen. Med begreppet skänkmetallurgi menas att stålet färdigställs i ett separat behandlingssteg i en specialutrustad skänk eller skänkugn. Typiska färdigställningsoperationer är svavelrening, desoxidation, legering och temperaturinställning. Ugnen består av en ugnskropp och ett ugnslock. För ett fullständigt skänkmetallurgikoncept är värmning en nödvändighet. Det vanligaste värmningssättet är att elektrisk energi tillförs med ljusbågselektroder precis som i en ljusbågsugn. Normalt är dock effekten i en skänkugn mindre än en fjärdedel av effekten i en vanlig ljusbågsugn som mer är att likna vid en smältmaskin. Normal temperaturhöjning ligger vid 5 °C per minut. Det är nödvändigt att under värmningen röra om med gas eller induktivt för att undvika överhettning av stålet i överdelen av skänken. Normalt sker inte värmning samtidigt med vakuumbehandling. I ASEA-SKF-processen och dess efterföljare lyfts elektroderna bort vid vakuumbehandling  och ett vakuumlock appliceras på skänken. I RH-anläggningen tillförs värme hos vissa användare genom en förbränning av kol genom tillsatser av syrgas i det gasomrörda benet. I en annan efterbehandlingsprocess som kallas CAS-OB-processen tillförs värme genom att aluminium och syrgas sätts till i stökiometriska mängder för att bilda Al2O3. Ur den exoterma processen när aluminium oxideras erhålls nödvändig energi direkt in i stålet. De bildade inneslutningarna skiljs av genom en extra inertgasspolning. I dessa två exempel på värmetillförsel utnyttjas vad man kallar kemisk energi. Andra exempel på värmning är elenergi via en plasmabrännare eller elenergi genom motståndsvärmning av toppslaggen.

Skänkar används som transportbehållare av flytande stål mellan ugn och gjutning. Före användning torkas och förvärms den eldfasta infodringen och brännaren som sitter på locket värmer ugnen till cirka 1300 °C. Detta görs dels för att skänken inte skall förstöras av den termiska chocken då det smälta stålet hälls i, dels för att stålets temperatur inte skall minska för mycket. Brännaren används alltså inte vid själva behandlingen. I en konventionell skänk går energin i de mycket heta rökgaserna till spillo genom att dessa släpps direkt ut i lokalen. Detta gör att verkningsgraden vid konventionell skänkvärmning är extremt låg (10-15 %). Genom att använda regenerativ teknik vid skänkförvärmning kan verkningsgraden höjas till mellan 70 och 80 %.
 

Värmningsugnar

Värmugnarna värmer materialet inför till exempel en valsnings- eller smidesoperation. Ugnarna kan ha många olika utföranden, men alla som värmer ämnen till ett efterföljande valsverk arbetar kontinuerligt. Vanliga typer är stegbalksugn där ämnena ligger med ett visst mellanrum och lyfts steg för steg genom ugnen av lyftbalkar, så kallade stegbalkar, eller genomskjutningsugn där ämnena skjuts i en obruten sträng genom ugnen av en inskjutningsanordning. Valsverksugnarna är i regel bränsleeldade (gasol, olja eller koksugnsgas).
Smidesugnar kan vara bränsleeldade eller elektriskt värmda (ofta induktionsugnar vid mindre ämnesstorlekar). Ugnar som värmer stora ämnen till en smidespress arbetar ofta satsvis.

Temperaturnivåer för värmugnarna är normalt 1050 °C till över 1200 °C. Ugnarna är oftast utförda med flera temperaturzoner.

Värmebehandlingsugnar

Värmebehandlingsugnarna värmer materialet enligt ett visst "temperaturprogram" (se värmebehandling), så att materialets struktur och egenskaper förändras på önskat sätt. Ugnarna kan vara utförda som skyddsgasugnar (innehållande skyddsgas) för att förhindra till exempel avkolning eller med speciell skyddsgas, som till exempel ger uppkolning av ämnesytan. Värmebehandlingsugnarna arbetar med lägre temperaturnivåer än värmugnarna. Normala temperaturnivåer är 200 °C till 1100 °C. Ugnarna kan vara kontinuerliga med utförande liknande värmugnarna, men där transporten ofta sker med hjälp av vattenkylda rullar genom ugnen, eller satsvisa (exempelvis vagnugnar och klockugnar).

För speciella processer används ibland också en ugnstyp som är vakuumtät. Sedan chargen har lagts in i ugnen evakuerar man den ursprungliga ugnsatmosfären. Vissa komponenter kan då avgå i gasform från chargen.

Övervägande delen av värmebehandlingsugnarna är elvärmda eftersom de ej avger avgaser, har högre verkningsgrad, lägre ugnsslitage, enklare reglering och övervakning. Inom varje grupp finns en mängd olika utförande på ugnarna.