Järn- och stålframställning

Transkript

1 Järn- och stålframställning Energi och ugnsteknik Jernkontorets utbildningspaket del

2 Förord Jernkontorets utbildningspaket är ett läromedel i tolv delar som täcker hela produktionskedjan vid stålframställning. Utbildningspaketet vänder sig i första hand till anställda vid stålföretagen, elever vid gymnasie- och högskolor samt stålföretagens kunder. Läromedlet är författat av experter inom nordisk stålindustri. Delar av paketet har reviderats. Utbildningspaketet omfattar följande områden: Del Titel Senaste utgåva 1 Historia, grundläggande metallurgi Malmbaserad processmetallurgi Skrotbaserad processmetallurgi Skänkmetallurgi och gjutning Underhåll och driftsekonomi Analytisk kemi Energi och ugnsteknik Bearbetning av långa produkter Bearbetning av platta produkter Oförstörande provning Olegerade och låglegerade stål Rostfritt stål Jernkontoret, 2015

3 Innehåll, Energi och ugnsteknik, del 7 1 GRUNDLÄGGANDE OM ENERGI Energi i olika former Vad betyder energi? Var finns energi? Viktigt om energi generellt Effekt och energi? Hur mäts effekt och energi? Det är skillnad på el och värme Några exempel Energiomvandlingar Energiomvandling i dagliga livet Energiomvandling i anslutning till ugnar Verkningsgrad vid energiomvandling Värmeöverföring allmänt Värmeöverföring genom ledning Värmeöverföring genom konvektion Värmeöverföring genom strålning PRODUKTIONSVÄGAR OCH ENERGIFLÖDEN Från malm till stål Koksverk Masugn LD-konverter Stränggjutning Värmugn Efterbehandling Energiflöden i malmbaserat verk Energitillförsel Gas från processerna är viktiga bränslen Elanvändning Bränsleanvändning Energibortförsel Från skrot till stål Ljusbågsugn Skänkugn Konverter Stränggjutning Värmugn Efterbehandling Energiflöden i skrotbaserat verk Energitillförsel Elanvändning Bränsleanvändning Energibortförsel FÖRBRÄNNING AV BRÄNSLEN Bränslen inom stålindustrin Några data om bränslen Förbränningsförloppet Hur ser förbränningsförloppet ut rent principiellt? Hur sker förbränningen av bränsleluftblandningen? Hur kan förbränningsförloppet varieras? Viktigt för effektiv förbränning Blandningsförloppet Luftfaktorn

4 3.3.3 Flamhållningen Brännarimpulsen Förbränning och miljö Påverkan från svavel, S Påverkan från kol, C Påverkan från kväve, N Påverkan av sot och stoft VÄRMNING OCH VÄRMNINGSFÖRLOPP Energibehov i material Värmningskurva Glödskal och avkolning Värmning kan ske med bränsle eller elenergi Bränsleeldade ugnar Elvärmda ugnar Materialflöde stålverk ugn valsverk UGNSTYPER OCH UGNSKOMPONENTER Ugnstyper Smältugnar Värmugnar Värmebehandlingsugnar Brännare Brännarnas uppgifter Det finns många brännartyper Speciellt energieffektiva brännare Brännare som ger låga halter av kväveoxider Infodring Infodring allmänt Ugnsinfodring Rekuperator Varför minskar bränsleförbrukningen med en rekuperator? Hur mycket minskar bränsleförbrukningen? Avgaspanna Spjäll och skorsten UGNENS FUNKTION Mätning av ugnens funktion Temperaturer Flöden Mätning av avgasernas sammansättning Ugnstryck Ugnens reglering Zontemperaturer Kvotreglering Ugnstryck O 2 -reglering FOCS Reglering av elugnar Energibalans Krav på energibalansen Vilken nytta kan man ha av en energibalans? Exempel på energibalans Viktigt för effektiv ugnsdrift Ugnslängden Härdareatäckning Produktionstakt/optimal värmningskurva Korrekt ugnstryck

5 6.4.5 Bra reglersystem Produktionsplanering MEDIAFÖRSÖRJNING Elenergi Ånga Hetvatten Syrgas Fördelar Produktion Användning av syrgas Säkerhetsaspekter Tryckluft Hur produceras tryckluft? Vad används tryckluften till? Energiaspekter Viktigt budskap Kylvatten Energiaspekter Skyddsgas MATERIALPLANERING OCH ENERGISTATISTIK Övergripande materialplanering Energistatistik för ugnar Energistatistik för pannor

6 Energi och ugnsteknik, del 7 1 Grundläggande om energi Figur 7-1:0 1.1 Energi i olika former Vad betyder energi? Ordet energi betyder arbete och kommer från det grekiska språket. Figur 7-1: Var finns energi? Energi är svår att beskriva eftersom den inte syns. En skiftnyckel däremot är lätt att beskriva; den kan man se och ta på. Energi finns dock i flera olika former som t ex: - 4 -

7 Elektrisk energi som kan tas ut från elnätet Kemisk energi i form av olja, bensin, gasol, ved etc. Mekanisk energi, t ex en roterande axel på en elmotor Värme i varmvatten, i varma stålämnen, i varma avgaser etc. Lägesenergi, när något befinner sig högre än omgivningen, t ex vatten i dammen ovanför ett vattenkraftverk Rörelseenergi, hos en massa som rör sig, t ex en bil eller strömmande vatten En skiftnyckel kan innehålla flera av de ovan angivna energiformerna. Om den är varmare än omgivningen har den en viss värmeenergi, om den ligger på ett bord har den lägesenergi ty energi frigörs om den faller till golvet. Den har rörelseenergi om den kastas iväg Viktigt om energi generellt Det finns några viktiga sanningar om energi: 1. Energin kan inte förstöras bara omvandlas 2. All energi omvandlas förr eller senare till värme 3. Värme går av sig själv från en högre till en lägre temperatur, dvs från "varmt" till "kallt" Effekt och energi? Effekt och energi är två begrepp som brukar vara svåra att skilja på. Kort kan man säga att effekt anger "energi per tidsenhet". Sambandet som gäller är: flöde tid = volym (jämför med: effekt tid = energi) Jämför med fallet att man fyller en hink med vatten. Vattenflödet genom slangen i liter per sekund (l/s) motsvarar då effekten, och antalet liter vatten i hinken, dvs vattenvolymen, motsvarar energin. (Sorterna är: l/s s = l) Figur 7-1:2-5 -

8 1.1.4 Hur mäts effekt och energi? Det finns många olika sorter som kan användas för att ange effekt och energi. De vanligaste grundenheterna för energi är joule, J, som är detsamma som watt-sekund, Ws. Dessa enheter är dock mycket små och därför används enheter som är mycket större. Kilojoule, kj, eller kilowattsekund, kws, är 1000 ggr större än grundenheterna. Mega-joule, MJ, är ggr större än grundenheten. Elektrisk energi mäts i watt-timmar, Wh, (timmar förkortas med h som kommer från engelskans hour). En timme är ju 3600 sekunder, och därför är 1 Wh = 3600 Ws. En 1000 ggr större enhet är kilowatt-timme, kwh, och en enhet som är ggr större är megawatt-timme, MWh. Enheten kwh används ofta även för andra energislag än el, eftersom det i många fall är praktiskt att räkna i kwh. Exempel: En elmotor på 50 kw som är i drift under 10 h använder energin 500 kwh, vilket är detsamma som 0,5 MWh Det är skillnad på el och värme Elenergi är den mest användbara energiformen. El kan t ex användas för belysning, för att driva elmotorer och för att värma till höga och låga temperaturer. Kemisk energi och värme kan t ex inte direkt användas för normal belysning inom industrin Några exempel Effekter och energier är inte alls lika påtagliga som t ex ett ton stål. Några enkla exempel kan därför vara till hjälp för att få en uppfattning om energimängder i saker man ser vid en ugn. Vid förbränning frigörs följande värmemängder: 1 kg olja ger ca 41 MJ eller 11,4 kwh 1 kg gasol ger ca 46 MJ eller 12,8 kwh 1 kg kol ger ca 27 MJ eller 7,6 kwh Vid kylning till 20 C frigörs från 1 ton stålämnen vid 1100 C ca 720 MJ värmeenergi. Som exempel kan även nämnas att en normal villa använder ca MJ (= kwh) per år för uppvärmningen. En större värmningsugn kan göra av med denna energimängd på några få timmar! Även för effekter kan det vara bra med några exempel: * En spisplatta har en effekt på ca 1 kw. * En villa drar ca 10 kw värmeeffekt när det är kallt ute. * En större värmningsugn kan eldas med effekten kw, och oljeförbrukningen uppgår då till ca 1 kubikmeter per timme. 1.2 Energiomvandlingar Det är faktiskt så att energi inte kan skapas eller förstöras utan endast omvandlas. All energi blir värme till slut. Vad finns det då för omvandlingar? - 6 -

9 Figur 7-1: Energiomvandling i dagliga livet I t ex en bil sker många olika energiomvandlingar. När bensinen förbränns i cylindrarna omvandlas bensinens kemiska energi till värmeenergi. Den volymökning som sker av gasen i cylindrarna omvandlas till en mindre del till mekanisk energi som driver bilen (via kolv, vevaxel, växellåda, axlar, kardan och vidare ut till hjulen). Den största delen av bensinen omvandlas dock till värmeenergi som kyls bort via kylaren. När bilens fart ökar omvandlas den mekaniska energin som driver hjulen till rörelseenergi hos bilen. Friktion mot luften omvandlar en del av energin till värme i omgivande luft. Vid bromsning omvandlas rörelseenergi till värme i bromsarna. Det märks genom att skivorna och bromsbeläggen blir heta. Även Du själv omvandlar energi just nu! Energin (man brukar tala om kalorierna) i den mat Du har ätit omvandlas till energi i kroppen, och gör att Du kan hålla kroppstemperaturen på 37 C, vilket är högre än rumstemperaturen på ca 20 C. Du avger just nu ca 70 Watt värmeenergi till omgivningen Energiomvandling i anslutning till ugnar Den största energiomvandlingen vid en ugn sker när bränslets kemiska energi, i t ex olja, omvandlas till värme genom förbränningen. Värmen i lågan omvandlas till värmestrålning och till heta avgaser. Energi överförs både till ugnsväggar och till det material som skall värmas i ugnen. I elektriska ugnar omvandlas elenergi till värme i motståndselementen som börjar glöda. Dessa avger värme i ugnen. (I senare avsnitt diskuteras energiomvandling i ugnar mer detaljerat.) - 7 -

10 1.2.3 Verkningsgrad vid energiomvandling Det finns förluster vid alla energiomvandlingar. Med begreppet verkningsgrad anger man hur stor del av den tillförda energin som omvandlas till "nyttig" energi. Om hälften av energin blir nyttig energi talar man om en verkningsgrad på 50 %. Generellt gäller: Nyttig energi (%) + förluster (%) =100 % I ugnsfallet vill man värma ämnen. Det bästa vore förstås, om all energi som tillförs ugnen kunde omvandlas till värmeenergi i ämnen, men detta är dock omöjligt. Med verkningsgraden kan man alltså ange hur stor del av bränslets energi som omvandlas till värme i ämnen. En verkningsgrad på 40 % betyder alltså att 40 % av bränslets kemiska energi blivit värme i ämnen, medan 60 % har omvandlats till annan energi, t ex i avgaser, kylvatten, varma ugnsväggar, förluster genom luckor etc. Verkningsgrader i ugnar kan variera kraftigt beroende på ugnens värmningssätt, driftförhållanden mm. (Se senare kapitel.) Exempel på verkningsgrader: Oljeeldad villapanna 70 % Elpanna 90 % Elmotor, liten 50 % Elmotor, stor 90 % Ugn 5-90 % 1.3 Värmeöverföring allmänt Värme kan överföras från ett föremål till ett annat på olika sätt. Dessa kallas för ledning, konvektion, strålning samt förångning och kondensation. Förångning och kondensation är normalt inte aktuella i ugnar och tas inte upp i fortsättningen. I verkligheten, t ex i ugnsrum, sker värmeöverföringen normalt genom en kombination av de tre sätten ledning, konvektion och strålning. Nedan förklaras de tre olika sätten genom att studera några olika värmeöverföringsförlopp, när herr Wärme går in i en bastu som är 90 C varm. Rent allmänt gäller att värmen alltid går från "varmt" till "kallt". Ju större temperaturskillnaden mellan "varmt" och "kallt" är, desto mer värme överförs. Fråga: Hur är det möjligt att vistas i en bastu som är 90 C? I vatten som är 90 C överlever man ju inte. Svar: Det beror på den dåliga värmeöverföringen i bastun

11 Figur 7-1:4 1.4 Värmeöverföring genom ledning Värmeledning innebär en värmetransport inom ett fast material från molekyl till molekyl. Som Du säkert märkt är stål en bra värmeledare. Om man värmer t ex ett stålrör i ena änden, så sprids värmen snabbt längs röret, så att hela röret blir varmt. Om man däremot värmer eller sätter eld på en träbit i ena änden, så sprids värmen mycket sakta genom träbiten. Trä är en dålig värmeledare. Det är just trämaterialets dåliga värmeledning som är förutsättningen för att vi skall kunna sitta i en het bastu. När vi sätter oss känns bänken het bara en kort stund. Det beror alltså på att den heta bänken avger värmen från träytan, som vi sitter på, till vår hud. Värme som ju även finns inne i träet leds endast mycket långsamt ut till den yta vi sitter på och vi upplever att träbänken svalnar snabbt sedan vi väl satt oss ned. Vad skulle hända om du satte dig på en bänk gjord av plåt i stället? För att minska den värme som läcker ut genom väggarna på en ugn är dessa klädda med material med dålig värmeledningsförmåga. Sådana material kallas isolermaterial. Ett materials förmåga att leda värme anges med ett s k värmeledningstal, λ, som uttalas lambda. I tabellen nedan ges några exempel på detta tal för några olika material. Material Värmeledningstal, λ I förhållande till W/(m C) värdet för kolstål Koppar 400 8,9 Kolstål 45 1 Rostfritt stål 15 0,33 Tegel 1,5 0,03 Trä 0,2 0,004 Mineralull 0,05 0,

12 Som synes är det mycket stor skillnad i värmeledningsförmåga hos olika material. Värmeledningsförmåga och elektrisk ledningsförmåga går "hand i hand". Material som leder ström bra, t ex koppar, leder också värme bra. Varför har rostfria kastruller ofta en botten av koppar? 1.5 Värmeöverföring genom konvektion Konvektion är det värmeutbyte som uppstår när gas eller vätska strömmar förbi en yta. Värmeutbytet sker mellan olika media. Om varm luft strömmar mot Dig känns det varmt. Luften avger värme och hela tiden kommer ny varm luft som ersätter den luft som redan avgivit värme. I bastun kommer den varma luften, 90 C, att avge värme till din hud. Värmeöverföringen genom konvektion i bastun är låg, och därför kan man vistas i bastun relativt lång tid utan att bli "överhettad". Kroppstemperaturen ökar dock sakta hela tiden. Värmeöverföringen genom konvektion kan förbättras kraftigt genom ökad lufthastighet. Det kan du känna om du blåser på armen då bränns det genast. Värmeöverföringen anges med ett värmeövergångstal, α, som uttalas alfa. I tabellen nedan ges några exempel på rimliga storleksordningar. (Verkliga värden varierar kraftigt med aktuella strömningsförhållanden). Vid konvektion brukar man tala om egenkonvektion och påtvingad konvektion. Egenkonvektion betyder att luften/vätskan strömmar av sig själv. Drivkraften är att varm luft stiger uppåt (som när varm luft stiger uppåt från ett stearinljus). Motsatsen är påtvingad konvektion när man har en fläkt eller pump för att öka strömningshastigheten. Typ av strömning Värmeövergångstal, α I förhållande till W/(m 2 C) värdet för egenkonvektion i luft Egenkonvektion luft 5 1 Egenkonvektion vatten Vattenströmning i rör (5 m/s) Kokning, vatten Som synes är det mycket stor skillnad i värmeövergångstalen vid olika förhållanden. Om Du befinner Dig i en bastu, där temperaturen är 90 C, och skulle råka sätta ner fingret i vatten, som är 90 C, erhålls en dramatiskt ökad värmeöverföring genom konvektion, från 5 till 500 (se tabellen ovan). Resultatet blir att huden på fingret snabbt värms till närmare 90, och Du får en brännskada. Vid en varm ugnsvägg finns också en tydlig egenkonvektion. Du ser den om Du t ex håller en glödande cigarett några centimeter från väggen. Röken stiger snabbt uppåt. Den varma väggen värmer luften strax utanför väggen. Varm luft är lättare än kall luft och stiger därför uppåt. Ämnen som matas in i värmningsugnar går först in i en ugnsdel utan brännare, den s k mörkzonen. Där avger de varma ugnsavgaserna, genom konvektion, värme till de inkommande kalla ämnena. Avgaserna lämnar sedan ugnen genom skorstenen

13 1.6 Värmeöverföring genom strålning Alla föremål har ett värmeutbyte genom strålning med omgivningen. I bastun kan man tydligt känna strålningen genom att föra handflatan allt närmare bastuaggregatets heta värmeelement. Det blir hetare och hetare i handflatan men inte på baksidan av handen. Det beror på att baksidan av handen är i "skugga" för värmestrålarna; jämför vanlig belysning och skuggor. Strålningsvärme kan överföras utan hjälp av något medium (gas eller vätska). Därför värms material med strålning i vakuumugnar. Ett praktiskt exempel på strålningsvärme inom stålindustrin är den värme man känner, när man är i närheten av varmt material, som t ex ämnen som matas ut från värmningsugnen. Ett annat tydligt ugnsfall är när man tittar in i ugnen genom en öppen lucka. Då är det enbart värmestrålningen man känner i ansiktet. Värmestrålningen är mycket starkt beroende av temperaturen på ämnena. Som exempel kan nämnas att ämnen som har temperaturen 1000 C strålar med 40 gånger högre effekt än samma ämnen vid 400 C. Strålningsvärmen avtar med avståndet från strålningskällan. Om avståndet fördubblas minskar strålningsvärmen med en faktor 4. I ugnsrum, där material värms före valsning, är det ofta strålningen från valv, väggar m m som dominerar värmeöverföringen. Anm: I s k pyrometrar, som kan mäta temperatur på föremål utan att ha direktkontakt med föremålet, är det strålningsintensiteten som pyrometern känner av. 2 Produktionsvägar och energiflöden 2.1 Från malm till stål Järnmalm är järnoxid, dvs en kemisk förening mellan järn och syre. Omvandlingen från järnmalm till stål innebär bl a att järnet och syret måste skiljas åt. Detta kräver flera olika processer. I figur 7-2:1 visas de viktigaste stegen schematiskt

14 Figur 7-2: Koksverk Ett koksverk består av en lång rad smala, höga ugnar. I koksverket upphettas kol i ugnar, st, till cirka 1000 C, utan att luft kommer i kontakt med kolet. Värmen kommer från eldning av gas på utsidan av ugnsväggarna. Gaser från kolet avgår och samlas upp och blir s k koksugnsgas, som är ett bra bränsle. Det glödande kolet trycks ut från ugnarna och ner i vagnar. Dessa körs in i ett s k släcktorn, där stora mängder vatten spolas på kolet. Det bildas ett stort ångmoln, som kan ses på långt håll. Den kalla koksen används i masugnen Masugn I masugnen används koks, med tillsats av kol och ev olja, som reduktionsmedel. I masugnen värms malm i form av pellets, små runda kulor, och andra tillsatser till cirka 1600 C. Vid höga temperaturer kan kolatomer från reduktionsmedlet ta upp syre från järnoxiden i pellets, och flytande råjärn och slagg samlas i botten och tappas ur ugnen. Råjärnet som innehåller ca 4,5 % kol transporteras till LD-konvertern. Slaggen är en restprodukt LD-konverter För att järnet skall bli användbart måste kolhalten sänkas ordentligt. Detta görs genom att tillföra syrgas till råjärnet och därigenom förbränna kolet i råjärnet. Energin som frigörs genom förbränningen gör att temperaturen stiger. Skrot tillförs då konverter, dels för begränsa temperaturstegringen, dels för att öka stålproduktionen. Efter LD:n har råjärnet blivit råstål med en kolhalt på cirka 0,1 %

15 2.1.4 Stränggjutning Det flytande råstålet gjuts i en lång sträng som kapas till ämnen i lämpliga längder. Strängens tvärsnitt anpassas så bra som möjligt till formen på de slutliga produkterna. För t ex bandproduktion gjuts platta ämnen Värmugn Ämnen som skall valsas inom verket måste först värmas till valsningstemperatur, ca 1200 C, före valsningen. Denna värmning görs i värmningsugnar som kan eldas med bränslen (gasol, olja, naturgas, koksugnsgas) eller värmas med el, vilket är mindre vanligt Efterbehandling För att ge det valsade materialet önskade egenskaper värms materialet i värmebehandlingsugnar, som även de värms med bränsle eller el. I dessa ugnar är el-värmning vanlig. Före leverans kan stålet bearbetas och behandlas på olika sätt allt efter kundernas önskemål. 2.2 Energiflöden i malmbaserat verk Energitillförsel I ett järn- och stålverk, som producerar stål från järnmalmspellets, måste mycket stora mängder reduktionsmedel, främst i form av kol, tillföras verket för att järn- och stålprocesserna skall fungera. Det är alltså för processerna som kol tillförs. I processerna uppstår dock biprodukter i form av brännbara gaser, som används som bränsle inom verket. Koltillförseln är ca 0,6 0,7 ton kol per ton råjärn Exempel på inköp under ett år till ett verk: Elenergi MWh Kol ton (motsvarande MWh ) Olja m 3 (motsvarande MWh) Energiinnehållet i det tillförda kolet är mycket stort och utgör ca 92 % av den tillförda energin till verket. Cirka 6 % utgörs av elenergi och ytterligare 2 % av bränslen som olja och/eller gasol. Det är alltså kolet som dominerar helt. Elproduktion som kan tillgodose åtminstone en del av elbehovet finns normalt i anslutning till ett verk. Resten av elenergin köps utifrån

16 Figur 7-2: Gas från processerna är viktiga bränslen Det finns tre processer, där kol omvandlas till brännbar gas. Dessa gaser är mycket viktiga bränslen inom verket. Koksugnsgas Vid uppvärmningen av kolet i koksverket avgår gaser från kolet. Denna s k koksugnsgas samlas upp i ett gassystem. Gasproduktionen uppgår till ca normalkubikmeter (gasvolym vid 0 C och 1 bar) gas per ton kol. Gasen används som bränsle i koksverket för att värma upp kolet till ca 1000 C, i ugnar, i pannor, i skänkvärmare, i varmapparater i anslutning till masugn etc. Masugnsgas I masugnen bildas stora mängder masugnsgas, ca 1500 normalkubikmeter per ton råjärn. Även masugnsgasen kan användas som bränsle inom verket. Den är dock ett mer lågvärdigt bränsle än koksugnsgasen. Masugnsgas används t ex som bränsle i varmapparater och för undereldning i koksverk. LD-gas Vid omvandlingen av råjärn till råstål i LD-konvertern avgår LD-gas, ca 125 normalkubikmeter per ton råstål. Även LD-gasen kan användas som bränsle i t ex pannor. Gasen produceras dock i stora mängder under korta tider, ca 15 minuter per timme. Den är därför relativt svår att ta hand om. Det finns separata rörnät för distribution av de olika gaserna inom verket

17 2.2.3 Elanvändning Elenergi används på tusentals ställen inom verket. Stora elanvändare är syrgasverk, elmotorer för blåsmaskiner (för transport av luft in i masugnen), valsverksmotorer, tryckluftkompressorer, kylvattenpumpar etc Bränsleanvändning Största bränsleanvändningen sker i varmapparaterna, vid undereldningen i koksverk, i kraftverkspannor och i ugnar Energibortförsel All energi som tillförs verket måste även bortföras. I ett studerat malmbaserat verk åtgick ungefär 33 % av den tillförda energin för att reducera malmen till järn. Cirka 13 % lämnade verket i form av brännbara gaser som användes för el- och värmeproduktion i ett kraftverk. Resten av energin, 54 %, lämnade verket i form av ljummet kylvatten, varm luft, avgaser, flytande slagg, ångor, gasfacklor etc. 2.3 Från skrot till stål För att omvandla skrot till stål används elektriskt värmda ljusbågsugnar. I figur 7-2:3 visas de viktigaste stegen schematiskt. Figur 7-2: Ljusbågsugn Skrot som verket köpt, tillsammans med skrot från den egna tillverkningen, sätts in (chargeras) i en ugn. Ugnens valv med tre stycken elektroder av grafit (kol) sätts på plats över ugnen. Elek

18 triciteten kopplas på, och ljusbågar uppstår mellan elektroderna och till skrotet. Värmen från ljusbågarna gör att skrotet smälter. Temperaturen på det smälta skrotet är ca 1600 C. De heta avgaserna från ljusbågsugnen används ofta för att förvärma ingående skrot till ugnen Skänkugn Det flytande stålet från ljusbågsugnen tappas i en behållare, s k skänk, som transporteras till en skänkstation. Där finns utrustning för att "finjustera" sammansättning och temperatur på stålet, innan det går till gjutningen Konverter Vid produktion av rostfritt stål används en konverter i stället för skänkugn för att ge stålet rätt sammansättning och temperatur före gjutningen Stränggjutning Det flytande råstålet gjuts till ämnen i en s k stränggjutningsanläggning Värmugn Ämnen som skall valsas inom verket måste värmas till valsningstemperatur, ca 1200 C, före valsningen. Denna värmning görs i värmningsugnar som kan eldas med bränslen (gasol, olja, koksugnsgas) eller värmas med el (mindre vanligt) Efterbehandling För att ge det valsade materialet önskade egenskaper värms materialet i värmebehandlingsugnar, som även de värms med bränsle eller el. I dessa ugnar är elvärmning vanlig. Före leverans kan stålet bearbetas och behandlas på olika sätt allt efter kundernas önskemål. 2.4 Energiflöden i skrotbaserat verk Energitillförsel I ett skrotbaserat verk är det elenergin som är det viktigaste energislaget. Eftersom skrot är metalliskt behöver inte processtegen för reduktion av järnoxid med kol genomföras. Bränslen i form av olja eller gasol köps in och används i ugnar och pannor. Exempel på inköp under ett år till ett större verk: Elenergi Olja Gasol MWh m³ (motsvarande MWh) ton (motsvarande MWh)

19 Figur 7-2: Elanvändning Den klart största elanvändningen sker i ljusbågsugnen för att smälta skrotet. Ljusbågugnen kan ha eleffekter upp till kw. Det åtgår kwh elenergi för att smälta ett ton skrot. Spänningen i ugnen är upp till ca 500 volt, medan strömmen är mycket hög, upp till ca ampere. Frekvensen är 50 Hz. Effekten kw är mycket stor. Om man räknar med att en elvärmd villa drar ca 10 kw, när det är kallt ute, så räcker eleffekten i ljusbågsugnen till för att hålla villor varma. Elenergin som åtgår i ljusbågsugnen för en enda charge på 75 ton skulle räcka för att värma två villor under ett helt år Bränsleanvändning Bränsle används främst i värmnings- och värmebehandlingsugnar samt pannor. Även i ljusbågsugnar används bränsle i s k oxy-fuelbrännare. I dessa förbränns bränsle med syrgas i speciella brännare, som går in i ugnen och hjälper till att smälta skrotet så snabbt som möjligt. Även vissa mängder kol tillsätts i ljusbågsugnen (vid produktion av kolstål) för att åstadkomma en skummande slagg, som bidrar till lägre elanvändning i ugnen Energibortförsel All energi som tillförs verket måste lämna verket på ett eller annat sätt. Energin bortförs från verket med varma avgaser från ugnar och pannor, med kylvatten, med ventilationsluft, genom värmeförluster i väggar mm. Flera verk säljer även värme till kommunernas fjärrvärmenät

20 3 Förbränning av bränslen 3.1 Bränslen inom stålindustrin Inom stålindustrin används vanliga bränslen som olja och gasol i olika kvaliteter. Dessutom finns det inom verken i Luleå och i Oxelösund även "egna" bränslen, som inte förekommer på andra svenska industrier. Dessa är koksugnsgas, masugnsgas och LD-gas och bildas i olika processer vid stålframställningen Några data om bränslen När bränslen förbränns frigörs energi. För varje bränsle anges ett tal som kallas "värmevärde". Detta talar om hur mycket kemisk energi som bränslet innehåller per måttenhet som kg, ton, nm 3 etc. (nm 3 betyder normalkubikmeter dvs en m 3 vid 0 C och 1 bar). Värmevärdet beror på hur mycket kol och/eller väte som bränslet innehåller. Värmevärdet för rent kol är 33,2 MJ/kg och för väte 120,1 MJ/kg. Vid förbränningen behövs syre. Normalt tas syret från luften och då behövs det en viss mängd luft per kg eller m 3 bränsle för att en fullständig förbränning skall kunna ske. Om mindre luft tillförs, räcker inte syret i luften för att förbränna allt bränsle. Om mera luft tillförs, passerar den genom brännaren utan att delta i förbränningen. Figur 7-3:1-18 -

21 I tabellen nedan ges några huvuddata för de viktigaste bränslena inom stålindustrin. Bränsleslag Värmevärde Luftbehov vid perfekt förbrukning Villaolja 42,7 MJ/kg 10,9 nm 3 luft/kg olja Tjockolja 41,4 MJ/kg 10,6 nm 3 luft/kg olja Gasol 46 MJ/kg 11,5 nm 3 luft/kg gasol Naturgas ca 39 MJ/nm 3 10,5 nm 3 luft/nm 3 Koksugnsgas ca 17 MJ/nm 3 4,2 nm 3 luft/nm 3 k-gas Masugnsgas ca 3 MJ/nm 3 0,6 nm 3 luft/nm 3 m-gas LD-gas ca 7 MJ/nm 3 1,3 nm 3 luft/nm 3 LD-gas Varningar: Gasformiga bränslen, som vid ev gasläckage blandas med luft i en ugn eller i en lokal, kan bilda explosiva gasblandningar. Brännbara gaser innehåller ofta koloxid. Det finns risk för förgiftning! 3.2 Förbränningsförloppet Förbränningsförloppet i bränsleeldade ugnar kan variera beroende på brännartyp. Valet av brännare till en viss ugn är alltså viktigt för att få den mest effektiva värmningen. Jämförelse: Man väljer inte en F1-racer för att åka till shoppingcentret utan i stället en bil anpassad för shopping. Ett litet ugnsrum kräver ett snabbt förbränningsförlopp och därmed kort flamma medan däremot ett stort ugnsrum kan klara sig med ett långsammare förlopp och längre flamma. Brännaren i första fallet kräver i regel högre lufttryck och bättre flamhållning Hur ser förbränningsförloppet ut rent principiellt? Vi betraktar det färdigblandade bränsleluftflödet utanför brännarnosen, se figur 7-3:2. Efter antändning brinner bränsle-luft-blandningen och frigör den kemiska energin hos bränslet. Den temperaturhöjning som erhålls medför en uppvärmning, genom bl a strålning från flamman, av den bränsle-luft-blandning som strömmar ut genom brännaren mot förbränningszonen. Det finns alltså ett värmeflöde i riktning mot den tillförda bränsle-luftblandningen, vilket leder till uppvärmning av blandningen. Då uppvärmningen är tillräcklig antänds blandningen, och en flamfront med en viss förbränningshastighet bildas. Förbränningshastigheten minskar med lägre temperatur och ökar med högre temperatur hos blandningen. Det finns alltså två hastigheter att ta hänsyn till. Den ena är bränsle-luft-blandningens utströmningshastighet ut från brännaren, och den andra är flamfrontens hastighet in mot brännaren. Jämför med att promenera på en rullbana i tunnelbanan. Man kan gå mot rullbanans rörelseriktning och om man går snabbare än banan, rör man sig mot den och om man går långsammare, följer man med den. Går man med exakt samma hastighet står man stilla mot sin omgivning. Rör sig alltså flamfronten med exakt samma hastighet, som den utströmmande blandningen, stannar flamman kvar vid brännarnosen

22 Figur 7-3:2 Om flamfronten får en högre hastighet än den från brännaren utströmmande blandningen, rör sig flamfronten mot brännarmynningen. Då närmar sig flamfronten kallare ytor som kyler av flamfronten och sänker förbränningshastigheten. Bränsleluftblandningens hastighet ut ur brännarmynningen tar överhand och flamman flyttas utåt (detsamma som att gå långsammare mot rullbanans riktning man börjar följa med den). Då avståndet åter är så stort att avkylningseffekten ej längre är så hög, stiger åter temperaturen, och därmed höjs förbränningshastigheten och balanserar slutligen flödeshastigheten. Flamfronten stannar då i ett stabilt läge. Om blandningens hastighet är högre än flamfrontens hastighet, blåser flamman bort från brännaren och kan slockna eller bli mycket instabil Hur sker förbränningen av bränsleluftblandningen? Olja Oljan måste först fördelas i fina droppar för att det skall vara möjligt att blanda den med luftens syre. Varje kubikcentimeter olja fördelas i så många små droppar, att deras sammanlagda yta blir mer än 100 gånger den ursprungliga droppens yta. Finfördelningen görs med hjälp av tryckluft eller ånga i själva brännarmunstycket. Utanför munstycket sker inblandningen av förbränningsluft. Då bränsle-luftblandningen värms upp, startar först en förgasning av lättare fraktioner av oljedropparna, och de antänds och förbränns, så snart deras antändningstemperatur har uppnåtts. Sedan följer de allt tyngre fraktionerna, och till slut återstår ett fast "skelett" av koks, som brinner samtidigt som det ofta sprängs i mindre delar, som brinner upp var för sig. Detta kan ibland ses i en oljeflamma som små gnistor, som flyger iväg

23 Gas I gasbrännaren blandas gasen och luften utanför mynningen. Så snart antändningstemperaturen uppnåtts startar förbränningen. Vid mindre brännare kan gas och luft blandas före brännarmynningen, och den färdiga blandningen leds sedan ut genom brännaren. Denna är då utförd så att den kyler flamman så kraftigt att den ej kan gå tillbaka in i brännaren. Ofta sker kylningen genom en skiva med många små hål, genom vilken blandningen måste passera. För båda bränsletyperna gäller att den kemiska energin är bunden i form av C och H 2, (kol och väte). Då dessa förbränns bildas CO 2 och H 2 O (koldioxid och vatten). Sker förbränningen med för litet luft bildas CO (kolmonoxid), som är mycket giftig Hur kan förbränningsförloppet varieras? Förbränningszonen kan varieras genom att påverka blandningsförloppet mellan bränsle och luft. Snabb blandning och snabb uppvärmning (genom t ex återföring av heta rökgasprodukter) ger en kort intensiv flamma. Detta kräver i regel högre lufttryck på förbränningsluften, som ofta ges rotation och får passera ut genom förträngningar för att öka turbulensen, som förbättrar flamhållningen. Genom förvärmning av förbränningsluften kan man också öka förbränningshastigheten. Då en längre flamma önskas, tillför man luft och bränsle i parallella flöden, som långsamt blandar sig med varandra. Observera att vid mycket dåliga blandningsförhållanden kan en lång rykande flamma bildas, och denna blir i regel ej mycket bättre om mer luft tillsätts. Man ökar i stället förlusterna genom att luften innehåller ca 79 % kväve (N 2 ), som ej alls deltar i någon förbränning. Man värmer bara denna stora barlast från förbränningsluftens ingående temperatur till den temperatur avgaserna har då de lämnar ugnen. För denna värmning krävs en hel del energi, som egentligen skulle ha kunnat användas för värmning av ämnen. NO x -bildning Vid höga temperaturer i flamman, och en samtidigt hög O 2 -halt, underlättas bildningen av kväveoxider, NO x. NO x är ett samlingsbegrepp för de gasformiga oxider som bildas med förbränningsluftens kväve (N 2 ). På senare år har problemet med NO x -bildningen uppmärksammats alltmer, eftersom dessa kväveoxider utgör en hälsofara. Brännarfabrikanterna har därför konstruerat nya brännartyper, som ger lägre halter av NO x. Dessa brännare arbetar med en återcirkulering av förbränningsprodukter (som är inerta), som undertrycker NO x -bildningen. Man tillför också ibland förbränningsluften i flera steg, vilket verkar hämmande på NO x -bildningen genom att flamtemperaturen hålls nere. 3.3 Viktigt för effektiv förbränning Följande parametrar är viktiga för effektiv förbränning: Blandningsförloppet Brännaren måste blanda luft och bränsle så bra att det tillsatta syret når allt bränslet. Jämför med att blanda två olika färger i en burk. Man måste blanda mycket noga för att stråk av någondera färgen ej skall synas. Detsamma gäller för brännaren. Det får ej finnas stråk av vare sig ren luft eller rent bränsle. Dessa stråk kanske aldrig utjämnas utan fortsätter genom hela ugnen. I stråk med för mycket luft kan man få glödskalsbildning eller avkolning på stålytan. Där det finns för mycket bränsle, kan ej bränslet förbrännas till fullo. Brännbara gaser följer då med avgaserna ut från ugnen, och det innebär energiförluster

24 3.3.2 Luftfaktorn Vad är då den s k luftfaktorn? Jo, det är ett tal som betecknar hur mycket luft, som faktiskt tillförs, i förhållande till vad, som teoretiskt skulle behövas vid perfekt förbränning, s k stökiometrisk förbränning. Figur 7-3:3 Luftfaktorn 1 betyder att exakt rätt mängd luft, som behövs för att förbränna en viss mängd bränsle, tillsätts i brännaren. Luftfaktor >1 (betyder större än 1) innebär att mer luft än vad som behövs tillsätts. Förbränningen är då överstökiometrisk. En luftfaktor <1 (mindre än 1) innebär att luftmängden är mindre än den erforderliga. Förbränningen är då understökiometrisk. Observera att luften skall tillsättas i brännaren och inte genom några läckage vid luckor etc. I praktiken kan inte en brännare blanda luft och bränsle helt perfekt utan man tvingas tillföra en aning "extra" luft för att vara säker på att allt bränsle kan förbrännas. Luftfaktorn bör alltså ligga strax över 1 vid effektiv ugnsdrift. Om brännaren tillförs alldeles för mycket luft, kommer denna extra luft att komma in i ugnen genom brännaren vid en låg temperatur och lämna ugnen med avgaserna vid en hög temperatur. Den extra luften deltar inte i förbränningen, utan ger endast ökade förluster och onödigt hög bränsleförbrukning. Används för lite luft bränns ej allt bränsle upp, och en del av energin blir i stället outnyttjad och följer med avgaserna ut som brännbara gaser. Dessa avgaser kan då också vara mycket giftiga av det endast delvis förbrända bränslet, eftersom kolmonoxid kan ha bildats

25 Lämplig luftfaktor vid förbränning av: gas 1,05 1,07 olja 1,10 1,15 Kom ihåg: Om en onödigt hög luftfaktor skulle bestraffas med böter, så borde en luftfaktor under 1,05 ge fängelse. Anm: Det finns dock speciella ugnar som medvetet körs med en luftfaktor lägre än 1,0 för att skapa en reducerande atmosfär i ugnen Flamhållningen Den vid förbränningen bildade flamman får ej släppa från flamhållaren (eller brännarnosen som den också kallas), utan skall hela tiden hållas kvar vid denna. Jämför med en svetsflamma som släpper. Svetsen slocknar omedelbart. En flamma i ett varmt ugnsrum kanske ej slocknar direkt, om pådraget är högt och ugnen uppe i hög temperatur, men då pådraget minskas slocknar kanske flamman, eftersom värmeutvecklingen minskar och därmed förutsättningen för att en fri flamma skall kunna brinna. Flamhållningen påverkas av bränslets förbränningshastighet och av temperaturen. Flamman brinner i riktning mot det tillförda bränslet, och om flammans front rör sig med exakt samma hastighet som bränsleströmmen, så hänger flamman kvar vid brännaren och släpper ej. Flamhållningen beror också på hur brännarens nos är utförd och på hur luft/bränsle tillförs. Plana ytor ger på sin baksida en virvelbildning, som stabiliserar flamman. Stabilisering kan även erhållas genom att sätta rotation på bränsle/luftblandningen. Även den keramiska dysan utanför brännarnosen ger en stabilisering, genom att den blir mycket varm och höjer förbränningshastigheten, så att utblåsning ej sker. Konformen hos dysan ger plats för det av temperaturhöjningen expanderande gasflödet, så att hastigheten hålls relativt konstant Brännarimpulsen Brännarimpulsen är beroende både av hastigheten och av mängden hos den utströmmande bränsle-luftblandningen. Högre hastighet och/eller mängd ger högre impuls. Brännarimpulsen bör vara så hög som möjligt, utan att flamman blåser ut eller att ljudnivån blir för hög. En hög impuls innebär att brännaren sätter fart på ugnsavgaserna, så att de rör sig snabbt genom ugnsrummet. Hög hastighet ger bra värmeöverföring. Jämför med hur det känns då man blåser på sin hand i en het bastu. Handen känns som om den utsattes för en brännande luftström, medan den övriga kroppen kan vistas i bastun utan alltför intensiv värmekänsla. 3.4 Förbränning och miljö All förbränning ger någon form av förbränningsprodukter. En del kan vara helt ofarliga, medan andra är mer eller mindre skadliga för människa och miljö, se figur 7-3:4. Allmänt kan man säga att väte, H 2, i bränslet ger ofarligt vatten som slutprodukt, medan svavel, kol och kväve (S, C, och N 2 ) ger olika produkter, som klassas som skadliga för miljön. Vanliga förbränningsprodukter är SO 2, SO 3, CO, CO 2, NO, NO 2, som alla påverkar vår omgivning. Alla föreningarna av S, C, och N 2, som innehåller syre (O 2 ), kallas oxider och uppträder i gasform

26 Figur 7-3: Påverkan från svavel, S Svavlet i bränslet bildar svaveloxider av två typer, SO 2 och SO 3. Dessa ger försurning av naturen och kan även skada förbränningsanläggningen, genom att frätande syror faller ut i avgaserna, när dessa kyls under den s k syradaggpunkten vid ca 150 C. Genom lagstiftning har man begränsat användningen av bränslen med höga svavelhalter Påverkan från kol, C Kolet, som alltid finns i stora mängder i bränslet, bildar med syre främst koldioxid, som bidrar till den s k växthuseffekten. Jordens temperaturnivå ökar, genom att värmeutstrålning från jorden försvåras. Vid s k ofullständig förbränning (med luftfaktor mindre än ett) bildas delvis oförbränt bränsle, som kan vara cancerframkallande och innehålla giftig kolmonoxid (CO) Påverkan från kväve, N2 Kväveoxiderna NO och NO 2 samlas under en allmän beteckning, NO X, men i miljösammanhang sätts gränsvärdet för NO X i form av NO 2. NO X är skadligt för människans andningsvägar (lungskador kan uppstå), men har även en skadlig inverkan på miljön

27 Figur 7-3: Påverkan av sot och stoft I avgaserna finns större eller mindre mängder av sot och stoft. Luftfuktighet binds lätt i sotet eller stoftet. De fuktiga partiklarna kan lätt klumpa sig samman till större enheter. Under inverkan av framför allt svaveloxiderna blir partiklarna sura. Sot- och stoftnedfallet blir med andra ord surt och verkar försurande på naturen. Det sura nedfall vi idag upplever i Sverige, orsakas dock till största delen av utsläpp i Centraleuropa. Även skadliga tungmetaller binds och sprids på detta sätt. 4 Värmning och värmningsförlopp 4.1 Energibehov i material Hur mycket energi behöver egentligen "matas in i" ett stålämne för att det skall bli varmt? Det beror förstås på hur mycket stål som skall värmas och till vilken temperatur värmningen skall ske. I diagrammet (Figur 7-4:1) kan man avläsa den ungefärliga energimängd som ett ton järn eller stål innehåller vid olika temperaturer. (Den exakta energimängden beror av stålets sammansättning). "Hacken" i kurvan beror på att olika omvandlingar äger rum i stålet vid olika temperaturer. Vid ca 1600 C smälter stålet, och därför ökar energiinnehållet kraftigt med stigande temperatur

28 Figur 7-4:1 Kurvan visar t ex att ett ton stål måste uppta cirka 190 kwh energi för att värmas till 1000 C. I en verklig ugn tillförs energi i form av bränsle eller elenergi. I alla ugnar finns det förluster som gör att endast en del av den tillförda energin kommer stålet tillgodo. Förlusterna beror på att varma avgaser lämnar ugnen, att energi går ut genom ugnsväggarna, att kylvatten bortför värme etc. Om förlusterna i en ugn uppgår till hälften av energin i det tillförda bränslet måste alltså = 380 kwh tillföras för att värma ett ton stål till 1000 C, enligt exemplet ovan. Hur mycket bränsle motsvarar 190 kwh värme? Energin som finns i 1 ton stål vid 1000 C är 190 kwh värme. Samma energimängd finns i följande bränslemängder: Bränsleslag Energiinnehåll Bränslemängd för 190 kwh Tjockolja 41,4 MJ/kg (eller 11,5 kwh/kg) 17,6 kg Gasol 46 MJ/kg (eller 12,8 kwh/kg) 14,8 kg Obs: De ovan angivna bränslemängderna kan aldrig uppnås i verkliga ugnar. Verkliga förbrukningar ligger avsevärt högre, vanligen 2 5 gånger. Går det åt mycket energi för att värma stål i jämförelse med att värma andra ämnen? I tabellen nedan anges hur många kwh som behöver tillföras till 1 ton av olika material för att värma upp dessa 1 C vid rumstemperatur

29 Material Ökning av energiinnehåll i materialet Faktor jämfört vid temperaturökning med 1 C med stål vid rumstemperatur, kwh/ C 1 ton stål 0, ton luft (780 nm 3 ) 0,28 2,2 1 ton vatten 1,17 9 Vatten upptar således nio gånger så mycket energi som stål (vid temperaturer under 100 C)! Detta faktum, att vatten kan lagra energi så bra, gör det speciellt lämpligt att använda i värmesystem, energilager etc. 4.2 Värmningskurva Värmningskurvan för en ugn väljs så att snabbaste värmning sker med minsta möjliga bränsletillförsel. Värmningskurvan väljs olika för olika material av skäl som anges nedan. Figur 7-4:2 I början av värmningen, då materialet är kallt, värms det med energi från de utgående avgaserna ur ugnen. För att utnyttja avgaserna så effektivt som möjligt, ges avgaserna hög hastighet genom att ugnstaket dras ned och tvärsnittsarean minskas. Den ökande gashastigheten förbättrar den konvektiva värmeöverföringen från gas till material. I nästa del av ugnen har man höga gastemperaturer och kan överföra stora energimängder genom strålning och konvektion. Då är det viktigt att ej värma för snabbt så att materialet skadas (bränns, spricker, böjs) eller avkolas. Under värmningen strävar man efter att få in tillräckligt med energi i materialet så att det blir genomvärmt. Värmeledningen för materialet spelar då en avgörande roll tillsammans med energiupplagringsförmågan

30 Om materialet ej längre kan leda energin inåt i samma takt som det tillförs, stiger yttemperaturen snabbt och en lokal smältning/avbränna kan ske. Man har då överskridit den effektivaste värmningskurvan. För vissa material får man av strukturskäl eller spänningsskäl ej heller följa den maximala värmningskurvan. Sprickbildning kan till exempel lätt uppstå. I slutzonen skall materialet slutligen ha uppnått så hög yttemperatur och lagrat upp så mycket energi totalt, att det inträder en temperaturutjämning över hela tvärsnittet med en slutlig korrekt temperaturnivå. Man försöker undvika att få för hög materialtemperatur för tidigt i ugnen för att materialet ej skall utsättas för onödigt stor avkolning och avbränna om det måste ligga kvar i ugnen under lägre tid än planerat, t ex på grund av driftstopp i valsverket. 4.3 Glödskal och avkolning Vid all värmning, då materialet uppnår högre temperaturer, sker en påverkan på ytan från det syre som ugnsrummet innehåller. En oxidering av ytan sker och s k glödskal bildas. Glödskalet är oxid av stål, och då det bildas, frigörs faktiskt en del värme som kommer ugnen tillgodo. (Denna energi är dock mycket dyr och inte önskvärd). Figur 7-4:3 Även kolet i stålet (i form av Fe 3 C, järnkarbid) kan oxideras till kolmonoxid, om ugnsatmosfären innehåller fritt syre, vattenånga eller väte (H 2 ) och koldioxid samtidigt. En ytavkolning, dvs en minskning av stålets kolhalt i ytan, sker och stålets ythårdhet minskar. Detta försämrar produktkvaliteten och bör därför om möjligt förhindras. Allmänt kan man säga att glödskalsbildning och avkolning ökar med temperaturen och ugnsatmosfärens syrehalt, speciellt om vattenånga finns närvarande. Detta innebär att en låg luftfaktor

31 (dock ej under 1,0) skall eftersträvas i de delar av ugnen där temperaturen är högst. Allt läckage inåt i ugnsrummet skall också undvikas i dessa områden. För att undvika avkolning och glödskalsbildning vid värmebehandling används skyddsgas, vars sammansättning ger sådana gasjämvikter att oxidering och avkolning undertrycks. Användning av skyddsgas är ett mycket komplext område, som kommenteras i ett separat avsnitt. Man bör tänka på att glödskal alltid bildas i vanliga bränsleeldade ugnar, och att det skall kunna avlägsnas före nästa arbetsmoment, som vanligen är valsning. Ibland tenderar glödskalet att bli tunt och segt och sitta fast så hårt att glödskalsrensningen ej kan få bort det. För att då kunna få bort glödskalet måste man låta glödskalsskiktet bli tjockare. Syrgashalten i ugnen måste då höjas så att oxideringen ökar, och den bildade oxiden (glödskalet) lättare flagnar av. 4.4 Värmning kan ske med bränsle eller elenergi Gasol, olja, processgaser och naturgas är de vanligaste bränslena i ugnar och pannor. För bränslen krävs brännarsystem, medan elvärmningen kräver moståndselement eller induktionsspolar tillsammans med omformare och elektronisk styrning Bränsleeldade ugnar Vid bränsleeldade ugnar produceras heta gaser som avger sin energi till ämnet genom strålning och genom konvektion. Detta är ett mycket effektiva värmeöverföringssätt. Nackdelen med bränsleeldade ugnar är de stora förlusterna som uppstår genom att heta avgaser lämnar ugnen. Det finns olika metoder att minska avgasförlusterna. Ett sätt är att återföra en del av avgasernas energi till förbränningsluften genom förvärmning i en rekuperator. Ett annat sätt är att använda delar av energin för att värma vatten eller producera ånga, som används för t ex uppvärmning av lokaler, tappvarmvatten och processbad (ex betbad) Elvärmda ugnar 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 iakttaga 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 s k 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