Rozwój przemysłu hutniczego w XX i XXI wieku w dużej mierze opiera się na upowszechnieniu pieców elektrycznych, a wśród nich szczególne miejsce zajmuje piec hutniczy łukowy. To urządzenie, zasilane energią elektryczną, pozwala na elastyczną i efektywną produkcję stali głównie z wsadu złomowego, ograniczając zużycie rudy żelaza i koksu. Dzięki temu staje się jednym z kluczowych narzędzi w procesie transformacji hutnictwa w kierunku niższej emisyjności i większej efektywności energetycznej.

Podstawowe elementy konstrukcyjne pieca łukowego

Piec hutniczy łukowy, określany skrótem EAF (Electric Arc Furnace), jest masywną konstrukcją żaroodporną, przystosowaną do pracy w ekstremalnie wysokich temperaturach sięgających 1600–1700°C. Jego głównym zadaniem jest wytapianie stali z wsadu złomowego lub mieszanego (złom plus żelazo gąbczaste, tzw. DRI/HBI). Kluczową rolę w budowie pełnią elementy odpowiedzialne zarówno za przeniesienie energii elektrycznej, jak i za ochronę konstrukcji przed działaniem stopionego metalu i żużla.

Centralną część stanowi komora robocza, zwana również wanną pieca. Jest to cylindryczny lub lekko stożkowy zbiornik wyłożony materiałem ogniotrwałym, który tworzy tzw. wyłożenie żaroodporne. Wyłożenie składa się z kilku warstw: od strony stali znajduje się warstwa robocza z wysokiej klasy materiałów magnezytowych, magnezytowo‑chromitowych lub dolomitowych, zdolnych wytrzymać agresywne działanie żużla i ciekłej stali. Pod spodem umieszcza się warstwę izolacyjną, zmniejszającą straty cieplne oraz chroniącą stalową płaszcz pieca przed przegrzaniem.

Sam płaszcz pieca wykonuje się ze stali konstrukcyjnej o dużej wytrzymałości mechanicznej. Płaszcz jest z zewnątrz chłodzony powietrzem lub wodą (panelami chłodzonymi wodą), aby ograniczyć deformacje termiczne. Często stosuje się specjalne panele wodne w górnej części ścian bocznych oraz w sklepieniu pieca, co pozwala na znaczące zwiększenie trwałości eksploatacyjnej i redukcję kosztów remontów wyłożenia.

Jednym z najbardziej charakterystycznych elementów pieca jest sklepienie. Jest ono najczęściej całkowicie demontowalne i obracane lub przesuwane, aby umożliwić załadunek wsadu od góry przy pomocy suwnicy. W sklepieniu znajdują się przepusty dla elektrod grafitowych i często otwory technologiczne do podawania tlenu, wdmuchiwania materiałów sypkich lub odprowadzania spalin. Sklepienie, podobnie jak ściany pieca, jest intensywnie chłodzone i wyłożone materiałami ogniotrwałymi o dużej odporności termicznej.

Kluczowym podzespołem pieca łukowego jest zespół elektrod grafitowych. Stosuje się trzy elektrody dla prądu trójfazowego, rozmieszczone w wierzchołkach trójkąta równobocznego, wprowadzane pionowo przez sklepienie do wnętrza komory roboczej. Elektrody są zbudowane z odcinków grafitowych o wysokiej czystości, łączonych gwintowanymi tulejami. Ze względu na ekstremalne warunki pracy elektrody zużywają się w wyniku spalania i erozji, co wymaga regularnego dołączania kolejnych segmentów. Utrzymanie odpowiedniej długości i położenia elektrod jest zadaniem automatycznego układu elektrodo‑prowadzenia, który reaguje na zmiany prądu łuku i poziomu kąpieli metalowej.

Piec łukowy posadowiony jest na ruchomej konstrukcji umożliwiającej przechylanie korpusu. Funkcja przechyłu jest wykorzystywana podczas spustu ciekłej stali do kadzi stalowniczej oraz przy usuwaniu żużla. Mechanizm przechyłu realizowany jest najczęściej przez napęd hydrauliczny lub elektromechaniczny, a kąty przechyłu są precyzyjnie kontrolowane. W konstrukcji dna pieca można dodatkowo umieścić otwory spustowe, zamykane korkami ogniotrwałymi lub specjalnymi systemami suwakowymi, co umożliwia dolny spust stali o wysokiej czystości metalurgicznej.

Istotnym elementem jest również układ zasilania elektrycznego, który obejmuje transformator piecowy, szyny prądowe, przewody elastyczne oraz układy kompensacji mocy biernej. Transformator piecowy jest jednym z największych odbiorników energii w całym zakładzie hutniczym; musi zapewniać bardzo wysokie prądy robocze, sięgające dziesiątek kiloamperów, przy stosunkowo niskim napięciu na zaciskach wtórnych. Transformator ten jest wyposażony w przełącznik zaczepów pod obciążeniem, co pozwala regulować napięcie i tym samym moc łuku.

Kompletną konstrukcję uzupełniają: system odpylania i odprowadzania spalin, instalacje tlenowe i gazowe, urządzenia do dozowania materiałów sypkich (wapna, fluorytu, dodatków stopowych), system chłodzenia wodnego, a także rozbudowane układy automatyki procesu. Współczesne piece łukowe stają się coraz bardziej zautomatyzowane, a nadzór nad nimi sprawują zintegrowane systemy komputerowe, monitorujące parametry pracy w czasie rzeczywistym.

Zasada działania i przebieg procesu w piecu łukowym

Zasada działania pieca hutniczego łukowego opiera się na zjawisku wyładowania elektrycznego między elektrodami grafitowymi a wsadem metalicznym, czyli na wytwarzaniu łuku elektrycznego. Łuk jest niezwykle intensywnym źródłem energii cieplnej, a jego temperatura lokalna może przekraczać 3500–4000°C. Energia elektryczna zamieniana jest bezpośrednio na ciepło w obszarze łuku i w kąpieli metalowej, co pozwala na szybkie doprowadzenie wsadu do temperatury topnienia i dalszego przegrzewu ciekłej stali.

Cykl pracy pieca łukowego można podzielić na kilka głównych etapów: załadunek wsadu, topienie, rafinacja metalurgiczna, odtlenianie i stopowanie oraz spust stali i żużla. Szczegółowy przebieg zależy od typu produkowanej stali, zastosowanego wsadu oraz wyposażenia pieca (np. obecności systemu wdmuchiwania tlenu, palników gazowo‑tlenowych, systemów dogrzewania gazów spalinowych, pieców kadziowych itp.).

Załadunek wsadu

Tradycyjną metodą jest załadunek wsadu od góry, po odsunięciu sklepienia pieca. Wsad stanowi głównie złom stalowy różnego pochodzenia: złom wielkogabarytowy, złom pakietowy, odpady poprodukcyjne z walcowni oraz przygotowane wsady DRI/HBI. Złom układa się w tzw. koszach załadowczych, a następnie za pomocą suwnicy wprowadza do wnętrza pieca. Ważnym elementem planowania produkcji jest właściwe dobranie składu wsadu, aby zapewnić odpowiedni bilans chemiczny i cieplny, a także ograniczyć zanieczyszczenia, takie jak miedź, cyna czy cynk.

Po załadowaniu pierwszej partii wsadu sklepienie pieca zostaje zamknięte, a elektrody zostają opuszczone. Przy zastosowaniu tzw. ładowania z góry proces może obejmować kilka wsadów, szczególnie w dużych piecach, gdzie jednorazowe wypełnienie całości objętości złomem byłoby technicznie trudne lub ekonomicznie nieuzasadnione. W nowoczesnych hutach stosuje się także ładowanie ciągłe, w którym wsad podawany jest przez otwory w sklepieniu lub ścianach bocznych, co poprawia stabilność pracy i redukuje zużycie energii.

Topienie wsadu i wytwarzanie łuku elektrycznego

Etap topienia rozpoczyna się od wytworzenia łuku elektrycznego między elektrodami a wsadem. Układ regulacji automatycznie ustawia odpowiednią wysokość elektrod, kontrolując prąd łuku i napięcie. W początkowej fazie, gdy wsad jest zimny i nieregularnie rozmieszczony, istnieje zwiększone ryzyko zwarć i wybuchów gazów, dlatego proces prowadzony jest ostrożnie, przy niższych mocach.

W miarę nagrzewania i częściowego nadtopienia górnych warstw złomu wsad zaczyna się zapadać, a łuk ustala bardziej stabilną długość. Dodatkowo stosuje się palniki tlenowo‑gazowe, które intensywnie nagrzewają górne partie złomu, przyspieszając topienie i poprawiając równomierność ogrzewania. Jednocześnie można rozpocząć wdmuchiwanie tlenu w celu utleniania niepożądanych składników, takich jak węgiel, krzem czy mangan. Utlenianie towarzyszy wydzielaniu znacznych ilości ciepła, co zmniejsza bezpośrednie zapotrzebowanie na energię elektryczną.

Znaczącą rolę odgrywa także żużel, który tworzy się ze stopionych dodatków wsadowych, głównie wapna i dolomitu, oraz z produktów reakcji chemicznych. Żużel pełni funkcję ochronną, pokrywając powierzchnię kąpieli stalowej, ograniczając straty ciepła i wchłaniając zanieczyszczenia. Odpowiednie uformowanie żużla o charakterze zasadowym jest kluczowe dla skutecznej rafinacji stali i usuwania siarki oraz fosforu.

Rafinacja metalurgiczna w piecu łukowym

Po całkowitym stopieniu wsadu rozpoczyna się faza rafinacji. Celem jest uzyskanie pożądanego składu chemicznego oraz czystości metalurgicznej ciekłej stali. Na tym etapie prowadzi się intensywne przedmuchiwanie tlenem, a także stosuje różne formy mieszania kąpieli, np. poprzez wdmuchiwanie gazów obojętnych (argon, azot) przez dno pieca lub poprzez wprowadzanie specjalnych mieszadeł elektromagnetycznych.

Rafinacja w piecu łukowym obejmuje przede wszystkim obniżanie zawartości węgla, siarki, fosforu i azotu. Utlenianie węgla (odwęglanie) przebiega z wytworzeniem tlenku węgla, który ulatnia się w postaci pęcherzy gazowych. Część CO może spalać się wtórnie nad powierzchnią kąpieli, generując dodatkowe ciepło. Właściwe prowadzenie tego procesu wymaga kontroli składu żużla i temperatury, tak aby unikać nadmiernego utleniania cennych pierwiastków stopowych (np. chromu w stalach stopowych).

Kluczowe znaczenie ma również odsiarczanie i odfosforowanie. Procesy te są ułatwione przy stosowaniu zasadowego żużla o wysokiej aktywności tlenkowej, zdolnego wiązać siarkę i fosfor w stabilne formy tlenkowe i siarczkowe. W praktyce przemysłowej często stosuje się dwuetapowe prowadzenie żużla: pierwszy żużel, silnie zanieczyszczony, jest usuwany z pieca, po czym tworzy się drugi, czystszy żużel, dostosowany do ostatecznej rafinacji i ochrony stali przed reabsorpcją zanieczyszczeń.

W nowoczesnych stalowniach część procesów rafinacyjnych przenosi się poza piec łukowy, do tzw. obróbki pozapiecowej (secondary metallurgy). Stal po wytopieniu i wstępnej rafinacji w piecu jest przetaczana do kadzi, gdzie następuje dalsze oczyszczanie, odtlenianie, odsiarczanie i precyzyjne stopowanie, często przy zastosowaniu próżni (VH, VOD, RH). Niemniej sposób prowadzenia procesu w piecu łukowym w znaczący sposób wpływa na efektywność dalszej obróbki i końcową jakość produktów.

Odtlenianie, stopowanie i spust stali

W końcowej fazie pracy pieca, po osiągnięciu wymaganego stopnia rafinacji, przeprowadza się odtlenianie ciekłej stali. Do tego celu wykorzystuje się środki odtleniające, takie jak aluminium, krzem, mangan bądź ich kombinacje. W zależności od wymaganej jakości stali stosuje się odtlenianie częściowe lub pełne, a produkty reakcji (tlenki) przechodzą do żużla lub pozostają w postaci drobnych wtrąceń niemetalicznych, które następnie są usuwane podczas obróbki pozapiecowej i odgazowania próżniowego.

Po ustabilizowaniu składu przeprowadza się stopowanie, czyli wprowadzenie dodatków stopowych – np. chromu, niklu, molibdenu, wanadu, tytanu – w odpowiednich proporcjach, aby uzyskać wymagany gatunek stali. Dodatki stopowe mogą być dodawane częściowo już na wcześniejszych etapach (dla wykorzystania ciepła reakcji utleniania), jednak precyzyjne dostrojenie składu zwykle odbywa się tuż przed spustem do kadzi, na podstawie wyników analizy próbki pobranej z kąpieli.

Spust *stali* następuje przez przechylenie pieca w kierunku wylewu i otwarcie wylotu. Ciekły metal przepływa korytem do podstawionej kadzi stalowniczej, wyłożonej materiałem ogniotrwałym i wyposażonej w własny system kontroli temperatury oraz urządzenia do próżniowania lub wdmuchiwania gazów obojętnych. Po spuszczeniu stali często następuje osobny spust żużla, zwykle przy przeciwnym przechyleniu pieca. Żużel odprowadzany jest do specjalnych dołów żużlowych lub kadzi żużlowych, gdzie następuje jego chłodzenie i dalsze zagospodarowanie.

Po zakończeniu spustu piec jest przygotowywany do kolejnego wytopu: sprawdza się stan wyłożenia ogniotrwałego, dokonuje lokalnych napraw (tzw. doglinowanie), oczyszcza wnętrze z resztek żużla i metalu. Następnie cykl rozpoczyna się od nowa, co w przypadku współczesnych pieców może trwać od 40 do 80 minut, w zależności od pojemności pieca i technologii prowadzenia wytopu.

Znaczenie pieców łukowych w nowoczesnym hutnictwie

Piec hutniczy łukowy stał się jednym z najważniejszych narzędzi w procesie restrukturyzacji i modernizacji hutnictwa. Jego zalety wynikają z możliwości wykorzystania złomu stalowego jako podstawowego wsadu, elastyczności produkcji oraz stosunkowo krótkiego cyklu wytopu. Dzięki temu piece łukowe są szczególnie atrakcyjne dla hut nastawionych na produkcję stali specjalnych, wyrobów długich oraz wyrobów o wysokiej wartości dodanej.

W odróżnieniu od tradycyjnej produkcji stali w wielkim piecu i konwertorze tlenowym, gdzie podstawą jest surowiec pierwotny (ruda żelaza, koks, topniki), w technologii pieca łukowego kluczową rolę odgrywa recykling. Wykorzystanie złomu metalowego pozwala na ograniczenie zużycia zasobów naturalnych oraz redukcję emisji dwutlenku węgla. Choć piec łukowy jest urządzeniem wysokoenergochłonnym, energia elektryczna może pochodzić ze źródeł odnawialnych, co dodatkowo poprawia bilans środowiskowy całego procesu.

Znaczący wpływ na efektywność pieca łukowego mają nowoczesne systemy automatyki i sterowania. Zastosowanie zaawansowanych algorytmów regulacji łuku, monitoringu temperatury, masy wsadu, składu gazów spalinowych oraz parametrów elektrycznych pozwala na optymalizację zużycia energii i skrócenie czasu wytopu. Systemy te integrują dane z wielu czujników – zarówno klasycznych, jak i bazujących na analizie obrazu czy pomiarach spektrometrycznych w czasie rzeczywistym – co umożliwia bardziej precyzyjne sterowanie procesem metalurgicznym.

Współczesne piece łukowe coraz częściej wyposażane są w technologie dogrzewania wsadu przy użyciu gorących gazów spalinowych. Stosuje się np. systemy odzysku ciepła z gazów odlotowych, które mogą podgrzewać złom w tunelach wstępnego nagrzewu lub służyć do produkcji pary technologicznej i energii elektrycznej w układach kogeneracyjnych. Takie rozwiązania podnoszą ogólną sprawność energetyczną instalacji i ograniczają emisję zanieczyszczeń do atmosfery.

Nie mniej istotna jest rola pieców łukowych w produkcji stali o specjalnym przeznaczeniu: stali narzędziowych, stali wysokostopowych, stali nierdzewnych czy stali łożyskowych. W tych zastosowaniach wymagana jest bardzo wysoka czystość metalurgiczna, ścisła kontrola zawartości pierwiastków śladowych oraz wtrąceń niemetalicznych. Piece łukowe, połączone z zaawansowaną obróbką pozapiecową, umożliwiają osiągnięcie parametrów, które byłyby trudne do uzyskania wyłącznie w tradycyjnych procesach konwertorowych.

Istotnym wyzwaniem pozostaje jednak integracja pieców łukowych z systemem elektroenergetycznym. Praca dużych pieców, pobierających moc rzędu setek megawatów, powoduje znaczące wahania obciążenia sieci oraz generuje zakłócenia jakości energii elektrycznej, takie jak migotanie światła czy wyższe harmoniczne. Rozwiązaniem jest stosowanie układów kompensacji mocy biernej, filtrów aktywnych i pasywnych oraz współpraca z operatorami sieci w zakresie planowania profili obciążenia. Coraz realniejszą perspektywą staje się budowa zakładów hutniczych w sąsiedztwie dużych źródeł odnawialnych, takich jak farmy wiatrowe lub fotowoltaiczne, z wykorzystaniem magazynów energii do stabilizacji pracy pieców.

Na tle globalnych trendów transformacji energetycznej i dekarbonizacji przemysłu piece hutnicze łukowe zajmują szczególne miejsce jako technologia umożliwiająca szerokie wykorzystanie złomu stalowego, ograniczenie emisji CO₂ oraz poprawę efektywności energetycznej. Rozwój materiałów ogniotrwałych, układów automatyki, technologii odzysku ciepła oraz metod obróbki pozapiecowej sprawia, że piece te ewoluują w kierunku coraz bardziej zaawansowanych, zintegrowanych systemów produkcyjnych, dostosowanych do wymogów nowoczesnego hutnictwa i gospodarki o obiegu zamkniętym.