Furnal de oțel cu arc: dispozitiv, principiu de funcționare, putere, sistem de control

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-17 10:39

Un cuptor cu arc din oțel (EAF) este un dispozitiv care încălzește materialul prin îndoire electrică.

Aparatele industriale variază în mărime de la unități mici, aproximativ o tonă de putere (folosită în turnătorii pentru a face produse din fontă) la 400 de unități pe tonă, utilizate pentru reciclarea oțelului. Cuptoarele din oțel cu arc, EAF, utilizate în laboratoarele de cercetare pot avea o capacitate de doar câteva zeci de grame. Temperatura dispozitivelor industriale poate atinge 1800 °C (3272 °F), în timp ce instalațiile de laborator depășesc 3000 °C (5432 °F).

Cuptoarele cu arc din oțel (EAF) diferă de cuptoarele cu inducție prin aceea că materialul care este încărcat este supus direct la îndoire electrică, iar curentul de la bornele trece prin materialul încărcat.

Constructii

Furnalul de oțel cu arc este utilizat pentru producția de oțel și este compus dintr-un vas refractar. Împărțit în principal în trei secțiuni:

• Shell, care constă din pereți laterali și oțel inferiorboluri.
• Palet care este fabricat din material refractar.
• Acoperiș. Poate fi cu o căptușeală rezistentă la căldură sau răcită cu apă. Și se face și sub formă de minge sau de trunchi de con (secțiune conică). Acoperișul susține și o deltă refractară în centrul său prin care intră unul sau mai mulți electrozi de grafit.

Articole individuale

Vatra poate avea o formă semisferică și este necesară într-un cuptor excentric pentru atingerea fundului. În atelierele moderne, cuptorul cu arc din oțel - EAF 5 - este adesea ridicat deasupra parterului, astfel încât oalele și oalele de zgură să poată fi manevrate cu ușurință sub fiecare capăt. Separat de structură se află suportul pentru electrozi și sistemul electric, precum și platforma înclinată pe care stă instrumentul.

Instrument unic

Un cuptor cu arc tip EAF 3 pentru topirea oțelului este alimentat de o sursă trifazată și, prin urmare, are trei electrozi. Au o secțiune rotundă și, de regulă, segmente cu îmbinări filetate, astfel încât pe măsură ce se uzează, pot fi adăugate elemente noi.

Arcul se formează între materialul încărcat și electrod. Sarcina este încălzită atât de curentul care trece prin ea, cât și de energia radiată eliberată de undă. Temperatura atinge aproximativ 3000 °C (5000 °F), ceea ce face ca secțiunile inferioare ale electrozilor să strălucească precum lămpile cu incandescență atunci când cuptorul cu arc funcționează.

Elementele sunt ridicate și coborâte automat printr-un sistem de poziționare care poate folosi oricetroliu, palan sau cilindri hidraulici. Reglarea menține un curent aproximativ constant. Care este consumul de energie al unui cuptor cu arc? Este menținut constant în timpul topirii încărcăturii, chiar dacă deșeurile se pot deplasa sub electrozi pe măsură ce se topește. Manșoanele catargului care țin elementul pot transporta fie bare colectoare grele (care pot fi tuburi goale de cupru răcite cu apă, care furnizează curent clemelor), fie „manșoane fierbinți” unde întregul vârf transportă sarcina, crescând eficiența.

Acest tip poate fi realizat din oțel placat cu cupru sau aluminiu. Cablurile mari răcite cu apă conectează barele colectoare sau consolele la un transformator situat lângă cuptor. Un instrument similar este instalat în depozit și răcit cu apă.

Atingere și alte operațiuni

Cuptorul cu arc din oțel EAF 50 este construit pe o platformă înclinată, astfel încât oțelul lichid să poată fi turnat într-un alt container pentru transport. Operația de înclinare pentru transferul oțelului topit se numește tapping. Inițial, toate bolțile de fabricare a oțelului ale cuptorului cu arc aveau un jgheab de descărcare acoperit cu material refractar, care era spălat atunci când era înclinat.

Dar de multe ori echipamentele moderne au o supapă excentrică de ieșire inferioară (EBT) pentru a reduce încorporarea azotului și a zgurii în oțelul lichid. Aceste cuptoare au o deschidere care trece vertical prin vatră și coajă și este decentrată într-un „turg” îngust în formă de ou. Este plinnisip refractar.

Plantele moderne pot avea două învelișuri cu un set de electrozi care trec între ele. Prima parte încălzește resturi, în timp ce ceal altă este folosită pentru topire. Alte cuptoare de curent continuu au un aspect similar, dar au electrozi pentru fiecare manta si un set de electronice.

Elemente oxigen

Cuptoarele de curent alternativ au de obicei un model de puncte calde și reci de-a lungul perimetrului focarului, situate între electrozi. În cele moderne, arzătoarele cu oxicombustibil sunt instalate în peretele lateral. Sunt folosite pentru a furniza energie chimică zonelor minus, ceea ce face încălzirea oțelului mai uniformă. Puterea suplimentară este furnizată prin furnizarea de oxigen și carbon la cuptor. În trecut, acest lucru se făcea cu sulițe (tuburi goale din oțel moale) în ușa de zgură, acum se face mai ales cu unități de injecție montate pe perete care combină arzătoare cu oxicombustibil și sisteme de alimentare cu aer într-un singur vas.

Un cuptor modern de oțel de dimensiuni medii are un transformator evaluat la aproximativ 60.000.000 volți-amperi (60 MVA), cu o tensiune secundară de 400 până la 900 și un curent de peste 44.000. Într-un magazin modern, un astfel de cuptorul este de așteptat să producă 80 de tone metrice de oțel lichid în aproximativ 50 de minute, de la încărcarea deșeurilor la rece până la atingere.

În comparație, cuptoarele cu oxigen de bază pot avea o capacitate de 150-300 de tone pe lot sau „se încălzi” și pot genera căldură timp de 30-40 de minute. Există diferențe uriașe în detaliile designului și funcționării cuptorului,în funcție de produsul final și de condițiile locale, precum și de cercetările în curs de îmbunătățire a eficienței instalației.

Cea mai mare deșeuri doar (în ceea ce privește greutatea și puterea transformatorului) este un dispozitiv de curent continuu exportat din Japonia cu o greutate de 420 de tone metrice și alimentat de opt transformatoare de 32 MVA pentru o putere totală de 256 MBA.

Este nevoie de aproximativ 400 de kilowați-oră pentru a produce o tonă de oțel într-un cuptor cu arc electric, sau aproximativ 440 de kWh pe metric. Energia minimă teoretică necesară pentru topirea deșeurilor de oțel este de 300 kWh (punct de topire 1520 °C / 2768 °F). Prin urmare, un EAF de 300 de tone cu o putere de 300 MVA va necesita aproximativ 132 MWh de energie, iar timpul de pornire este de aproximativ 37 de minute.

Producția de oțel folosind un arc electric este viabilă din punct de vedere economic numai dacă există suficientă energie electrică cu o rețea bine dezvoltată. În multe locuri, morile funcționează în timpul orelor de vârf, când utilitățile au o capacitate de producție în exces și prețul pe metru este mai mic.

Operațiune

Furnalul cu arc de oțel toarnă oțel într-o mașină mică de oală. Fierul vechi este livrat într-o nișă situată lângă topitorie. Deșeurile tind să vină în două soiuri principale: resturi (produse albe, mașini și alte articole fabricate dinoțel ușor) și topitură grea (plăci și grinzi mari), precum și unele fier redus direct (DRI) sau fontă brută pentru echilibru chimic. Cuptoarele separate topesc aproape 100% DRI.

Pasul următor

Deșeurile sunt încărcate în găleți mari, numite coșuri, cu uși cu clapetă pentru bază. Trebuie avut grijă să vă asigurați că deșeurile sunt în coș pentru a asigura o bună funcționare a cuptorului. O topitură puternică este așezată deasupra cu un strat ușor de fărâmă protectoare, deasupra căruia se află o altă parte. Toate acestea trebuie să fie prezente în cuptor după încărcare. În acest moment, coșul se poate muta în preîncălzitorul deșeurilor, care folosește gazele fierbinți reziduale ale topitorii pentru a recupera energie, îmbunătățind eficiența.

Depășire

Apoi vasul este dus la atelierul de topire, acoperișul cuptorului este deschis și materialul este încărcat în el. Transferul este una dintre cele mai periculoase operațiuni pentru operatori. O mulțime de energie potențială este eliberată de tone de metal în cădere. Orice materie lichidă din cuptor este adesea împinsă în sus și afară de resturi solide și grăsimi. Praful de pe metal se aprinde dacă cuptorul este fierbinte, provocând erupția unei mingi de foc.

În unele dispozitive cu dublă carcasă, deșeurile sunt încărcate în al doilea în timp ce primul se topește și sunt preîncălzite de gazele de evacuare din partea activă. Alte operatii sunt: incarcarea continua si lucrul cu temperatura pe banda transportoare, care apoi descarca metalul in cuptorul propriu-zis. Alte dispozitive pot pornisubstanță fierbinte din alte operațiuni.

Tensiune

După încărcare, acoperișul se aplecă peste cuptor și începe topirea. Electrozii sunt coborâți pe fier vechi, se creează un arc și apoi sunt așezați astfel încât să se răspândească în stratul de firimituri din partea de sus a dispozitivului. Tensiunile joase sunt selectate pentru această operațiune pentru a proteja acoperișul și pereții de căldură excesivă și deteriorarea arcului.

Odată ce electrozii au ajuns la topitura grea de la baza cuptorului și undele sunt ecranate de rangă, tensiunea poate fi crescută și electrozii ridicați ușor, prelungind și mărind puterea topiturii. Acest lucru permite formarea mai rapidă a bazinului topit, reducând timpul de conectare.

Oxigenul este suflat în fier vechi, arderea sau tăierea oțelului, iar căldura chimică suplimentară este furnizată de arzătoarele de perete. Ambele procese accelerează topirea substanței. Duzele supersonice permit jeturilor de oxigen să pătrundă în zgura care formează spumă și să ajungă în baia de lichid.

Oxidarea impurităților

O parte importantă a producției de oțel este formarea de zgură care plutește pe suprafața oțelului topit. Este de obicei compus din oxizi metalici și acționează și ca un loc de colectare a impurităților oxidate, ca o pătură termică (oprirea pierderilor excesive de căldură) și, de asemenea, ajută la reducerea eroziunii căptușelii refractare.

Pentru un cuptor cu materiale refractare de bază care produc oțel carbon, formatorii obișnuiți de zgură sunt oxidul de calciu (CaO sub formă devar) si magneziu (MgO sub forma de dolomita si magnezit.). Aceste substanțe sunt fie încărcate cu resturi, fie suflate în cuptor în timpul topirii.

O altă componentă importantă este oxidul de fier, format atunci când oțelul este ars cu oxigen introdus. Mai târziu, când este încălzit, carbonul (sub formă de cărbune) este injectat în acest strat, reacționând cu oxidul de fier pentru a forma metal și monoxid de carbon. Acest lucru are ca rezultat spumarea zgurii, rezultând o eficiență termică mai mare. Acoperirea previne deteriorarea acoperișului și a pereților laterali ai cuptorului de la căldura radiantă.

Arderea impurităților

Odată ce fierul vechi este complet topit și se ajunge la un bazin plat, o altă găleată poate fi încărcată în cuptor. După ce a doua încărcare este complet topită, se efectuează operațiuni de rafinare pentru a verifica și corecta compoziția chimică a oțelului și a supraîncălzi topitura peste punctul său de îngheț, în pregătirea pentru atingere. Sunt introduși mai mulți formatori de zgură și o mulțime de oxigen intră în baie, ardând impurități precum siliciul, sulful, fosforul, aluminiul, manganul și calciul și eliminând oxizii acestora în zgură.

Eliminarea carbonului are loc după ce aceste elemente se ard mai întâi, deoarece sunt mai asemănătoare cu oxigenul. Metalele care au o afinitate mai mică decât fierul, cum ar fi nichelul și cuprul, nu pot fi îndepărtate prin oxidare și trebuie controlate doar prin chimie. Aceasta este, de exemplu, introducerea fierului redus direct și a fontei menționate mai devreme.

Zgură spumoasăpersistă pe tot parcursul și adesea revarsă cuptorul pentru a revarsă de la ușă în groapa destinată. Măsurarea temperaturii și selecția chimică sunt efectuate folosind sulițe automate. Oxigenul și carbonul pot fi măsurate mecanic cu sonde speciale care sunt scufundate în oțel.

Beneficii de producție

Folosind un sistem de control pentru cuptoarele cu arc de topire a oțelului, este posibil să se producă oțel din materie primă 100% - fier vechi. Acest lucru reduce foarte mult energia necesară pentru a produce substanța, în comparație cu producția primară din minereuri.

Un alt beneficiu este flexibilitatea: în timp ce furnalele nu pot varia semnificativ și pot funcționa ani de zile, acesta poate fi pornit și oprit rapid. Acest lucru permite oțelului să varieze producția în funcție de cerere.

Furnalul tipic din oțel cu arc este sursa de oțel pentru mini-moara, care poate produce produse din bară sau bandă. Mini-topitoriile pot fi situate relativ aproape de piețele oțelului, iar cerințele de transport sunt mai mici decât pentru o fabrică integrată, care de obicei este situată aproape de țărm pentru accesul prin transport maritim.

Dispozitiv cuptor cu arc din oțel

Secțiunea transversală schematică este un electrod care este ridicat și coborât cu ajutorul unui pinion și cremalieră. Suprafața este căptușită cu cărămizi refractare și placare inferioară. Usa permite accesul in interiorpărți ale dispozitivului. Corpul cuptorului se sprijină pe brațe culbutoare, astfel încât să poată fi înclinat pentru atingere.