Cuptor cu arc: proiectare, principiu de funcționare, performanță, sistem de control

Un cuptor cu arc electric pentru fabricarea oțelului (EAF) este un dispozitiv care încălzește materialul prin îndoire electrică.

Unitățile industriale variază ca mărime, de la unități mici cu o capacitate de aproximativ o tonă (utilizate în turnătorii) pentru producție produse din fontă) până la 400 de unități pe tonă utilizate pentru fabricarea secundară a oțelului. Cuptoarele cu arc, CPB-urile utilizate în laboratoarele de cercetare pot avea capacități de numai câteva zeci de grame. Unitățile industriale pot atinge temperaturi de până la 1800 °C (3272 °F), în timp ce unitățile de laborator depășesc 3000 °C (5432 °F).

Cuptoarele cu arc electric (EAF) diferă de cuptoarele cu inducție prin faptul că materialul încărcat este expus direct la îndoirea electrică, iar curentul la borne trece prin materialul încărcat.

Construcții

Un cuptor siderurgic cu arc electric este utilizat pentru producerea oțelului și este format dintr-un vas refractar. În mare parte împărțit în trei secțiuni:

• Învelișul, care constă din pereții laterali și "bolul" inferior din oțel.
• Tavă care este alcătuită din material refractar.
• Acoperișul. Poate fi cu o căptușeală rezistentă la căldură sau răcită cu apă. Și, de asemenea, sub formă de bilă sau de trunchi de con (secțiune conică). Acoperișul suportă, de asemenea, o deltă refractară în centrul său, prin care intră unul sau mai mulți electrozi de grafit.

Elemente individuale

Căminul poate fi de formă semisferică și este necesar la un cuptor excentric pentru a bate fundul. În fabricile moderne, cuptorul cu arc electric - CPB 5 - este adesea ridicat deasupra parterului, astfel încât cuvele 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 se află instrumentul.

Un instrument unic

Un cuptor cu arc de oțel DSP 3 tipic este alimentat de o sursă de alimentare trifazată și, prin urmare, are trei electrozi. Acestea au o secțiune circulară, iar segmentele sunt de obicei filetate, astfel încât să se poată adăuga noi elemente pe măsură ce sunt purtate.

Se formează un arc electric între materialul încărcat și electrod. Încărcătura este încălzită atât de curentul care o traversează, cât și de energia emisă de undă. Temperaturile ating aproximativ 3000 °C (5000 °F), ceea ce face ca secțiunile inferioare ale electrozilor să strălucească în timpul funcționării cuptor de oțel cu arc electric.

Celulele sunt ridicate și coborâte automat de un sistem de poziționare care poate utiliza orice troliu electric, troliu sau cilindri hidraulici. Reglarea menține un curent aproximativ constant. Și ce putere este consumată de cuptorul de oțel cu arc electric? Este menținută constantă în timpul topirii încărcăturii, chiar dacă resturile se pot deplasa sub electrozi pe măsură ce se topesc. Brațele catargului care susțin elementul pot purta fie bare colectoare grele (care pot fi tuburi de cupru goale cu răcire cu apă, aducând curentul la cleme), fie "furtunuri calde", unde întregul vârf poartă încărcătura, crescând eficiența.

Acest din urmă tip poate fi fabricat din oțel acoperit cu cupru sau din aluminiu. Cabluri mari răcite cu apă conectează barele colectoare sau consolele la un transformator de lângă cuptor. Un astfel de instrument este instalat într-o boltă și răcit cu apă.

operațiuni de exploatare și alte operațiuni

Cuptorul cu arc electric DSP 50 este construit pe o platformă înclinată, astfel încât oțelul lichid să poată fi turnat într-un alt recipient pentru transport. Operațiunea de înclinare pentru a transfera oțelul topit se numește batere. Inițial, toate bolțile cuptoarelor cu arc de oțel aveau un canal de evacuare acoperit cu refractare, care se spăla atunci când cuptorul era înclinat.

Dar, de multe ori, echipamentele moderne au un robinet de fund excentric (EBT) pentru a reduce includerea azotului și a zgurii în oțelul lichid. Aceste cuptoare au o deschizătură care trece vertical prin vatră și coajă și descentrată într-o "gură" îngustă în formă de ou. Este umplut cu nisip refractar.

Instalațiile moderne pot avea două cochilii cu un set de electrozi transferat între ele. Prima parte încălzește deșeurile, iar cealaltă parte este folosită pentru topire. Alte cuptoare de curent continuu au un aranjament similar, dar au electrozi pentru fiecare înveliș și un set de electrozi.

Celule de oxigen

Cuptoarele cu curent alternativ au de obicei un model de puncte calde și reci în jurul circumferinței focarului, între electrozi. Cele moderne au un arzător cu combustibil de oxigen în peretele lateral. Acestea sunt utilizate pentru a hrăni energia chimică în zonele minus, ceea ce face ca încălzirea oțelului să fie mai uniformă. Energia suplimentară este furnizată prin alimentarea cuptorului cu oxigen și carbon. Din punct de vedere istoric, acest lucru se făcea cu ajutorul unor lănci (țevi goale din oțel moale) în ușa de zgură, în prezent se face mai ales cu ajutorul unor unități de injecție montate pe perete, care combină arzătoarele cu oxigen-combustibil și sistemele de alimentare cu aer într-un singur recipient.

Un furnal modern de dimensiuni medii pentru fabricarea oțelului are un transformator cu o putere nominală de aproximativ 60 000 000 de volți-amperi (60 MVA), cu o tensiune secundară cuprinsă între 400 și 900 și un curent de peste 44 000 de volți-amperi. Într-o instalație modernă, un astfel de cuptor este de așteptat să producă 80 de tone de oțel topit în aproximativ 50 de minute, de la încărcarea fierului vechi la rece până la evacuarea.

În comparație, un cuptor cu oxigen de bază poate produce 150-300 de tone pe lot sau "căldură" și eliberează căldura în 30-40 de minute. Există diferențe uriașe în ceea ce privește detaliile de proiectare și funcționare a cuptoarelor, în funcție de produsul final și de condițiile locale, precum și de cercetările efectuate pentru a îmbunătăți eficiența instalației.

Cea mai mare, destinată doar pentru fier vechi (în ceea ce privește greutatea robinetului și puterea transformatorului), este o unitate de curent continuu exportată din Japonia, cu o greutate a robinetului de 420 de tone metrice și alimentată de opt transformatoare de 32 MVA pentru o capacitate totală de 256 MVA.

Producerea unei tone de oțel într-un cuptor electric cu arc necesită aproximativ 400 kWh pe tonă scurtă sau aproximativ 440 kWh pe tonă metrică. Puterea minimă teoretică, necesare pentru topirea fierului vechi este de 300 kWh (punctul de topire 1520 °C / 2768 °F). O EDP de 300 MWh ar necesita, prin urmare, aproximativ 132 MWh de energie și un timp de pornire de aproximativ 37 de minute.

Producția de oțel cu ajutorul arcului electric este viabilă din punct de vedere economic numai dacă există suficientă energie electrică și o rețea bine dezvoltată. În multe locuri, fabricile funcționează în afara orelor de vârf, când utilitățile au o capacitate de producție excedentară și prețul contorului este mai mic.

Operațiunea

Cuptorul cu arc electric toarnă oțelul într-o mică ladă de turnare. Resturile de metal sunt livrate într-o nișă de lângă atelierul de topitură. De obicei, deșeurile sunt de două tipuri principale: deșeuri (produse albe, mașini și alte articole fabricate din oțel ușor similar) și deșeuri grele (plăci și grinzi mari), plus o parte din fier de reducere directă (DRI) sau fontă pentru echilibru chimic. Cuptoarele individuale topesc aproape 100% DRI.

pasul următor

Resturile de fier vechi sunt încărcate în găleți mari, numite coșuri, cu uși rabatabile pentru bază. Trebuie avut grijă să se păstreze resturile în coș pentru a asigura o bună funcționare a cuptorului. Topitura puternică se așează deasupra cu un strat ușor de resturi de protecție, peste care se așează încă puțin mai mult. Toate acestea trebuie să fie prezente în cuptor după încărcare. În acest moment, recipientul poate fi mutat într-un preîncălzitor de deșeuri, care utilizează gazele fierbinți, reziduale ale instalației pentru a topi și a recupera energie, crescând astfel eficiența.

Revărsare

Vasul este apoi dus la topitorie, acoperișul cuptorului este înclinat, iar materialul este încărcat în cuptor. Supraalimentarea este una dintre cele mai periculoase operațiuni pentru operatori. O mulțime de energie potențială este eliberată de tonele de metal în cădere. Orice material lichid din cuptor este deseori deplasat de resturi solide și de grăsime în sus și în afară. Praful de pe metal se aprinde în cazul în care cuptorul este fierbinte, provocând o explozie cu bile de foc.

În unele cuptoare cu carcasă dublă, deșeurile sunt încărcate în cea de-a doua carcasă în timp ce prima se topește și sunt preîncălzite de gazele de evacuare din partea activă. Alte operațiuni sunt încărcarea și revenirea continuă pe o bandă transportoare, care apoi descarcă metalul în cuptorul propriu-zis. Alte unități pot fi încărcate cu materiale fierbinți de la alte operațiuni.

Tensiune

După încărcare, acoperișul este articulat peste aragaz și începe topirea. Electrozii sunt coborâți pe fier vechi, se formează un arc electric și apoi electrozii sunt poziționați astfel încât să se împrăștie într-un strat de firimituri în partea superioară a unității. Pentru această operațiune se aleg tensiuni joase, pentru a proteja acoperișul și pereții de căldură excesivă și de deteriorarea arcului electric.

Odată ce electrozii au ajuns la topitura grea de la baza cuptorului și undele sunt protejate de deșeuri, tensiunea poate fi crescută și electrozii ridicați ușor, prelungind și crescând puterea de topire. Acest lucru permite ca baia topită să se formeze mai repede, reducând timpul de evacuare.

Oxigenul este suflat în fier vechi, arzând sau tăind oțelul, iar căldura chimică suplimentară este furnizată de arzătoarele de perete. Ambele procese accelerează substanța topită. Duzele supersonice permit jeturilor de oxigen să pătrundă în zgura spumoasă și să ajungă în baia de lichid.

Oxidarea impurităților

O parte importantă a fabricării oțelului este formarea zgurii, care plutește la suprafața oțelului topit. De obicei, este format din oxizi metalici și acționează, de asemenea, ca spațiu pentru colectarea impurităților oxidate, ca o pătură termică (care oprește pierderile excesive de căldură) și contribuie, de asemenea, la reducerea eroziunii căptușelii refractare.

Pentru un cuptor refractar de bază care produce oțel carbon, oxidul de calciu (CaO sub formă de var ars) și oxidul de magneziu (MgO sub formă de dolomită și magnezită) sunt zgurii obișnuite.). Aceste substanțe sunt fie încărcate cu deșeuri, fie suflate în cuptor în timpul topirii.

Un alt constituent important este oxidul de fier format prin arderea oțelului cu oxigen injectat. Carbonul (sub formă de carbon) este ulterior injectat în acest strat în timpul încălzirii, reacționând cu oxidul de fier pentru a forma metal și monoxid de carbon. Acest lucru duce la o spumare a zgurii, ceea ce asigură o eficiență termică mai mare. Acoperirea împiedică căldura radiantă să deterioreze acoperișul și pereții laterali ai cuptorului.

Arderea impurităților

Odată ce deșeurile sunt complet topite și se obține o baie plană, o altă găleată poate fi încărcată în cuptor. După ce a doua încărcătură este complet topită, se efectuează operațiunile de rafinare pentru verificare și corectarea compoziției chimice a oțelului și supraîncălzirea topiturii peste punctul de congelare în vederea pregătirii pentru eliberare. Se introduc mai mulți agenți de formare a zgurii și se introduce mult oxigen în baie, arzând impurități precum siliciul, sulful, fosforul, aluminiul, manganul și calciul și eliminând oxizii acestora din zgură.

Carbonul este eliminat după ce aceste elemente au ars mai întâi, deoarece au o afinitate mai mare pentru oxigen. 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 cu reducere directă și a fontei.

Scoria spumoasă este reținută peste tot și adesea debordează cuptorul pentru a se vărsa pe ușă în groapa destinată. Măsurarea temperaturii și prelevarea de probe chimice se realizează cu ajutorul replicatoarelor automate. Oxigenul și carbonul pot fi măsurate mecanic cu ajutorul unor sonde speciale care sunt scufundate în oțel.

Avantaje pentru producție

Utilizarea unui sistem de control al cuptorului cu arc electric permite oțelăriei să producă oțel din deșeuri 100%. Acest lucru reduce semnificativ energia necesară pentru producerea substanței în comparație cu producția primară din minereuri.

un alt avantaj este flexibilitatea: în același timp, cuptoarele nu pot varia considerabil în funcționarea lor precum furnalele înalte cuptoarele nu pot varia considerabil în funcționarea lor și pot funcționa timp de mai mulți ani, această unitate poate fi pornită și oprită rapid. Acest lucru permite oțelăriei să varieze producția în funcție de cerere.

Un cuptor cu arc electric tipic este sursa de oțel pentru un mini-mill care poate produce fie bare, fie benzi. Mini-moara poate fi amplasată relativ aproape de piețele de desfacere a produselor, iar cerințele de transport sunt mai mici decât în cazul unei fabrici integrate, care este de obicei amplasată aproape de țărm pentru accesul la transport.

Producția de oțel în cuptor cu arc: proiectare

Schema secțiunii transversale este cea a unui electrod care este ridicat și coborât de o transmisie cu cremalieră și pinion. Suprafața este căptușită cu cărămidă refractară și căptușeală inferioară. O ușă permite accesul la interiorul unității. Corpul cuptorului este sprijinit pe grinzi, astfel încât să poată fi înclinat pentru a putea fi exploatat.