Piec łukowy: budowa, zasada działania, wydajność, układ sterowania

Łukowy piec stalowy (EAF) jest urządzeniem, które podgrzewa materiał za pomocą zginania elektrycznego.

Urządzenia przemysłowe mają różną wielkość, od małych jednostek o pojemności około jednej tony (stosowanych w odlewniach) do produkcji wyroby żeliwne) do 400 sztuk na tonę stosowane we wtórnej produkcji stali. Piece łukowe, DSP stosowane w laboratoriach badawczych, mogą mieć pojemność zaledwie kilkudziesięciu gramów. Urządzenia przemysłowe mogą osiągać temperatury do 1800 °C (3272 °F), podczas gdy urządzenia laboratoryjne przekraczają 3000 °C (5432 °F).

Piece łukowe (EAF) różnią się od pieców indukcyjnych tym, że ładowany materiał jest bezpośrednio wystawiony na działanie elektrycznego momentu zginającego, a prąd na przewodach przechodzi przez ładowany materiał.

Budowa

Stalowy piec łukowy służy do produkcji stali i składa się z naczynia ogniotrwałego. Zasadniczo podzielony jest na trzy części:

• Skorupa, na którą składają się ściany boczne i dolna stalowa "czasza.
• Taca wykonana z materiału ogniotrwałego.
• Dach. Może być wyłożona żaroodporną wykładziną lub chłodzona wodą. Również w postaci kuli lub ściętego stożka (przekrój stożkowy). Dach podtrzymuje również w swoim środku ogniotrwałą deltę, przez którą wchodzi jedna lub więcej elektrod grafitowych.

Poszczególne elementy

Palenisko może mieć kształt półkuli i jest potrzebne w piecu mimośrodowym do wybijania dna. W nowoczesnych warsztatach piec łukowy - CPB 5 - jest często wyniesiony ponad podłogę, tak że kadzie i garnki z żużlem mogą być łatwo manewrowane pod każdym z końców. Wspornik elektrody i układ elektryczny są umieszczone oddzielnie od konstrukcji, wraz z pochyloną platformą, na której spoczywa narzędzie.

Unikalne narzędzie

Typowy elektryczny piec łukowy DSP 3 jest zasilany z sieci trójfazowej i dlatego posiada trzy elektrody. Posiadają one okrągły przekrój i zazwyczaj gwintowane segmenty, dzięki czemu w miarę zużycia można dodawać nowe elementy.

Między naładowanym materiałem a elektrodą powstaje łuk elektryczny. Ładunek jest ogrzewany zarówno przez przepływający przez niego prąd, jak i energię emitowaną przez falę. Temperatury osiągają około 3000 °C (5000 °F), co powoduje, że dolne sekcje elektrody żarzą się podczas pracy Łukowy piec stalowy.

Elementy są automatycznie podnoszone i opuszczane przez system pozycjonowania, który może wykorzystać dowolną wciągarkę elektryczną, wciągniki lub siłowniki hydrauliczne. Regulacja utrzymuje w przybliżeniu stały prąd. A jaka moc jest zużywana w łukowym piecu stalowniczym?? Jest on utrzymywany na stałym poziomie podczas topienia, nawet jeśli złom może się przemieszczać pod elektrodami podczas topienia. Ramiona masztu trzymające element mogą przenosić ciężkie pręty (które mogą być pustymi, chłodzonymi wodą miedzianymi rurkami doprowadzającymi prąd do zacisków) lub "gorące węże", w których cała górna część przenosi ładunek, zwiększając wydajność.

Ten ostatni typ może być wykonany ze stali pokrytej miedzią lub aluminium. Duże kable chłodzone wodą łączą szyny zbiorcze lub wsporniki z transformatorem znajdującym się obok pieca. Takie narzędzia są instalowane w sklepieniu i chłodzone wodą.

Stukanie i inne operacje

Łukowy piec stalowniczy DSP 50 jest zbudowany na pochyłej platformie, dzięki czemu płynna stal może być wlewana do innego naczynia w celu transportu. Operacja przechylania w celu przeniesienia roztopionej stali nazywana jest gwintowaniem. Pierwotnie wszystkie sklepienia pieców łukowych miały rynnę wylotową pokrytą materiałem ogniotrwałym, który wypłukiwał się przy przechylaniu pieca.

Ale często nowoczesne urządzenia mają mimośrodowy dolny wylot (EBT), aby zmniejszyć azot i żużel włączenie do ciekłej stali. Piece te mają otwór, który przebiega pionowo przez palenisko i skorupę oraz poza centrum w wąskiej "wylewce" w kształcie jajka. Jest wypełniony ogniotrwałym piaskiem.

Nowoczesne instalacje mogą mieć dwie powłoki z jednym zestawem elektrod pomiędzy nimi. Jedna część podgrzewa złom, a druga służy do topienia. Inne piece DC mają podobny układ, ale mają elektrody dla każdej osłony i jeden zestaw elektrod.

Komórki tlenowe

Piece AC mają zwykle wzór gorących i zimnych punktów na obwodzie paleniska, umieszczonych między elektrodami. Nowoczesne palniki tlenowo-paliwowe są zainstalowane w ścianie bocznej. Używane są dwa żywić się energia chemiczna do stref minusowych, co sprawia, że nagrzewanie stali jest bardziej równomierne. Dodatkowa moc jest dostarczana przez podawanie tlenu i węgla do pieca. Dawniej odbywało się to za pomocą lanc (pustych rur z miękkiej stali) w drzwiach żużlowych, obecnie jest to najczęściej wykonywane za pomocą ściennych jednostek wtryskowych, które łączą palniki tlenowo-paliwowe i systemy powietrzne w jednym zbiorniku.

Nowoczesny piec stalowy średniej wielkości posiada transformator o mocy znamionowej około 60 000 000 woltoamperów (60 MVA), o napięciu wtórnym od 400 do 900 i prądzie ponad 44 000. W nowoczesnym warsztacie taki piec powinien wyprodukować 80 ton metrycznych płynnej stali w ciągu około 50 minut od załadunku zimnego złomu do uwolnienia.

Dla porównania, podstawowe piece tlenowe mogą mieć wydajność 150-300 ton na partię lub "rozgrzewać się" i produkować ciepło przez 30-40 minut. Istnieje ogromne zróżnicowanie w szczegółach konstrukcji i działania pieców, w zależności od produktu końcowego i warunków lokalnych, a także od badań prowadzonych w celu poprawy efektywności zakładu.

Największą, wyłącznie na złomie (pod względem masy zaczepu i mocy znamionowej transformatora), jest jednostka DC eksportowana z Japonii, o masie zaczepu 420 ton metrycznych i zasilana przez osiem transformatorów 32 MVA o łącznej mocy 256 MVA.

Wyprodukowanie tony stali w elektrycznym piecu łukowym wymaga około 400 kWh na tonę krótką lub około 440 kWh na tonę metryczną. Teoretyczna energia minimalna, potrzebny do wytopu złomu stalowego, wynosi 300 kWh (temperatura topnienia 1520 °C / 2768 °F). EDP o mocy 300 MWh wymagałaby zatem około 132 MWh energii, a czas rozruchu wynosiłby około 37 minut.

Produkcja stali przy użyciu łuku elektrycznego jest ekonomicznie opłacalna tylko wtedy, gdy istnieje wystarczająca ilość energii elektrycznej z dobrze rozwiniętą siecią. W wielu lokalizacjach młyny działają w godzinach pozaszczytowych, kiedy przedsiębiorstwa energetyczne mają nadwyżkę mocy i cena licznika jest niższa.

Operacja

Elektryczny piec łukowy wlewa stal do małej kadzi. Złom dostarczany jest do wnęki obok huty. Złom występuje zazwyczaj w dwóch głównych odmianach: złom (sprzęt AGD, samochody i inne przedmioty wykonane z podobnej lekkiej stali) i ciężki wytop (duże płyty i belki), plus trochę bezpośrednio zredukowanego żelaza (DRI) lub surówki dla równowagi chemicznej. Niektóre piece topią prawie 100% DRI.

Następny krok

Złom ładowany jest do dużych kubłów, zwanych koszami, z drzwiami kołyski dla podstawy. Należy uważać, aby złom znajdował się w koszach, aby zapewnić dobrą pracę pieca. Na mocny topnik kładzie się lekką warstwę waty ochronnej, na którą nakłada się jeszcze trochę. Wszystkie muszą być obecne w piecu po załadunku. W tym czasie kosz może przejść do podgrzewacza złomu, który wykorzystuje gorące, odpadowe gazy zakładu do topienia i odzyskiwania energii, poprawiając wydajność.

Przelew

Następnie naczynie jest przewożone do topialni, dach pieca jest zawieszany na zawiasach, a materiał jest ładowany do. Przekarmianie jest jedną z najbardziej niebezpiecznych operacji dla operatorów. Tony spadającego metalu uwalniają dużo energii potencjalnej. Każdy płynny materiał w piecu jest często wypierany przez stały złom i tłuszcz w górę i na zewnątrz. Pył na metalu zapala się przy gorącym piecu, powodując wybuch kuli ognia.

W niektórych jednostkach z podwójnym płaszczem złom jest ładowany do drugiej jednostki, podczas gdy pierwsza się topi, i jest wstępnie podgrzewany przez gaz odpadowy z rdzenia. Inne operacje to ciągłe ładowanie i odpuszczanie na przenośniku taśmowym, który następnie rozładowuje metal do samego pieca. Inne jednostki mogą być załadowane gorącym materiałem z innych operacji.

Napięcie

Po załadowaniu, dach jest zawieszany na piecu i rozpoczyna się topienie. Elektrody są opuszczane na złom, powstaje łuk, a następnie są one ustawiane tak, że rozprzestrzeniają się na warstwę okruchów w górnej części urządzenia. Do tej operacji wybierane są niskie napięcia, aby chronić dach i ściany przed nadmiernym ciepłem i uszkodzeniem łuku.

Gdy elektrody dotrą do ciężkiego stopu u podstawy pieca, a fale zostaną osłonięte przez złom, można zwiększyć napięcie i lekko podnieść elektrody, wydłużając i zwiększając moc topienia. Dzięki temu stopiona kąpiel formuje się szybciej, skracając czas przekierowania do wylotu.

Tlen jest wdmuchiwany do złomu, spalany lub przecinany przez stal, a dodatkowe ciepło chemiczne jest dostarczane przez palniki ścienne. Oba procesy przyspieszają topienie materiału. Dysze naddźwiękowe pozwalają strumieniom tlenu wniknąć w spieniony żużel i dotrzeć do basenu cieczy.

Utlenianie zanieczyszczeń

Ważną częścią procesu produkcji stali jest tworzenie się żużla, który unosi się na powierzchni stopionej stali. Zwykle składa się z tlenków metali i działa również jako miejsca do gromadzenie utlenionych zanieczyszczeń, jako koc termiczny (powstrzymujący nadmierne straty ciepła), a także pomaga ograniczyć erozję wykładziny ogniotrwałej.

Dla podstawowego pieca ogniotrwałego produkującego stal węglową powszechnymi budulcami żużla są tlenek wapnia (CaO w postaci wapna palonego) i tlenek magnezu (MgO w postaci dolomitu i magnezytu).). Substancje te są ładowane do złomu lub wdmuchiwane do pieca podczas topienia.

Innym ważnym składnikiem jest tlenek żelaza, który powstaje podczas spalania stali z wtłoczonym tlenem. Później, podczas ogrzewania, węgiel (w postaci węgla) jest wtryskiwany do tej warstwy, reagując z tlenkiem żelaza, tworząc metal i tlenek węgla. Powoduje to spienienie żużla, co skutkuje większą wydajnością cieplną. Pokrywa zapobiega uszkodzeniu dachu i boków pieca przez promieniowanie cieplne.

Spalanie zanieczyszczeń

Po całkowitym stopieniu złomu i osiągnięciu płaskiej kąpieli można załadować do pieca kolejne wiadro. Gdy drugi wsad jest już całkowicie stopiony, przeprowadza się operacje rafinacji w celu weryfikacji i dostosowanie składu chemicznego stali oraz przegrzanie stopu powyżej temperatury zamarzania w celu przygotowania do uwolnienia. Wprowadza się więcej środków budujących żużel i do kąpieli uwalnia się dużo tlenu, który spala zanieczyszczenia takie jak krzem, siarka, fosfor, aluminium, mangan i wapń oraz usuwa ich tlenki do żużla.

Usuwanie węgla następuje po pierwszym wypaleniu się tych pierwiastków, ponieważ mają one większe powinowactwo do tlenu. Metale, które mają niższe powinowactwo niż żelazo, takie jak nikiel i miedź, nie mogą być usunięte przez utlenianie i muszą być kontrolowane tylko przez chemię. Jest to np. wspomniane wcześniej wprowadzenie żeliwa z bezpośrednią redukcją i żeliwa.

Spieniony żużel zatrzymuje się wszędzie i często przelewa się przez piec i wylewa się przez drzwi do kanału przeznaczenia. Pomiar temperatury i pobieranie próbek chemicznych odbywa się za pomocą automatycznych replik. Tlen i węgiel można mierzyć mechanicznie za pomocą specjalnych sond, które są zanurzane w stali.

Zalety dla produkcji

zastosowanie systemu sterowania elektrycznym piecem łukowym umożliwia produkcję stali ze 100% złomu. Znacznie zmniejsza ilość energii potrzebnej do wyprodukowania substancji w porównaniu z produkcją pierwotną z rud.

Kolejną zaletą jest elastyczność: w czasie jako domeny piece nie mogą się znacznie różnić i mogą pracować przez kilka lat, można je szybko uruchomić i zatrzymać. Pozwala to hucie na zróżnicowanie produkcji w zależności od zapotrzebowania.

Typowy stalowy piec łukowy jest źródłem stali dla mini-młyna, który może produkować sztaby lub taśmy. Mini-młyny mogą być zlokalizowane stosunkowo blisko rynków stali, a wymagania transportowe są mniejsze niż w przypadku zintegrowanego zakładu, który zwykle jest zlokalizowany w pobliżu brzegu, aby umożliwić dostęp do transportu.

Produkcja stali w piecu łukowym: projektowanie

Schematyczny przekrój stanowi elektroda, która jest podnoszona i opuszczana przez napęd zębatkowy. Powierzchnia wyłożona jest cegłą ogniotrwałą, a wykładzina dolna. Drzwi umożliwiają dostęp do wnętrza urządzenia. Korpus pieca jest podparty na wahaczach, dzięki czemu można go przechylać w celu wykonania gwintowania.