Ljusbågsstålugn: enhet, funktionsprincip, kraft, styrsystem

2024 Författare: Howard Calhoun | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-17 10:41

En stålbågsugn (EAF) är en anordning som värmer material genom elektrisk bockning.

Industriella apparater varierar i storlek från små enheter, ungefär ett ton kraft (används i gjuterier för att tillverka gjutjärnsprodukter) till 400 enheter per ton, som används för stålåtervinning. Bågsstålsugnar, EAF, som används i forskningslaboratorier kan ha en kapacitet på bara några tiotals gram. Temperaturen på industriella enheter kan nå 1800 °C (3272 °F), medan laboratorieinstallationer överstiger 3000 °C (5432 °F).

bågsstålugnar (EAFs) skiljer sig från induktionsugnar genom att materialet som laddas är direkt utsatt för elektrisk böjning och strömmen vid terminalerna passerar genom det laddade materialet.

Construction

Bågsstålsugn används för stålproduktion och består av ett eldfast kärl. Huvudsakligen uppdelad i tre sektioner:

• Shell, som består av sidoväggar och bottenstålskålar.
• Pall som är gjord av eldfast material.
• Tak. Det kan vara med värmebeständigt foder eller vattenkylt. Och den är också gjord i form av en boll eller en stympad kon (konisk sektion). Taket stöder också ett eldfast delta i dess centrum genom vilket en eller flera grafitelektroder kommer in.

Enskilda föremål

Härden kan ha en halvklotformad form och behövs i en excentrisk ugn för tappning i botten. I moderna verkstäder är ljusbågsstålsugnen - EAF 5 - ofta förhöjd över bottenvåningen så att slevar och slagggrytor lätt kan manövreras under båda ändar. Separat från strukturen är elektrodstödet och det elektriska systemet, samt den lutande plattformen som instrumentet står på.

Unikt verktyg

En typisk EAF 3 ljusbågsugn för stålsmältning drivs av en trefaskälla och har därför tre elektroder. De har en rund sektion och som regel segment med gängade anslutningar, så att nya element kan läggas till när de slits.

Bågen bildas mellan det laddade materialet och elektroden. Laddningen värms upp både av strömmen som passerar genom den och av den utstrålade energin som frigörs av vågen. Temperaturen når cirka 3000 °C (5000 °F), vilket gör att de nedre delarna av elektroderna lyser som glödlampor när ljusbågsugnen är igång.

Element höjs och sänks automatiskt av ett positioneringssystem som kan använda vilken el som helstvinsch, hissar eller hydraulcylindrar. Regleringen håller en ungefär konstant ström. Vad är energiförbrukningen för en ljusbågsugn? Det hålls konstant under laddningssmältning, även om skrotet kan röra sig under elektroderna när det smälter. Masthylsorna som håller elementet kan antingen bära tunga samlingsskenor (som kan vara vattenkylda ihåliga kopparrör som levererar ström till klämmorna) eller "hot sleeves" där hela toppen bär laddningen, vilket ökar effektiviteten.

Den senare typen kan vara gjord av kopparpläterat stål eller aluminium. Stora vattenkylda kablar ansluter samlingsskenor eller konsoler till en transformator som sitter bredvid ugnen. Ett liknande verktyg installeras i lager och kyls med vatten.

Tappning och andra operationer

EAF 50 stålbågsugnen är byggd på en lutande plattform så att flytande stål kan hällas i en annan behållare för transport. Tiltningsoperationen för att överföra smält stål kallas tappning. Till en början hade alla ståltillverkningsvalv i ljusbågsugnen en utloppsränna täckt med eldfast material, som tvättades ut när den lutades.

Men ofta har modern utrustning en excentrisk bottenutloppsventil (EBT) för att minska inkorporeringen av kväve och slagg i det flytande stålet. Dessa ugnar har en öppning som löper vertik alt genom eldstaden och skalet och är off-center i en smal äggformad "pip". Det är fyllteldfast sand.

Moderna växter kan ha två skal med en uppsättning elektroder som förs mellan dem. Den första delen värmer skrotet, medan den andra används för smältning. Andra DC-ugnar har en liknande layout men har elektroder för varje mantel och en uppsättning elektronik.

Oxygen elements

AC-ugnar har vanligtvis ett mönster av varma och kalla fläckar längs härdens omkrets, placerade mellan elektroderna. I moderna är oxy-fuel-brännare installerade i sidoväggen. De används för att tillföra kemisk energi till minuszoner, vilket gör uppvärmningen av stål mer enhetlig. Ytterligare kraft tillhandahålls genom att tillföra syre och kol till ugnen. Historiskt har detta gjorts med spjut (ihåliga rör av mjukt stål) i slaggdörren, nu görs det mestadels med väggmonterade insprutningsenheter som kombinerar syrebränslebrännare och lufttillförselsystem i ett kärl.

En modern medelstor stålugn har en transformator märkt på cirka 60 000 000 volt-ampere (60 MVA), med en sekundärspänning på 400 till 900 och en ström på över 44 000. I en modern butik, t.ex. ugnen förväntas producera 80 ton flytande stål på cirka 50 minuter från kallskrotlastning till tappning.

Som jämförelse kan enkla syrgasugnar ha en kapacitet på 150-300 ton per batch eller "värma upp" och generera värme i 30-40 minuter. Det finns enorma skillnader i detaljerna i ugnsdesign och drift,beroende på slutprodukten och lokala förhållanden, samt pågående forskning för att förbättra anläggningens effektivitet.

Den största bara skrot (i termer av tappvikt och transformatorklassificering) är en DC-enhet som exporteras från Japan med en tappvikt på 420 ton och matas av åtta 32 MVA-transformatorer för en total effekt på 256 MBA.

Det tar ungefär 400 kilowattimmar att producera ett ton stål i en elektrisk ljusbågsugn, eller ungefär 440 kWh per meter. Den teoretiska minimienergin som krävs för att smälta stålskrot är 300 kWh (smältpunkt 1520 °C / 2768 °F). Därför kommer en 300-tons EAF med en effekt på 300 MVA att kräva cirka 132 MWh energi, och starttiden är cirka 37 minuter.

Stålproduktion med en ljusbåge är bara ekonomiskt lönsam om det finns tillräckligt med el med ett väl utbyggt nät. På många ställen är bruken i drift under lågtrafik när kraftverk har överproduktionskapacitet och priset per meter är lägre.

Operation

Bågsstålsugnen häller stål i en liten skänkmaskin. Metallskrot levereras till ett urtag som ligger intill smältverket. Skrot tenderar att finnas i två huvudvarianter: skrot (vitvaror, bilar och andra föremål tillverkade av liknandelätt stål) och tung smälta (stora plattor och balkar), samt en del direkt reducerat järn (DRI) eller tackjärn för kemisk balans. Separata ugnar smälter nästan 100 % DRI.

Nästa steg

Skrotet laddas i stora hinkar, så kallade korgar, med dörrar till basen. Försiktighet måste iakttas för att se till att skrotet ligger i korgen för att säkerställa en bra drift av ugnen. En stark smälta läggs ovanpå med ett lätt lager av en skyddande strimla, på vilken en annan del ligger. Alla måste finnas i ugnen efter laddning. Vid denna tidpunkt kan korgen flyttas in i skrotförvärmaren, som använder smältverkets heta avgaser för att återvinna energi, vilket förbättrar effektiviteten.

Overflow

Då förs kärlet till smältverkstaden, taket på ugnen öppnas och materialet lastas in i det. Överföring är en av de farligaste operationerna för operatörer. Mycket potentiell energi frigörs av ton fallande metall. Eventuellt flytande material i ugnen skjuts ofta upp och ut av fast skrot och fett. Damm på metall antänds om ugnen är varm, vilket gör att ett eldklot bryter ut.

I vissa dubbelskalsenheter laddas skrot i den andra medan den första smälter och förvärms av avgaserna från den aktiva delen. Andra operationer är: kontinuerlig lastning och arbete med temperatur på ett transportband, som sedan lossar metallen i själva ugnen. Andra enheter kan startahett ämne från andra verksamheter.

Voltage

Efter laddning lutar taket sig bakåt över ugnen och smältningen börjar. Elektroderna sänks ner på metallskrotet, en båge skapas och sedan ställs de in så att de sprids i smulskiktet högst upp på enheten. Låga spänningar väljs för denna operation för att skydda taket och väggarna från överdriven värme och ljusbågsskador.

När elektroderna har nått den tunga smältan vid ugnens bas och vågorna är skärmade av kofoten, kan spänningen ökas och elektroderna höjas något, vilket förlänger och ökar effekten för smältan. Detta gör att den smälta poolen bildas snabbare, vilket minskar avtappningstiden.

Syre blåses in i metallskrot, brinnande eller skärande stål, och ytterligare kemisk värme tillhandahålls av väggbrännare. Båda processerna påskyndar smältningen av ämnet. Supersoniska munstycken tillåter syrestrålar att penetrera den skummande slaggen och nå vätskebadet.

Oxidation av föroreningar

En viktig del av ståltillverkning är bildningen av slagg som flyter på ytan av det smälta stålet. Den består vanligtvis av metalloxider och fungerar också som en plats för att samla upp oxiderade föroreningar, som en termisk filt (stoppar överdriven värmeförlust) och hjälper även till att minska erosion av det eldfasta fodret.

För en ugn med grundläggande eldfasta material som producerar kolstål är de vanliga slaggbildarna kalciumoxid (CaO i form av brändkalk) och magnesium (MgO i form av dolomit och magnesit.). Dessa ämnen laddas antingen med skrot eller blåses in i ugnen under nedsmältning.

En annan viktig komponent är järnoxid, som bildas när stål förbränns med syre. Senare, vid upphettning, injiceras kol (i form av kol) i detta skikt, som reagerar med järnoxid för att bilda metall och kolmonoxid. Detta resulterar i skumning av slaggen, vilket resulterar i högre termisk effektivitet. Beläggningen förhindrar skador på ugnens tak och sidoväggar från strålningsvärme.

Förbränning av föroreningar

När metallskrotet är helt smält och en platt pool har nåtts, kan ytterligare en hink laddas i ugnen. Efter att den andra satsen är fullständigt smält, utförs raffineringsoperationer för att kontrollera och korrigera stålets kemiska sammansättning och överhetta smältan över dess fryspunkt som förberedelse för tappning. Fler slaggbildare införs och mycket syre kommer in i badet, vilket förbränner föroreningar som kisel, svavel, fosfor, aluminium, mangan och kalcium och tar bort deras oxider till slagg.

Kolavlägsnande sker efter att dessa element brinner ut först, eftersom de liknar syre mer. Metaller som har lägre affinitet än järn, som nickel och koppar, kan inte avlägsnas genom oxidation och måste endast kontrolleras genom kemi. Detta är till exempel införandet av direkt reducerat järn och gjutjärn som nämnts tidigare.

Skummig slaggkvarstår hela tiden och svämmar ofta över ugnen för att svämma över från dörren till den avsedda gropen. Temperaturmätning och kemikalieval utförs med automatiska spjut. Syre och kol kan mätas mekaniskt med speciella sonder som är nedsänkta i stål.

Produktionsfördelar

Med hjälp av ett styrsystem för stålsmältbågsugnar är det möjligt att tillverka stål från 100 % råvara - metallskrot. Detta minskar avsevärt energin som krävs för att producera ämnet, jämfört med primärproduktion från malmer.

En annan fördel är flexibilitet: även om masugnar inte kan variera nämnvärt och kan köras i flera år, kan den här startas och stängas av snabbt. Detta gör att stålverket kan variera produktionen utifrån efterfrågan.

Typisk bågsstålugn är källan till stål för minikvarnar, som kan producera stång- eller bandprodukter. Minismältverk kan placeras relativt nära stålmarknaderna och transportbehoven är mindre än för en integrerad anläggning, som vanligtvis är belägen nära stranden för tillträde till sjöfart.

Arc Steel Furnace Device

Det schematiska tvärsnittet är en elektrod som höjs och sänks av en kuggstångsdrivning. Ytan är klädd med eldfast tegel och bottenbeklädnad. Dörren ger tillgång till interiörendelar av enheten. Ugnskroppen vilar på vipparmar så att den kan lutas för gängning.