Κλίβανος από χάλυβα τόξου: συσκευή, αρχή λειτουργίας, ισχύς, σύστημα ελέγχου

2024 Συγγραφέας: Howard Calhoun | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-17 10:23

Ο φούρνος τόξου από χάλυβα (EAF) είναι μια συσκευή που θερμαίνει το υλικό με ηλεκτρική κάμψη.

Οι βιομηχανικές συσκευές κυμαίνονται σε μεγέθη από μικρές μονάδες, περίπου έναν τόνο ισχύος (που χρησιμοποιείται σε χυτήρια για την παραγωγή προϊόντων χυτοσιδήρου) έως 400 μονάδες ανά τόνο, που χρησιμοποιούνται για την ανακύκλωση χάλυβα. Οι φούρνοι από χάλυβα τόξου, EAF, που χρησιμοποιούνται σε ερευνητικά εργαστήρια μπορεί να έχουν χωρητικότητα μόνο μερικές δεκάδες γραμμάρια. Η θερμοκρασία των βιομηχανικών συσκευών μπορεί να φτάσει τους 1800 °C (3272 °F), ενώ οι εργαστηριακές εγκαταστάσεις υπερβαίνουν τους 3000 °C (5432 °F).

Οι φούρνοι από χάλυβα τόξου (EAF) διαφέρουν από τους επαγωγικούς φούρνους στο ότι το υλικό που φορτώνεται υπόκειται απευθείας σε ηλεκτρική κάμψη και το ρεύμα στους ακροδέκτες διέρχεται από το φορτισμένο υλικό.

Κατασκευή

Ο φούρνος χάλυβα τόξου χρησιμοποιείται για την παραγωγή χάλυβα και αποτελείται από ένα πυρίμαχο δοχείο. Χωρίζεται κυρίως σε τρεις ενότητες:

• Shell, το οποίο αποτελείται από πλευρικά τοιχώματα και χάλυβα κάτωμπολ.
• Παλέτα που είναι κατασκευασμένη από πυρίμαχο υλικό.
• Στέγη. Μπορεί να είναι με ανθεκτική στη θερμότητα επένδυση ή υδρόψυκτο. Και γίνεται επίσης με τη μορφή μπάλας ή κόλουρου κώνου (κωνικό τμήμα). Η οροφή υποστηρίζει επίσης ένα πυρίμαχο δέλτα στο κέντρο της από το οποίο εισέρχονται ένα ή περισσότερα ηλεκτρόδια γραφίτη.

Μεμονωμένα αντικείμενα

Η εστία μπορεί να έχει ημισφαιρικό σχήμα και χρειάζεται σε έναν έκκεντρο φούρνο για το χτύπημα του πυθμένα. Στα σύγχρονα εργαστήρια, ο κλίβανος από χάλυβα τόξου - EAF 5 - είναι συχνά ανυψωμένος πάνω από το ισόγειο, έτσι ώστε οι κουτάλες και τα δοχεία σκωρίας να μπορούν να ελιγμώνται εύκολα και από τα δύο άκρα. Ξεχωριστά από τη δομή είναι το στήριγμα ηλεκτροδίου και το ηλεκτρικό σύστημα, καθώς και η κεκλιμένη πλατφόρμα στην οποία βρίσκεται το όργανο.

Μοναδικό εργαλείο

Ένας τυπικός φούρνος τόξου τήξης χάλυβα EAF 3 τροφοδοτείται από μια τριφασική πηγή και επομένως έχει τρία ηλεκτρόδια. Έχουν ένα στρογγυλό τμήμα και, κατά κανόνα, τμήματα με συνδέσεις με σπείρωμα, έτσι ώστε καθώς φθείρονται, μπορούν να προστεθούν νέα στοιχεία.

Το τόξο σχηματίζεται μεταξύ του φορτισμένου υλικού και του ηλεκτροδίου. Το φορτίο θερμαίνεται τόσο από το ρεύμα που διέρχεται από αυτό όσο και από την ακτινοβολούμενη ενέργεια που απελευθερώνεται από το κύμα. Η θερμοκρασία φτάνει περίπου τους 3000 °C (5000 °F), με αποτέλεσμα τα κατώτερα τμήματα των ηλεκτροδίων να λάμπουν σαν λαμπτήρες πυρακτώσεως όταν λειτουργεί ο κλίβανος τόξου.

Τα στοιχεία ανυψώνονται και κατεβαίνουν αυτόματα από ένα σύστημα εντοπισμού θέσης που μπορεί να χρησιμοποιήσει οποιοδήποτε ηλεκτρικόβαρούλκο, ανυψωτικά ή υδραυλικοί κύλινδροι. Η ρύθμιση διατηρεί περίπου σταθερό ρεύμα. Ποια είναι η κατανάλωση ενέργειας ενός φούρνου τόξου; Διατηρείται σταθερό κατά τη διάρκεια της τήξης φορτίου, παρόλο που το θραύσμα μπορεί να μετακινηθεί κάτω από τα ηλεκτρόδια καθώς λιώνει. Τα χιτώνια ιστού που συγκρατούν το στοιχείο μπορούν είτε να φέρουν βαριές ράβδους (οι οποίοι μπορεί να είναι υδρόψυκτοι κοίλοι χάλκινοι σωλήνες που παρέχουν ρεύμα στους σφιγκτήρες) είτε "καυτά μανίκια" όπου ολόκληρη η κορυφή μεταφέρει τη φόρτιση, αυξάνοντας την απόδοση.

Ο τελευταίος τύπος μπορεί να κατασκευαστεί από επιχαλκωμένο χάλυβα ή αλουμίνιο. Μεγάλα υδρόψυκτα καλώδια συνδέουν ζυγούς ή βραχίονες σε έναν μετασχηματιστή που βρίσκεται δίπλα στο φούρνο. Ένα παρόμοιο εργαλείο εγκαθίσταται στην αποθήκευση και ψύχεται με νερό.

Πατώντας και άλλες λειτουργίες

Ο φούρνος τόξου από χάλυβα EAF 50 είναι χτισμένος σε μια κεκλιμένη πλατφόρμα έτσι ώστε ο υγρός χάλυβας να μπορεί να χυθεί σε άλλο δοχείο για μεταφορά. Η λειτουργία κλίσης για τη μεταφορά τετηγμένου χάλυβα ονομάζεται χτύπημα. Αρχικά, όλα τα θησαυροφυλάκια κατασκευής χάλυβα του κλιβάνου τόξου είχαν ένα αγωγό εκκένωσης καλυμμένο με πυρίμαχο υλικό, το οποίο ξεπλύθηκε όταν είχε κλίση.

Αλλά συχνά ο σύγχρονος εξοπλισμός διαθέτει μια έκκεντρη βαλβίδα εξόδου στο κάτω μέρος (EBT) για τη μείωση της ενσωμάτωσης αζώτου και σκωρίας στον υγρό χάλυβα. Αυτοί οι φούρνοι έχουν ένα άνοιγμα που διατρέχει κάθετα την εστία και το κέλυφος και είναι εκτός κέντρου σε ένα στενό "στόμιο" σε σχήμα αυγού. Είναι γεμάτοπυρίμαχη άμμος.

Τα σύγχρονα φυτά μπορεί να έχουν δύο κελύφη με ένα σύνολο ηλεκτροδίων που περνούν ανάμεσά τους. Το πρώτο μέρος θερμαίνει το σκραπ, ενώ το άλλο χρησιμοποιείται για την τήξη. Άλλοι φούρνοι DC έχουν παρόμοια διάταξη, αλλά διαθέτουν ηλεκτρόδια για κάθε θήκη και ένα σετ ηλεκτρονικών συσκευών.

Στοιχεία οξυγόνου

Οι φούρνοι AC έχουν συνήθως ένα σχέδιο θερμών και ψυχρών σημείων κατά μήκος της περιμέτρου της εστίας, που βρίσκονται μεταξύ των ηλεκτροδίων. Στα σύγχρονα, οι καυστήρες οξυγόνου τοποθετούνται στο πλευρικό τοίχωμα. Χρησιμοποιούνται για την παροχή χημικής ενέργειας σε ζώνες μείον, γεγονός που καθιστά τη θέρμανση του χάλυβα πιο ομοιόμορφη. Πρόσθετη ισχύς παρέχεται με την παροχή οξυγόνου και άνθρακα στον κλίβανο. Ιστορικά αυτό γινόταν με λόγχες (κουφούς σωλήνες από ήπιο χάλυβα) στην πόρτα σκωρίας, τώρα γίνεται κυρίως με επιτοίχιες μονάδες έγχυσης που συνδυάζουν καυστήρες οξυ-καυσίμου και συστήματα παροχής αέρα σε ένα δοχείο.

Ένας σύγχρονος χαλύβδινος κλίβανος μεσαίου μεγέθους έχει μετασχηματιστή ονομαστικής ισχύος περίπου 60.000.000 volt-amp (60 MVA), με δευτερεύουσα τάση 400 έως 900 και ρεύμα άνω των 44.000. Σε ένα σύγχρονο κατάστημα, ένα τέτοιο Ο κλίβανος αναμένεται να παράγει 80 μετρικούς τόνους υγρού χάλυβα σε περίπου 50 λεπτά από τη φόρτωση κρύου σκραπ έως τη βρύση.

Συγκριτικά, οι φούρνοι βασικού οξυγόνου μπορούν να έχουν χωρητικότητα 150-300 τόνων ανά παρτίδα ή να «θερμαίνονται» και να παράγουν θερμότητα για 30-40 λεπτά. Υπάρχουν τεράστιες διαφορές στις λεπτομέρειες του σχεδιασμού και της λειτουργίας του κλιβάνου,ανάλογα με το τελικό προϊόν και τις τοπικές συνθήκες, καθώς και τη συνεχιζόμενη έρευνα για τη βελτίωση της αποδοτικότητας των φυτών.

Το μεγαλύτερο μόνο σκραπ (όσον αφορά το βάρος της βρύσης και την βαθμολογία του μετασχηματιστή) είναι μια συσκευή συνεχούς ρεύματος που εξάγεται από την Ιαπωνία με βάρος βρύσης 420 μετρικούς τόνους και τροφοδοτείται από οκτώ μετασχηματιστές 32 MVA για συνολική ισχύ 256 MBA.

Χρειάζονται περίπου 400 κιλοβατώρες για να παραχθεί ένας τόνος χάλυβα σε φούρνο ηλεκτρικού τόξου, ή περίπου 440 kWh ανά μετρικό. Η θεωρητική ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για την τήξη του σκραπ χάλυβα είναι 300 kWh (σημείο τήξης 1520 °C / 2768 °F). Επομένως, ένα EAF 300 τόνων με ισχύ 300 MVA θα απαιτεί περίπου 132 MWh ενέργειας και ο χρόνος ενεργοποίησης είναι περίπου 37 λεπτά.

Η παραγωγή χάλυβα με χρήση ηλεκτρικού τόξου είναι οικονομικά βιώσιμη μόνο εάν υπάρχει αρκετή ηλεκτρική ενέργεια με ένα καλά ανεπτυγμένο δίκτυο. Σε πολλά μέρη οι μύλοι λειτουργούν σε ώρες εκτός αιχμής, όταν οι επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας έχουν πλεονάζουσα παραγωγική ικανότητα και η τιμή ανά μέτρο είναι χαμηλότερη.

Λειτουργία

Ο φούρνος από χάλυβα τόξου χύνει χάλυβα σε μια μικρή μηχανή κουτάλας. Τα παλιοσίδερα παραδίδονται σε μια εσοχή που βρίσκεται δίπλα στο μεταλλουργείο. Τα σκραπ τείνουν να διατίθενται σε δύο κύριες ποικιλίες: σκραπ (λευκά είδη, αυτοκίνητα και άλλα αντικείμενα που κατασκευάζονται από παρόμοιαελαφρύς χάλυβας) και βαρύ τήγμα (μεγάλες πλάκες και δοκοί), καθώς και κάποιο άμεσο ανηγμένο σίδηρο (DRI) ή χυτοσίδηρο για χημική ισορροπία. Οι χωριστοί φούρνοι λιώνουν σχεδόν 100% DRI.

Επόμενο βήμα

Το σκραπ φορτώνεται σε μεγάλους κουβάδες, που ονομάζονται καλάθια, με πόρτες με πόρτες για τη βάση. Πρέπει να ληφθεί μέριμνα ώστε να διασφαλιστεί ότι το σκραπ βρίσκεται στο καλάθι για να διασφαλιστεί η καλή λειτουργία του κλιβάνου. Ένα ισχυρό τήγμα τοποθετείται στην κορυφή με ένα ελαφρύ στρώμα προστατευτικού τεμαχίου, πάνω από το οποίο βρίσκεται ένα άλλο μέρος. Όλα πρέπει να υπάρχουν στο φούρνο μετά τη φόρτωση. Αυτή τη στιγμή, το καλάθι μπορεί να μετακινηθεί στον προθερμαντήρα σκραπ, ο οποίος χρησιμοποιεί τα καυτά αέρια του μεταλλουργείου για την ανάκτηση ενέργειας, βελτιώνοντας την απόδοση.

Υπερχείλιση

Στη συνέχεια το δοχείο μεταφέρεται στο χυτήριο, ανοίγει η οροφή του κλιβάνου και το υλικό φορτώνεται σε αυτό. Η μεταφορά είναι μια από τις πιο επικίνδυνες λειτουργίες για τους χειριστές. Πολλή δυναμική ενέργεια απελευθερώνεται από τόνους μετάλλου που πέφτει. Οποιοδήποτε υγρό υλικό στον κλίβανο συχνά ωθείται προς τα πάνω και έξω από στερεά θραύσματα και γράσο. Η σκόνη σε μέταλλο αναφλέγεται εάν ο φούρνος είναι ζεστός, προκαλώντας την έκρηξη μιας βολίδας.

Σε ορισμένες συσκευές διπλού κελύφους, το σκραπ φορτώνεται στο δεύτερο ενώ το πρώτο λιώνει και προθερμαίνεται από τα καυσαέρια από το ενεργό μέρος. Άλλες λειτουργίες είναι: συνεχής φόρτωση και εργασία με θερμοκρασία σε έναν μεταφορικό ιμάντα, ο οποίος στη συνέχεια ξεφορτώνει το μέταλλο στον ίδιο τον κλίβανο. Άλλες συσκευές μπορούν να εκκινήσουνκαυτή ουσία από άλλες επεμβάσεις.

Τάση

Μετά τη φόρτιση, η οροφή γέρνει πίσω στον κλίβανο και αρχίζει η τήξη. Τα ηλεκτρόδια κατεβαίνουν πάνω στο παλιοσίδερο, δημιουργείται ένα τόξο και στη συνέχεια τοποθετούνται έτσι ώστε να απλωθούν στο στρώμα ψίχουλα στο πάνω μέρος της συσκευής. Οι χαμηλές τάσεις επιλέγονται για αυτή τη λειτουργία για την προστασία της οροφής και των τοίχων από υπερβολική ζέστη και ζημιά στο τόξο.

Μόλις τα ηλεκτρόδια φτάσουν στο βαρύ τήγμα στη βάση του κλιβάνου και τα κύματα θωρακιστούν από τον λοστό, η τάση μπορεί να αυξηθεί και τα ηλεκτρόδια να ανυψωθούν ελαφρώς, επιμηκύνοντας και αυξάνοντας την ισχύ του τήγματος. Αυτό επιτρέπει στη λιωμένη δεξαμενή να σχηματίζεται πιο γρήγορα, μειώνοντας τον χρόνο απενεργοποίησης.

Το οξυγόνο διοχετεύεται σε παλιοσίδερα, καίγεται ή κόβει χάλυβα και επιπλέον χημική θερμότητα παρέχεται από καυστήρες τοίχου. Και οι δύο διαδικασίες επιταχύνουν την τήξη της ουσίας. Τα υπερηχητικά ακροφύσια επιτρέπουν στους πίδακες οξυγόνου να διεισδύσουν στην αφρισμένη σκωρία και να φτάσουν στο λουτρό υγρού.

Οξείδωση ακαθαρσιών

Ένα σημαντικό μέρος της χαλυβουργίας είναι ο σχηματισμός σκωρίας που επιπλέει στην επιφάνεια του τηγμένου χάλυβα. Συνήθως αποτελείται από οξείδια μετάλλων και λειτουργεί επίσης ως χώρος συλλογής οξειδωμένων ακαθαρσιών, ως θερμική κουβέρτα (σταματώντας την υπερβολική απώλεια θερμότητας) και επίσης βοηθά στη μείωση της διάβρωσης της πυρίμαχης επένδυσης.

Για έναν κλίβανο με βασικά πυρίμαχα υλικά που παράγουν ανθρακούχο χάλυβα, οι συνήθεις σχηματιστές σκωρίας είναι το οξείδιο του ασβεστίου (CaO με τη μορφή πυρωμένουασβέστη) και μαγνήσιο (MgO σε μορφή δολομίτη και μαγνησίτη.). Αυτές οι ουσίες είτε φορτώνονται με σκραπ είτε εμφυσούνται στον κλίβανο κατά τη διάρκεια της τήξης.

Ένα άλλο σημαντικό συστατικό είναι το οξείδιο του σιδήρου, το οποίο σχηματίζεται όταν ο χάλυβας καίγεται με την εισαγωγή οξυγόνου. Αργότερα, όταν θερμαίνεται, ο άνθρακας (με τη μορφή άνθρακα) εγχέεται σε αυτό το στρώμα, αντιδρώντας με οξείδιο του σιδήρου για να σχηματίσει μέταλλο και μονοξείδιο του άνθρακα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τον αφρισμό της σκωρίας, με αποτέλεσμα μεγαλύτερη θερμική απόδοση. Η επίστρωση αποτρέπει τη ζημιά στην οροφή και τα πλαϊνά τοιχώματα του φούρνου από τη θερμότητα που ακτινοβολεί.

Κύση ακαθαρσιών

Μόλις το παλιοσίδερο λιώσει τελείως και φτάσει σε μια επίπεδη πισίνα, μπορεί να τοποθετηθεί ένας άλλος κάδος στον κλίβανο. Μετά την πλήρη τήξη της δεύτερης γόμωσης, εκτελούνται εργασίες διύλισης για τον έλεγχο και τη διόρθωση της χημικής σύστασης του χάλυβα και την υπερθέρμανση του τήγματος πάνω από το σημείο πήξης του κατά την προετοιμασία για κτύπημα. Εισάγονται περισσότεροι σχηματιστές σκωρίας και πολύ οξυγόνο εισέρχεται στο λουτρό, καίγοντας ακαθαρσίες όπως πυρίτιο, θείο, φώσφορο, αλουμίνιο, μαγγάνιο και ασβέστιο και αφαιρώντας τα οξείδια τους στη σκωρία.

Η απομάκρυνση του άνθρακα πραγματοποιείται αφού καούν πρώτα αυτά τα στοιχεία, καθώς μοιάζουν περισσότερο με το οξυγόνο. Μέταλλα που έχουν χαμηλότερη συγγένεια από τον σίδηρο, όπως το νικέλιο και ο χαλκός, δεν μπορούν να αφαιρεθούν με οξείδωση και πρέπει να ελέγχονται μόνο μέσω της χημείας. Αυτή είναι, για παράδειγμα, η εισαγωγή του άμεσου μειωμένου σιδήρου και του χυτοσιδήρου που αναφέρθηκαν προηγουμένως.

Αφρώδης σκωρίαπαραμένει σε όλη τη διάρκεια και συχνά υπερχειλίζει τον φούρνο για να ξεχειλίσει από την πόρτα στον προβλεπόμενο λάκκο. Η μέτρηση θερμοκρασίας και η χημική επιλογή πραγματοποιούνται με τη χρήση αυτόματων λόγχες. Το οξυγόνο και ο άνθρακας μπορούν να μετρηθούν μηχανικά με ειδικούς ανιχνευτές που είναι βυθισμένοι σε χάλυβα.

Πλεονεκτήματα παραγωγής

Χρησιμοποιώντας ένα σύστημα ελέγχου για καμίνους τόξου τήξης χάλυβα, είναι δυνατή η παραγωγή χάλυβα από 100% πρώτη ύλη - παλιοσίδερα. Αυτό μειώνει σημαντικά την ενέργεια που απαιτείται για την παραγωγή της ουσίας, σε σύγκριση με την πρωτογενή παραγωγή από μεταλλεύματα.

Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι η ευελιξία: ενώ οι υψικάμινοι δεν μπορούν να διαφέρουν σημαντικά και μπορούν να λειτουργούν για χρόνια, αυτή μπορεί να ξεκινήσει και να κλείσει γρήγορα. Αυτό επιτρέπει στο χαλυβουργείο να διαφοροποιεί την παραγωγή με βάση τη ζήτηση.

Ο τυπικός κλίβανος χάλυβα τόξου είναι η πηγή χάλυβα για μίνι μύλο, που μπορεί να παράγει προϊόντα ράβδων ή λωρίδων. Τα μίνι μεταλλουργεία μπορούν να βρίσκονται σχετικά κοντά σε αγορές χάλυβα και οι απαιτήσεις μεταφοράς είναι λιγότερες από ό,τι για ένα ολοκληρωμένο εργοστάσιο, το οποίο συνήθως βρίσκεται κοντά στην ακτή για πρόσβαση στη ναυτιλία.

Συσκευή φούρνου από χάλυβα τόξου

Η σχηματική διατομή είναι ένα ηλεκτρόδιο που ανυψώνεται και κατεβαίνει από ένα οδοντωτό τροχό και οδοντωτό τροχό. Η επιφάνεια είναι επενδεδυμένη με πυρίμαχα τούβλα και κάτω επένδυση. Η πόρτα επιτρέπει την πρόσβαση στο εσωτερικόμέρη της συσκευής. Το σώμα του φούρνου στηρίζεται σε βραχίονες, ώστε να μπορεί να γέρνει για χτύπημα.