Oblouková ocelová pec: zařízení, princip fungování, výkon, řídicí systém

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Ocelová oblouková pec (EAF) je zařízení, které ohřívá materiál elektrickým ohýbáním.

Velikost průmyslových spotřebičů se pohybuje od malých jednotek, zhruba jedna tuna energie (používaná ve slévárnách k výrobě litinových výrobků) až po 400 jednotek na tunu, používaná pro recyklaci oceli. Obloukové ocelové pece, EAF, používané ve výzkumných laboratořích mohou mít kapacitu jen několik desítek gramů. Teplota průmyslových zařízení může dosáhnout 1800 °C (3272 °F), zatímco laboratorní instalace přesahují 3000 °C (5432 °F).

Obloukové ocelové pece (EAF) se liší od indukčních pecí v tom, že vkládaný materiál je přímo vystaven elektrickému ohýbání a proud na svorkách prochází vkládaným materiálem.

Stavebnictví

Oblouková ocelová pec se používá k výrobě oceli a skládá se ze žáruvzdorné nádoby. Rozděleno hlavně do tří sekcí:

• Skořepina, která se skládá z bočních stěn a spodní ocelimisky.
• Paleta, která je vyrobena ze žáruvzdorného materiálu.
• Střecha. Může být s tepelně odolnou výstelkou nebo vodou chlazený. A vyrábí se také ve formě koule nebo komolého kužele (kónický řez). Střecha také nese ve svém středu žárovzdornou deltu, kterou vstupuje jedna nebo více grafitových elektrod.

Jednotlivé položky

Topeniště může mít polokulový tvar a je potřeba v excentrické peci pro odpich dna. V moderních dílnách je oblouková ocelová pec - EAF 5 - často vyvýšená nad přízemím, takže pánve a nádoby na strusku lze snadno manévrovat pod oběma konci. Odděleně od konstrukce je podpěra elektrod a elektrický systém, stejně jako nakloněná platforma, na které přístroj stojí.

Unikátní nástroj

Typická oblouková pec pro tavení oceli EAF 3 je napájena třífázovým zdrojem, a proto má tři elektrody. Mají kulatý průřez a zpravidla segmenty se závitovým připojením, takže při jejich opotřebení lze přidávat nové prvky.

Oblouk se tvoří mezi nabitým materiálem a elektrodou. Náboj se zahřívá jak proudem, který jí prochází, tak i vyzařovanou energií uvolněnou vlnou. Teplota dosahuje asi 3000 °C (5000 °F), což způsobuje, že spodní části elektrod při provozu obloukové pece žhnou jako žárovky.

Prvky se automaticky zvedají a spouštějí pomocí polohovacího systému, který může používat jakýkoli elektrický pohonnaviják, kladkostroje nebo hydraulické válce. Regulace udržuje přibližně konstantní proud. Jaká je spotřeba elektrické energie obloukové pece? Během tavení vsázky se udržuje konstantní, i když se šrot může při tavení pohybovat pod elektrodami. Objímky stožáru, které drží prvek, mohou nést těžké přípojnice (což mohou být vodou chlazené duté měděné trubky dodávající proud do svorek) nebo „horké rukávy“, kde celý vrchol nese náboj, což zvyšuje účinnost.

Poslední typ může být vyroben z poměděné oceli nebo hliníku. Velké vodou chlazené kabely spojují přípojnice nebo držáky s transformátorem umístěným vedle trouby. Podobný nástroj je instalován ve skladu a chlazen vodou.

Poklepání a další operace

Ocelová oblouková pec EAF 50 je postavena na nakloněné plošině, takže tekutou ocel lze přelít do jiného kontejneru pro přepravu. Operace naklápění pro přenos roztavené oceli se nazývá odpich. Zpočátku měly všechny ocelárenské klenby obloukové pece vynášecí skluz pokrytý žáruvzdorným materiálem, který se při naklonění vyplavil.

Moderní zařízení má ale často excentrický spodní výstupní ventil (EBT), který snižuje začleňování dusíku a strusky do tekuté oceli. Tyto pece mají otvor, který prochází vertikálně skrz topeniště a skořápku a je mimo střed v úzkém "výlevku" ve tvaru vejce. Je to plnéžáruvzdorný písek.

Moderní rostliny mohou mít dva pláště s jednou sadou elektrod, které jsou mezi nimi vedeny. První část ohřívá šrot, zatímco druhá se používá k tavení. Jiné DC pece mají podobné uspořádání, ale mají elektrody pro každý plášť a jednu sadu elektroniky.

Kyslíkové prvky

AC pece mají obvykle vzor horkých a studených míst po obvodu nístěje, která se nacházejí mezi elektrodami. V moderních jsou kyslíko-palivové hořáky instalovány v boční stěně. Používají se k dodávání chemické energie do mínusových zón, díky čemuž je ohřev oceli rovnoměrnější. Další energie je poskytována dodáváním kyslíku a uhlíku do pece. Historicky se to provádělo pomocí kopí (duté trubky z měkké oceli) ve struskových dvířkách, nyní se to většinou provádí pomocí nástěnných vstřikovacích jednotek, které kombinují kyslíko-palivové hořáky a systémy přívodu vzduchu do jedné nádoby.

Moderní středně velká ocelová pec má transformátor o jmenovitém výkonu asi 60 000 000 voltampérů (60 MVA), se sekundárním napětím 400 až 900 a proudem vyšším než 44 000. V moderním obchodě je např. Očekává se, že pec vyrobí 80 metrických tun tekuté oceli za přibližně 50 minut od naložení studeného šrotu po odpich.

Pro srovnání, základní kyslíkové pece mohou mít kapacitu 150-300 tun na dávku nebo se „zahřívat“a vytvářet teplo po dobu 30-40 minut. Existují obrovské rozdíly v detailech konstrukce pece a provozu,v závislosti na konečném produktu a místních podmínkách a také na probíhajícím výzkumu s cílem zlepšit efektivitu závodu.

Největší pouze šrot (z hlediska hmotnosti odbočky a jmenovitého výkonu transformátoru) je stejnosměrné zařízení vyvážené z Japonska s hmotností odbočky 420 metrických tun a napájené osmi transformátory 32 MVA o celkovém výkonu 256 MBA.

Výroba tuny oceli v elektrické obloukové peci trvá přibližně 400 kilowatthodin, neboli asi 440 kWh na metriku. Teoretická minimální energie potřebná k roztavení ocelového šrotu je 300 kWh (bod tání 1520 °C / 2768 °F). Proto 300tunový EAF s výkonem 300 MVA bude vyžadovat asi 132 MWh energie a doba zapnutí je přibližně 37 minut.

Výroba oceli pomocí elektrického oblouku je ekonomicky životaschopná pouze v případě, že je dostatek elektřiny s dobře rozvinutou sítí. Na mnoha místech závody pracují mimo špičku, kdy mají veřejné služby nadbytečnou výrobní kapacitu a cena za metr je nižší.

Operace

Oblouková ocelová pec nalévá ocel do malého pánvového stroje. Kovový šrot je dodáván do výklenku umístěného vedle huti. Šrot má tendenci přicházet ve dvou hlavních variantách: šrot (bílé zboží, auta a další předměty vyrobené z podobného materiálulehká ocel) a těžká tavenina (velké desky a nosníky), stejně jako některé přímo redukované železo (DRI) nebo surové železo pro chemickou rovnováhu. Samostatné pece taví téměř 100 % DRI.

Další krok

Šrot se nakládá do velkých kbelíků, nazývaných koše, s dvířky pro základnu. Je třeba dbát na to, aby byl šrot v koši, aby byl zajištěn dobrý provoz pece. Navrch je položena silná tavenina s tenkou vrstvou ochranného kousku, na které leží další část. Všechny musí být po naložení v troubě. V tomto okamžiku se může koš přesunout do předehřívače šrotu, který využívá horké odpadní plyny z tavby k rekuperaci energie, čímž se zvyšuje účinnost.

Přetečení

Poté se nádoba odveze do huti, otevře se střecha pece a naloží se do ní materiál. Přenos je pro operátory jednou z nejnebezpečnějších operací. Spousta potenciální energie se uvolňuje tunami padajícího kovu. Jakákoli kapalná hmota v peci je často vytlačována nahoru a ven pevným šrotem a mastnotou. Prach na kovu se vznítí, pokud je trouba horká a způsobí výbuch ohnivé koule.

U některých dvouplášťových zařízení se šrot vkládá do druhého, zatímco první se taví, a je předehříván výfukovými plyny z aktivní části. Další operace jsou: průběžné nakládání a práce s teplotou na dopravním pásu, který následně vykládá kov do samotné pece. Ostatní zařízení lze spustithorká látka z jiných operací.

Napětí

Po nabití se střecha nakloní dozadu nad pec a začne tavení. Elektrody se spustí na kovový šrot, vytvoří se oblouk a poté se nastaví tak, aby se rozprostřely ve vrstvě drti v horní části zařízení. Pro tuto operaci se volí nízké napětí, aby byla střecha a stěny chráněny před nadměrným teplem a poškozením elektrickým obloukem.

Jakmile elektrody dosáhnou těžké taveniny na základně pece a vlny jsou odstíněny páčidlem, lze zvýšit napětí a elektrody mírně zvednout, čímž se prodlouží a zvýší výkon taveniny. To umožňuje, aby se roztavená lázeň tvořila rychleji, čímž se zkracuje doba odpichu.

Kyslík je vháněn do kovového šrotu při hoření nebo řezání oceli a dodatečné chemické teplo je zajišťováno nástěnnými hořáky. Oba procesy urychlují tání látky. Nadzvukové trysky umožňují proudům kyslíku proniknout pěnící struskou a dosáhnout kapalné lázně.

Oxidace nečistot

Důležitou součástí výroby oceli je tvorba strusky, která plave na povrchu roztavené oceli. Obvykle se skládá z oxidů kovů a funguje také jako místo pro sběr zoxidovaných nečistot, jako tepelná pokrývka (zastavuje nadměrné tepelné ztráty) a také pomáhá snižovat erozi žáruvzdorné vyzdívky.

Pro pec se základními žáruvzdornými materiály vyrábějícími uhlíkovou ocel je běžnými struskotvornými látkami oxid vápenatý (CaO ve formě kalcinovanéhovápno) a hořčík (MgO ve formě dolomitu a magnezitu). Tyto látky jsou buď naplněny šrotem, nebo foukány do pece během tavení.

Další důležitou složkou je oxid železa, který vzniká při spalování oceli se zavedeným kyslíkem. Později při zahřátí je do této vrstvy vstřikován uhlík (ve formě uhlí), který reaguje s oxidem železa za vzniku kovu a oxidu uhelnatého. To má za následek napěnění strusky, což má za následek vyšší tepelnou účinnost. Povrchová úprava zabraňuje poškození střechy a bočních stěn trouby sálavým teplem.

Spalování nečistot

Po úplném roztavení kovového šrotu a dosažení rovného bazénu lze do pece vložit další vědro. Po úplném roztavení druhé vsázky se provádějí rafinační operace ke kontrole a opravě chemického složení oceli a přehřátí taveniny nad bod mrazu při přípravě na odpich. Zavádí se více struskotvorných látek a do lázně se dostává velké množství kyslíku, který spaluje nečistoty, jako je křemík, síra, fosfor, hliník, mangan a vápník, a odstraňuje jejich oxidy na strusku.

K odstranění uhlíku dochází poté, co tyto prvky nejprve vyhoří, protože jsou více podobné kyslíku. Kovy, které mají nižší afinitu než železo, jako je nikl a měď, nelze odstranit oxidací a musí být kontrolovány pouze chemií. Jedná se například o výše zmíněné zavedení přímo redukovaného železa a litiny.

Pěnivá struskapřetrvává po celou dobu a často přetéká pec, aby přetekla ze dvířek do zamýšlené jámy. Měření teploty a výběr chemikálií se provádí pomocí automatických oštěpů. Kyslík a uhlík lze měřit mechanicky pomocí speciálních sond, které jsou ponořeny do oceli.

Výrobní výhody

Pomocí řídicího systému pro obloukové pece pro tavení oceli je možné vyrábět ocel ze 100% suroviny - kovového odpadu. To značně snižuje energii potřebnou k výrobě látky ve srovnání s primární výrobou z rud.

Další výhodou je flexibilita: vysoké pece se sice nemohou výrazně lišit a mohou fungovat roky, ale tuto lze rychle spustit a vypnout. To umožňuje ocelárně měnit výrobu podle poptávky.

Typická oblouková ocelová pec je zdrojem oceli pro mini mlýn, který může vyrábět tyčový nebo pásový produkt. Mini-huti se mohou nacházet relativně blízko trhů s ocelí a přepravní požadavky jsou menší než u integrovaného závodu, který se obvykle nachází blízko pobřeží pro přístup lodí.

Zařízení pro obloukovou ocel

Schematický průřez je elektroda, která je zvedána a spouštěna pomocí hřebenového pohonu. Povrch je vyzděn žáruvzdornými cihlami a spodním obkladem. Dveře umožňují přístup do interiéručásti zařízení. Tělo trouby spočívá na vahadlech, takže ho lze naklonit pro poklep.