Дуговая сталеплавильная печь: устройство, принцип работы, мощность, система управления

Дуговая сталеплавильная печь (ДСП) представляет собой устройство, которое нагревает материал при помощи электрического изгиба.

Промышленные приборы расположены в диапазоне размеров от маленьких единиц, примерно одной тонны мощности (применяются в литейном производстве для изготовления чугунных продуктов) до 400 единиц на тонну, используемых для вторичной обработки стали. Дуговые сталеплавильные печи, ДСП, используемые в исследовательских лабораториях, могут иметь вместимость всего несколько десятков граммов. Температура промышленных устройств может достигать 1800 °C (3272 °F), в то время как лабораторные установки превышают 3000 °C (5432 °F).

Дуговые сталеплавильные печи (ДСП) отличаются от индукционных тем, что загружаемый материал непосредственно подвергается воздействию электрического изгиба, а ток на выводах проходит через заряженный материал.

Строительство

Дуговая сталеплавильная печь используется для производства стали и состоит из огнеупорного судна. В основном разделена на три секции:

• Оболочка, которая состоит из боковых стенок и нижней стали «чаши».
• Поддон, который состоит из огнеупорного материала.
• Крыша. Она может быть с жаростойкой футеровкой или водяным охлаждением. И также выполнена в виде шара или усеченного конуса (коническая секция). Крыша также поддерживает огнеупорную дельту в ее центре, через которую входит один или несколько графитовых электродов.

Отдельные элементы

Очаг может иметь полусферическую форму и необходим в эксцентричной печи для выстукивания дна. В современных цехах дуговая сталеплавильная печь — ДСП 5 – часто поднимается над первым этажом, так что ковши и шлаковые горшки можно легко маневрировать под любым концом. Отдельно от конструкции находится опора электрода и электрическая система, а также наклонная платформа, на которой стоит инструмент.

Уникальный инструмент

Типичная дуговая сталеплавильная печь ДСП 3 питается от трехфазного источника и поэтому имеет три электрода. В них расположено круглое сечение и, как правило, сегменты с резьбовыми соединениями, так что по мере износа можно добавлять новые элементы.

Дуга образуется между заряженным материалом и электродом. Заряд нагревается как током, проходящим через него, так и излучаемой энергией, выделяемой волной. Температура достигает около 3000 °C (5000 °F), в результате чего нижние секции электродов светятся лампами накаливания при работе дуговой сталеплавильной печи.

Элементы автоматически поднимаются и опускаются системой позиционирования, которая может использовать любую электрическую лебедку, подъемники или гидравлические цилиндры. Регулирование поддерживает приблизительно постоянный ток. А какая мощность потребляется дуговой сталеплавильной печью? Она поддерживается постоянной во время плавления заряда, даже несмотря на то что лом может перемещаться под электродами при его плавлении. Мачтовые рукава, удерживающие элемент, могут либо нести тяжелые шины (которые могут быть полыми медными трубами с водяным охлаждением, подводящими ток к зажимам), либо «горячими рукавами», где вся верхняя часть несет заряд, увеличивая эффективность.

Последний тип может быть изготовлен из покрытой медью стали или алюминия. Большие кабели с водяным охлаждением соединяют шины или кронштейны с трансформатором, расположенным рядом с печью. Подобный инструмент устанавливается в хранилище и охлаждается водой.

Постукивание и иные операции

Печь дуговая сталеплавильная ДСП 50 построена на наклонной платформе, так что жидкую сталь можно наливать в другую емкость для транспортировки. Операция наклона для переноса расплавленной стали называется постукиванием. Первоначально все сталеплавильные своды дуговой печи имели выпускной желоб, закрытый огнеупором, который вымывался при ее наклоне.

Но часто современное оборудование имеет эксцентричный нижний выпускной кран (EBT) для уменьшения включения азота и шлака в жидкую сталь. В этих печах есть отверстие, которое проходит вертикально через очаг и оболочку и смещено от центра в узком «носике» в форме яйца. Он заполнен огнеупорным песком.

Современные заводы могут иметь две оболочки с одним набором электродов, которые передаются между ними. Первая часть нагревает лом, а другая используется для расплавления. Иные печи на основе постоянного тока имеют аналогичное расположение, но обладают электродами для каждой оболочки и одним комплектом электроники.

Кислородные элементы

Печи переменного тока обычно имеют рисунок горячих и холодных пятен по периметру очага, расположенных между электродами. В современные устанавливают кислородно-топливные горелки в боковой стенке. Используют их для подачи химической энергии в минусовые зоны, что делает нагрев стали более равномерным. Дополнительная сила обеспечивается путем подачи кислорода и углерода в печь. Исторически это делалось при помощи копий (полых труб из мягкой стали) в дверце шлака, теперь это в основном делается при помощи настенных инжекционных блоков, которые объединяют кислородно-топливные горелки и системы подачи воздуха в один сосуд.

Современная сталелитейная печь среднего размера имеет трансформатор с номинальной мощностью около 60 000 000 вольт-ампер (60 МВА), со вторичным напряжением от 400 до 900 и током, превышающим 44 000. Ожидается, что в современном цехе такая печь произведет 80 метрических тонн жидкой стали примерно за 50 минут от загрузки холодного лома до выпуска.

Для сравнения, основные кислородные печи могут иметь мощность 150–300 тонн на партию или «нагревать» и выделять тепло в течение 30–40 минут. Существуют огромные различия в деталях конструкции печи и ее эксплуатации, в зависимости от конечного продукта и местных условий, а также от проводимых исследований для повышения эффективности установки.

Самая большая, предназначенная только для лома (с точки зрения массы ответвления и номинальной мощности трансформатора), представляет собой устройство постоянного тока, экспортированное из Японии, с массой отвода 420 метрических тонн и питаемое восемью трансформаторами 32 МВА для общей мощности 256 МВА.

Для производства тонны стали в электродуговой печи требуется приблизительно 400 киловатт-часов на короткую величину или около 440 кВт-ч на метрическую. Теоретическое минимальное количество энергии, необходимое для плавки стального лома, составляет 300 кВт-ч (температура плавления 1520 °C / 2768 °F). Поэтому для 300-тонного ЭДП мощностью 300 МВА потребуется около 132 МВтч энергии, а время включения составляет приблизительно 37 минут.

Производство стали с использованием электрической дуги экономически выгодно только при наличии достаточного количества электроэнергии с хорошо развитой сетью. Во многих местах мельницы работают в непиковые часы, когда коммунальные услуги имеют избыточную мощность производства, а цена на счетчик ниже.

Операция

Дуговая сталеплавильная печь разливает сталь в небольшую ковшовую машину. Металлолом доставляется в углубление, расположенное рядом с плавильным цехом. Скрап, как правило, бывает двух основных сортов: клочок (белые товары, автомобили и другие предметы, изготовленные из аналогичной легковесной стали) и тяжелый расплав (большие слябы и балки), а также некоторое количество железа прямого восстановления (DRI) или чугуна для химического баланса. Отдельные печи плавят почти на 100% DRI.

Следующий этап

Лом загружается в большие ведра, называемые корзинами, с дверцами-раскладушками для основания. Необходимо следить за тем, чтобы лом был в корзине, чтобы обеспечить хорошую работу печи. Сильный расплав укладывается сверху легким слоем защитного клочка, поверх которого ложится еще часть. Все они должны присутствовать в печи после загрузки. В это время корзина может перейти в предварительный нагреватель лома, который использует горячие, отходящие газы установки для плавки и рекуперации энергии, повышая эффективность.

Перелив

Затем сосуд доставляют в плавильный цех, откидывают крышу печи и в нее загружают материал. Перелив является одной из наиболее опасных операций для операторов. Много потенциальной энергии выделяется тоннами падающего металла. Любое жидкое вещество в печи часто вытесняется твердым ломом и смазкой вверх и наружу. Пыль на металле воспламеняется, если печь горячая, что приводит к вспышке огненного шара.

В некоторых устройствах с двойной оболочкой лом загружается во вторую, пока первая расплавляется, и предварительно нагревается отходящим газом из активной части. Другими операциями являются: непрерывная загрузка и работы с температурой на конвейерной ленте, которая затем выгружает металл в саму печь. Другие устройства могут загружаться горячим веществом из прочих операций.

Напряжение

После зарядки крыша откидывается над печью и начинается расплавление. Электроды опускаются на металлолом, возникает дуга, и затем они устанавливаются так, чтобы растекались в слое крошки в верхней части устройства. Низкие напряжения выбираются для этой операции, чтобы защитить крышу и стены от чрезмерного нагрева и повреждения от дуг.

Как только электроды достигли тяжелого расплава в основании печи и волны экранированы ломом, напряжение может быть увеличено, а электроды немного подняты, удлиняя и увеличивая мощность для расплава. Это позволяет более быстро образовывать расплавленную ванну, сокращая время отводов к выпуску.

Кислород выдувается в металлолом, сжигает или разрезает сталь, а дополнительное химическое тепло обеспечивается настенными горелками. Оба процесса ускоряют расплавление вещества. Сверхзвуковые форсунки позволяют кислородным струям проникать в пенящийся шлак и достигать жидкой ванны.

Окисление примесей

Важной частью сталеплавильного производства является образование шлака, который плавает на поверхности расплавленной стали. Он обычно состоит из металлических оксидов, а также действует в качестве места для сбора окисленных примесей, как термоодеяла (остановка чрезмерных потерь тепла), а также помогает снизить эрозию огнеупорной футеровки.

Для печи с основными огнеупорами, производящей углеродистую сталь, обычными шлакообразователями являются оксид кальция (CaO в виде обожженной извести) и магния (MgO в форме доломита и магнезита.). Эти вещества либо загружаются с ломом, либо выдуваются в печь во время расплавления.

Другим важным компонентом является оксид железа, образующийся при сжигании стали с введенным кислородом. Позднее при нагревании углерод (в форме угля) впрыскивается в этот слой, вступая в реакцию с оксидом железа с образованием металла и окиси углерода. Это приводит к вспениванию шлака, что обеспечивает большую термическую эффективность. Покрытие предотвращает повреждение крыши и боковых стенок печи от лучистого тепла.

Сжигание примесей

Как только металлолом полностью расплавится и будет достигнута плоская ванна, в печь может быть загружено еще одно ведро. После того как второй заряд полностью расплавлен, проводятся операции рафинирования для проверки и корректировки химического состава стали и перегрева расплава выше его температуры замерзания при подготовке к выпуску. Вводится больше шлакообразователей, и в ванну поступает много кислорода, сжигая такие примеси, как кремний, сера, фосфор, алюминий, марганец и кальций, и удаляя их оксиды в шлак.

Уборка углерода происходит после того как эти элементы выгорят первыми, так как они имеют большее сходство с кислородом. Металлы, которые имеют более низкое родство, чем железо, такие как никель и медь, не могут быть удалены путем окисления и должны контролироваться только при помощи химии. Это, например, введение железа прямого восстановления и чугуна, упомянутых ранее.

Пенистый шлак сохраняется повсюду и часто переполняет печь, чтобы вылиться из дверцы в предназначенную яму. Измерение температуры и химический отбор производятся при помощи автоматических копий. Кислород и углерод могут быть механически измерены специальными зондами, которые погружаются в сталь.

Преимущества для производства

Использование системы управления дуговыми сталеплавильными печами позволяет изготавливать сталь из 100% сырья - металлолома. Это значительно снижает энергию, необходимую для производства вещества, по сравнению с первичным изготовлением из руд.

Еще одним преимуществом является гибкость: в то время как доменные печи не могут значительно варьировать свою работу и могут трудиться в течение нескольких лет, данный экземпляр можно быстро запускать и останавливать. Это позволяет сталелитейному заводу варьировать производство в зависимости от спроса.

Типичная дуговая сталеплавильная печь является источником стали для мини-мельницы, которая может производить пруток или полосовой продукт. Мини-заводы могут быть расположены относительно близко к рынкам металлопродукции, а транспортные требования меньше, чем для интегрированного завода, который обычно располагается возле берега для доступа к отгрузке.

Дуговая сталеплавильная печь: устройство

Схематическое поперечное сечение представляет собой электрод, который поднимается и опускается реечным приводом. Поверхность облицована огнеупорным кирпичом и нижней облицовкой. Дверь позволяет получить доступ к внутренней части устройства. Корпус печи опирается на коромысла, чтобы его можно было наклонять для постукивания.