Forn d'acer d'arc: dispositiu, principi de funcionament, potència, sistema de control

2024 Autora: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificació: 2023-12-17 10:21

Un forn d'arc d'acer (EAF) és un dispositiu que escalfa material mitjançant flexió elèctrica.

Els aparells industrials varien en grandària des de petites unitats, aproximadament una tona de potència (utilitzada a les foneries per fer productes de ferro colat) fins a 400 unitats per tona, utilitzades per al reciclatge d'acer. Els forns d'acer d'arc, EAF, utilitzats en laboratoris d'investigació poden tenir una capacitat de només unes desenes de grams. La temperatura dels dispositius industrials pot arribar als 1800 °C (3272 °F), mentre que les instal·lacions de laboratori superen els 3000 °C (5432 °F).

Els forns d'acer d'arc (EAF) es diferencien dels forns d'inducció perquè el material que es carrega està directament sotmès a flexió elèctrica i el corrent als terminals passa a través del material carregat.

Construcció

El forn d'acer d'arc s'utilitza per a la producció d'acer i es compon d'un recipient refractari. Principalment dividit en tres seccions:

• Shell, que consta de parets laterals i acer inferiorbols.
• Palet fet de material refractari.
• Sostre. Pot ser amb un folre resistent a la calor o refrigerat per aigua. I també es fa en forma de bola o tronc de con (secció cònica). El sostre també suporta un delta refractari al seu centre per on entren un o més elèctrodes de grafit.

Articles individuals

La llar pot tenir una forma hemisfèrica i es necessita en un forn excèntric per tocar el fons. En els tallers moderns, el forn d'acer d'arc - EAF 5 - sovint s'eleva per sobre de la planta baixa de manera que els cullerots i les olles d'escòria es poden maniobrar fàcilment sota qualsevol dels extrems. A part de l'estructura hi ha el suport de l'elèctrode i el sistema elèctric, així com la plataforma inclinada sobre la qual es troba l'instrument.

Eina única

Un forn d'arc de fosa d'acer EAF 3 típic està alimentat per una font trifàsica i, per tant, té tres elèctrodes. Tenen una secció rodona i, per regla general, segments amb connexions roscades, de manera que a mesura que es van desgastant es puguin afegir nous elements.

L'arc es forma entre el material carregat i l'elèctrode. La càrrega s'escalfa tant pel corrent que la travessa com per l'energia radiada alliberada per l'ona. La temperatura arriba a uns 3000 °C (5000 °F), fent que les seccions inferiors dels elèctrodes brillin com a làmpades incandescents quan el forn d'arc està en funcionament.

Els elements s'eleven i baixen automàticament mitjançant un sistema de posicionament que pot utilitzar qualsevolcabrestant, polipasts o cilindres hidràulics. La regulació manté un corrent aproximadament constant. Quin és el consum d'energia d'un forn d'arc? Es manté constant durant la fusió de la càrrega, tot i que la ferralla es pot moure sota els elèctrodes a mesura que es fon. Els mànigues del pal que subjecten l'element poden portar barres pesades (que poden ser tubs de coure buits refrigerats per aigua que subministren corrent a les pinces) o "mangues calents" on tota la part superior porta la càrrega, augmentant l'eficiència.

Aquest últim tipus pot ser d'acer amb coure o alumini. Els cables grans refrigerats per aigua connecten barres o suports a un transformador situat al costat del forn. S'instal·la una eina similar a l'emmagatzematge i es refreda amb aigua.

Tocs i altres operacions

El forn d'arc d'acer EAF 50 està construït sobre una plataforma inclinada perquè l'acer líquid es pugui abocar en un altre contenidor per al seu transport. L'operació d'inclinació per transferir l'acer fos s'anomena tapping. Inicialment, totes les voltes de fabricació d'acer del forn d'arc tenien un tobogan de descàrrega cobert amb refractari, que es rentava quan s'inclinava.

Però sovint els equips moderns tenen una vàlvula de sortida inferior excèntrica (EBT) per reduir la incorporació de nitrogen i escòries a l'acer líquid. Aquests forns tenen una obertura que travessa verticalment la llar i la closca i està descentrada en un "broc" estret en forma d'ou. Està plesorra refractària.

Les plantes modernes poden tenir dues closques amb un conjunt d'elèctrodes que es passen entre elles. La primera part escalfa la ferralla, mentre que l' altra s'utilitza per fondre. Altres forns de corrent continu tenen una disposició similar, però tenen elèctrodes per a cada funda i un conjunt d'electrònica.

Elements d'oxigen

Els forns de CA solen tenir un patró de punts calents i freds al llarg del perímetre de la llar, situats entre els elèctrodes. En els moderns, els cremadors d'oxi-combustible s'instal·len a la paret lateral. S'utilitzen per subministrar energia química a les zones menys, la qual cosa fa que l'escalfament de l'acer sigui més uniforme. L'energia addicional es proporciona subministrant oxigen i carboni al forn. Històricament, això es feia amb llances (tubs buits d'acer suau) a la porta d'escòria, ara es fa principalment amb unitats d'injecció muntades a la paret que combinen cremadors d'oxicombustible i sistemes de subministrament d'aire en un sol recipient.

Un forn modern d'acer de mida mitjana té un transformador d'uns 60.000.000 de volts-ampères (60 MVA), amb una tensió secundària de 400 a 900 i un corrent superior a 44.000. En una botiga moderna, com un S'espera que el forn produeixi 80 tones mètriques d'acer líquid en uns 50 minuts des de la càrrega de la ferralla en fred fins a l'aprofitament.

En comparació, els forns bàsics d'oxigen poden tenir una capacitat de 150-300 tones per lot o "escalfar" i generar calor durant 30-40 minuts. Hi ha grans diferències en els detalls del disseny i el funcionament del forn,en funció del producte final i de les condicions locals, així com de la investigació en curs per millorar l'eficiència de la planta.

El més gran només de ferralla (en termes de pes d'aixeta i valor nominal del transformador) és un dispositiu de corrent continu exportat des del Japó amb un pes d'aixeta de 420 tones mètriques i alimentat per vuit transformadors de 32 MVA per a una potència total de 256 MBA.

Es necessiten aproximadament 400 quilowatts-hora per produir una tona d'acer en un forn d'arc elèctric, o uns 440 kWh per mètrica. L'energia mínima teòrica necessària per fondre la ferralla d'acer és de 300 kWh (punt de fusió 1520 °C / 2768 °F). Per tant, un EAF de 300 tones amb una potència de 300 MVA necessitarà uns 132 MWh d'energia i el temps d'encesa és d'aproximadament 37 minuts.

La producció d'acer amb arc elèctric només és viable econòmicament si hi ha prou electricitat amb una xarxa ben desenvolupada. En molts llocs, les fàbriques funcionen durant les hores baixes quan els serveis públics tenen una capacitat de producció excessiva i el preu per metre és més baix.

Operació

El forn d'acer d'arc aboca acer en una petita màquina de cullera. La ferralla es lliura a un rebaix situat al costat de la fosa. La ferralla acostuma a presentar-se en dues varietats principals: ferralla (electrònica blanca, cotxes i altres articles fets ambacer lleuger) i fosos pesats (grans lloses i bigues), així com alguns ferro reduït directe (DRI) o ferro brut per a l'equilibri químic. Els forns separats es fonen gairebé al 100% DRI.

Pas següent

La ferralla es carrega en grans galledes, anomenades cistelles, amb portes de closca per a la base. S'ha de vigilar que la ferralla estigui a la cistella per garantir un bon funcionament del forn. Es col·loca una fosa forta a sobre amb una capa lleugera d'un trosset protector, a sobre de la qual hi ha una altra part. Tots ells han d'estar presents al forn després de la càrrega. En aquest moment, la cistella es pot moure al preescalfador de ferralla, que utilitza els gasos calents de la fosa per recuperar energia, millorant l'eficiència.

Desbordament

A continuació, el vaixell es porta a la fosa, s'obre el sostre del forn i s'hi carrega el material. El trasllat és una de les operacions més perilloses per als operadors. Molta energia potencial és alliberada per tones de metall que cauen. Qualsevol matèria líquida del forn sovint és empesa cap amunt i fora per ferralla sòlida i greix. La pols del metall s'encén si el forn està calent, provocant l'erupció d'una bola de foc.

En alguns dispositius de doble closca, la ferralla es carrega al segon mentre el primer es fon, i s'escalfa prèviament pel gas d'escapament de la part activa. Altres operacions són: càrrega contínua i treball amb temperatura sobre una cinta transportadora, que després descarrega el metall al propi forn. Altres dispositius poden arrencarsubstància calenta d' altres operacions.

Tensió

Després de la càrrega, el sostre s'inclina sobre el forn i comença la fusió. Els elèctrodes es baixen sobre la ferralla, es crea un arc i després es col·loquen de manera que s'estenen a la capa de molla a la part superior del dispositiu. Es seleccionen tensions baixes per a aquesta operació per protegir el sostre i les parets de l'excés de calor i danys per arc.

Un cop els elèctrodes han arribat a la fosa pesada a la base del forn i les ones estan blindades per la palanca, es pot augmentar la tensió i pujar lleugerament els elèctrodes, allargant i augmentant la potència de la fosa. Això permet que la piscina fosa es formi més ràpidament, reduint el temps de sortida.

L'oxigen s'infla a la ferralla, cremant o tallant l'acer, i els cremadors de paret proporcionen calor químic addicional. Tots dos processos acceleren la fusió de la substància. Els broquets supersònics permeten que els raigs d'oxigen penetrin a l'escòria espumosa i arribin al bany líquid.

Oxidació d'impureses

Una part important de la fabricació d'acer és la formació d'escòries que suren a la superfície de l'acer fos. Normalment està compost per òxids metàl·lics i també actua com a lloc per recollir les impureses oxidades, com a manta tèrmica (aturant la pèrdua excessiva de calor) i també ajuda a reduir l'erosió del revestiment refractari.

Per a un forn amb refractaris bàsics que produeixen acer al carboni, els formadors d'escòries comuns són l'òxid de calci (CaO en forma de calcinatcalç) i magnesi (MgO en forma de dolomita i magnesita.). Aquestes substàncies es carreguen amb ferralla o es bufen al forn durant la fusió.

Un altre component important és l'òxid de ferro, que es forma quan es crema l'acer amb la introducció d'oxigen. Més tard, quan s'escalfa, s'injecta carboni (en forma de carbó) en aquesta capa, que reacciona amb l'òxid de ferro per formar metall i monòxid de carboni. Això dóna lloc a l'escuma de l'escòria, donant lloc a una major eficiència tèrmica. El recobriment evita danys al sostre i a les parets laterals del forn per la calor radiant.

Combustió d'impureses

Un cop la ferralla estigui completament fosa i s'arribi a una piscina plana, es pot carregar una altra galleda al forn. Després que la segona càrrega s'hagi fos completament, es duen a terme operacions de refinament per comprovar i corregir la composició química de l'acer i sobreescalfar la fosa per sobre del seu punt de congelació en preparació per a la presa. S'introdueixen més formadors d'escòries i entra molt d'oxigen al bany, cremant impureses com ara silici, sofre, fòsfor, alumini, manganès i calci, i eliminant els seus òxids a l'escòria.

L'eliminació de carboni es produeix després que aquests elements es cremen primer, ja que són més semblants a l'oxigen. Els metalls que tenen una afinitat menor que el ferro, com el níquel i el coure, no es poden eliminar per oxidació i només s'han de controlar mitjançant la química. Aquesta és, per exemple, la introducció de ferro reduït directe i ferro colat esmentats anteriorment.

Escòria espumosapersisteix durant tot i sovint desborda el forn per desbordar des de la porta cap a la fossa prevista. La mesura de la temperatura i la selecció química es fan mitjançant llances automàtiques. L'oxigen i el carboni es poden mesurar mecànicament amb sondes especials submergides en acer.

Avantatges de producció

Usant un sistema de control per a forns d'arc de fosa d'acer, és possible produir acer a partir d'un 100% de matèria primera: ferralla. Això redueix molt l'energia necessària per produir la substància, en comparació amb la producció primària a partir de minerals.

Un altre avantatge és la flexibilitat: tot i que els alts forns no poden variar significativament i poden funcionar durant anys, aquest es pot iniciar i apagar ràpidament. Això permet que l'acer varia la producció en funció de la demanda.

El forn típic d'acer d'arc és la font d'acer per a mini molí, que pot produir productes de barres o tires. Les minifones es poden situar relativament a prop dels mercats de l'acer i els requisits de transport són inferiors als d'una planta integrada, que normalment es troba a prop de la costa per accedir a l'enviament.

Dispositiu de forn d'acer d'arc

La secció transversal esquemàtica és un elèctrode que s'eleva i baixa mitjançant un accionament de cremallera i pinyó. La superfície està revestida amb maons refractaris i revestiment inferior. La porta permet l'accés a l'interiorparts del dispositiu. El cos del forn es recolza sobre els braços de balancí perquè es pugui inclinar per tocar.