Архив

Архив рубрики ‘Оборудование’

Electric Arc Furnace (EAF)

An electric arc furnace (EAF) is a furnace that heats charged material by means of an electric arc.

Arc furnaces range in size from small units of approximately one ton capacity (used in foundries for producing cast iron products) up to about 400 ton units used for secondary steelmaking. Arc furnaces used in research laboratories and by dentists may have a capacity of only a few dozen grams. Temperatures inside an electric arc furnace can rise to 1,800 degrees Celsius.

An electric arc furnace used for steelmaking consists of a refractory-lined vessel, usually water-cooled in larger sizes, covered with a retractable roof, and through which one or more graphite electrodes enter the furnace. The furnace is primarily split into three sections:

the shell, which consists of the sidewalls and lower steel ‘bowl’;

the hearth, which consists of the refractory that lines the lower bowl;

the roof, which may be refractory-lined or water-cooled, and can be shaped as a section of a sphere, or as a frustum (conical section). The roof also supports the refractory delta in its centre, through which one or more graphite electrodes enter.

The hearth may be hemispherical in shape, or in an eccentric bottom tapping furnace, the hearth has the shape of a halved egg. In modern melt shops, the furnace is often raised off the ground floor, so that ladles and slag pots can easily be maneuvered under either end of the furnace. Separate from the furnace structure is the electrode support and electrical system, and the tilting platform on which the furnace rests. Two configurations are possible: the electrode supports and the roof tilt with the furnace, or are fixed to the raised platform.

A typical alternating current furnace has three electrodes. Electrodes are round in section, and typically in segments with threaded couplings, so that as the electrodes wear, new segments can be added. The arc forms between the charged material and the electrode, and the charge is heated both by current passing through the charge and by the radiant energy evolved by the arc. The electrodes are automatically raised and lowered by a positioning system, which may use either electric winch hoists or hydraulic cylinders. The regulating system maintains an approximately constant current and power input during the melting of the charge, even though scrap may move under the electrodes while it melts. The mast arms holding the electrodes carry heavy bus bars, which may be hollow water-cooled copper pipes, used to convey current to the electrode holders. Modern systems use ‘hot arms’, where the whole arm carries the current, increasing efficiency. These can be made from copper-clad steel or aluminum. Since the electrodes move up and down automatically for regulation of the arc, and are raised to allow removal of the furnace roof, heavy water-cooled cables connect the bus tubes/arms with the transformer located adjacent to the furnace. To protect the transformer from the heat of the furnace, it is installed in a vault.

The furnace is built on a tilting platform so that the liquid steel can be poured into another vessel for transport in the steel making process. The operation of tilting the furnace to pour off molten steel is called “tapping”. Originally, all steelmaking furnaces had a tapping spout closed with refractory that washed out when the furnace was tilted, but often modern furnaces have an eccentric bottom tap-hole (EBT) to reduce inclusion of nitrogen and slag in the liquid steel. These furnaces have a taphole that passes vertically through the hearth and shell, and is set off-centre in the narrow ‘nose’ of the egg-shaped hearth. Modern plants may have two shells with a single set of electrodes that can be transferred between the two; one shell preheats scrap while the other shell is utilized for meltdown. Other DC-based furnaces have a similar arrangement, but have electrodes for each shell and one set of electronics.

A mid-sized modern steelmaking furnace would have a transformer rated about 60,000,000 volt-amperes (60 MVA), with a secondary voltage between 400 and 900 volts and a secondary current in excess of 44,000 amperes. In a modern shop such a furnace would be expected to produce a quantity of 80 metric tonnes of liquid steel in approximately 60 minutes from charging with cold scrap to tapping the furnace. In comparison, basic oxygen furnaces can have a capacity of 150-300 tonnes per batch, or ‘heat’, and can produce a heat in 30-40 minutes. Enormous variations exist in furnace design details and operations, depending on the end product and local conditions, as well as ongoing research to improve furnace efficiency – the largest scrap-only furnace (in terms of tapping weight and transformer rating) is in Turkey, with a tap weight of 250 metric tonnes and a transformer of 240 MVA.

To produce a ton of steel in an electric arc furnace requires on the close order of 400 kilowatt-hours per short ton of electrical energy, or about 440kWh per metric tonne; the theoretical minimum amount of energy required to melt a tonne of scrap steel is 300kWh (melting point 1520°C/2768°F). Electric arc steelmaking is only economical where there is a plentiful supply of electric power, with a well-developed electrical grid.

Scrap metal is delivered to a scrap bay, located next to the melt shop. Scrap generally comes in two main grades: shred (white goods, cars – whole – and other similar objects) and heavy melt (large slabs and beams), along with some direct reduced iron (DRI) or pig iron for chemical balance. Some furnaces, however, melt almost 100% DRI.

The scrap is loaded into large buckets called baskets, with ‘clamshell’ doors for a base. Care is taken to layer the scrap in the basket to ensure good furnace operation; heavy melt is placed on top of a light layer of protective shred, on top of which is placed more shred. These layers should be present in the furnace after charging. After loading, the basket may pass to a scrap pre-heater, which uses hot furnace off-gases to heat the scrap and recover energy to increase plant overall efficiency.

The scrap basket is then taken to the melt shop, the roof is swung off the furnace, and the furnace is charged with scrap from the basket. Charging is one of the more dangerous operations for the EAF operators. There is a lot of energy generated by multiple tonnes of falling metal; any liquid metal in the furnace is often displaced upwards and outwards by the solid scrap, and the grease and dust that coats the scrap is ignited if the furnace is hot, resulting in a fireball erupting out of the top of the furnace and the slag door. In some twin-shell furnaces, the scrap is charged into the second shell while the first is being melted down, and pre-heated with off-gas from the active shell. Other operations are continuous charging – pre-heating scrap on a conveyor belt, which then discharges the scrap into the furnace proper, or charging the scrap from a shaft set above the furnace, with off-gases directed through the shaft. Yet other furnaces can be charged with hot (molten) metal from other operations.

After charging, the roof is swung back over the furnace and meltdown commences. The electrodes are lowered onto the scrap, an arc is struck and the electrodes are then set to bore into the layer of shred at the top of the furnace. Lower voltages are selected for this first part of the operation to protect the roof and walls from excessive heat and damage from the arcs. Once the electrodes have reached the heavy melt at the base of the furnace and the arcs are shielded by the scrap, the voltage can be increased and the electrodes raised slightly, lengthening the arcs and increasing power to the melt. This enables a molten pool to form more rapidly, reducing tap-to-tap times. In more modern furnaces, oxygen is also lanced into the scrap, combusting or cutting the steel and burning out carbon, and sometimes chemical heat is provided by wall-mounted oxy-fuel burners. Both processes accelerate scrap meltdown.

An important part of steelmaking is the formation of slag, which floats on the surface of the molten steel. Slag usually consists of metal oxides, and acts as a destination for oxidized impurities, as a thermal blanket (stopping excessive heat loss) and helping to reduce erosion of the refractory lining. For a furnace with basic refractories, which includes most carbon steel-producing furnaces, the usual slag formers are calcium oxide (CaO, in the form of burnt lime) and magnesium oxide (MgO, in the form of dolomite and magnesite). These slag formers are either charged with the scrap, or blown into the furnace during meltdown. Later in the heat, carbon (in the form of coke) is lanced into this slag layer, partially combusting to form carbon monoxide gas, which then causes the slag to foam, allowing greater thermal efficiency, and better arc stability and electrical efficiency. The slag blanket also covers the arcs, prevents damage to the furnace roof and sidewalls from radiant heat.

Once flat bath conditions are reached, i.e. the scrap has been completely melted down, often another bucket of scrap is charged into the furnace and melted down. After the second charge is completely melted, refining operations take place to check and correct the steel chemistry and superheat the melt above its freezing temperature in preparation for tapping. More slag formers are introduced and more oxygen is lanced into the bath, burning out impurities such as silicon, sulfur, phosphorus, aluminum, manganese and calcium and removing their oxides to the slag. Metals that have a poorer affinity for oxygen than iron, such as nickel and copper, cannot be removed through oxidation and must be controlled through scrap chemistry alone, such as introducing the direct reduced iron and pig iron mentioned earlier. A foaming slag is maintained throughout, and often overflows the furnace to pour out of the slag door into the slag pit. Temperature sampling and chemical sampling (in the form of a ‘chill’ – a small, solidified sample of the steel) take place via automatic lances.

Once the temperature and chemistry are correct, the steel is tapped out into a preheated ladle through tilting the furnace. As soon as slag is detected during tapping the furnace is rapidly tilted back towards the deslagging side, minimizing slag entering the ladle. During tapping some alloy additions are introduced into the metal stream. Often, a few tonnes of liquid steel and slag is left in the furnace in order to form a ‘hot heel’, which helps preheat the next charge of scrap and accelerate its meltdown. During and after tapping, the furnace is ‘turned around’: the slag door is cleaned of solidified slag, repairs may take place, and electrodes are inspected for damage or lengthened through the addition of new segments; the taphole is filled with sand at the completion of tapping. For a 90-tonne, medium-power furnace, the whole process will usually take about 60-70 minutes from the tapping of one heat to the tapping of the next (the tap-to-tap time).

The precise control of chemistry and temperature encouraged use of electric arc furnaces during World War II for production of steel for shell casings. Today steelmaking arc furnaces produce many grades of steel, from concrete reinforcing bars and common merchant-quality standard channels, bars, and flats to special bar quality grades used for the automotive and oil industry.

A typical steelmaking arc furnace is the source of steel for a mini-mill, which may make bars or strip product. The steelmaking arc furnace is generally charged with scrap steel, though if hot metal from a blast furnace or direct-reduced iron is available economically, these can also be used for steelmaking.

 

Оборудование ЭСПЦ

Общее описание дуговой электропечи

В обозначении дуговой сталеплавильной печи как правило присутствует её ёмкость в тоннах (например, ДСП-12). Диапазон печей варьируется от 1 до 400 тонн. Температура в ДСП может достигать 1800 °С.

Дуговая сталеплавильная печь (ДСП) состоит из рабочего пространства (собственно печи) с электродами и токоподводами и механизмов, обеспечивающих наклон печи, удержание и перемещение электродов и отвод свода для загрузки шихты. Как правило, ДСП имеет индивидуальное электроснабжение через печной трансформатор, подключенный к высоковольтной линии. Мощность трансформатора на больших печах достигает 100 МВА, первичное напряжение 6-10 кВ, вторичное 50-300В. Вторичное напряжение регулируется при помощи переключателя ступеней напряжения (ПСН).

Плавку стали ведут в рабочем пространстве, ограниченном сверху куполообразным сводом, снизу сферическим подом и с боков стенками. Огнеупорная кладка пода и стен снаружи заключена в металлический кожух. Съёмный свод может быть набран из огнеупорных кирпичей, опирающихся на опорное кольцо, а может быть из водоохлаждаемых панелей, как и стенки. Через три симметрично расположенных в своде отверстия в рабочее пространство введены токопроводящие электроды, которые с помощью специальных механизмов могут перемещаться вверх и вниз. Печь обычно питается трёхфазным током, но есть печи и на постоянном токе. Современная мощная дуговая печь используется преимущественно, как агрегат для расплавления шихты и получения жидкого полупродукта, который затем доводят до нужных состава и степени чистоты внепечной обработкой в ковше.

Процесс выплавки
Плавка в ДСП, после осмотра печи и ремонта пострадавших участков футеровки, начинается с завалки шихты. В современные печи шихту загружают сверху при помощи загрузочной бадьи (корзины). Для предохранения подины от ударов крупными кусками шихты на дно бадьи загружают мелкий лом. Для раннего шлакообразования в завалку вводят известь 2-3% от массы металлической шихты. После окончания завалки в печь опускают электроды, и включают высоковольтный выключатель, начинают период плавления. На данном этапе возможна поломка электродов (из-за плохой проводимости между электродом и шихтой). Регулирование отдаваемой мощности осуществляется изменением положения электродов (длины электрической дуги) либо напряжения на электродах. В современных системах АСУ ТП достаточно указать ток работы регулятора мощности либо период работы печи, АСУ поддерживает заданный ток горения дуги – отдаваемую мощность. После периода расплава в печи образуется слой металла и шлака.

Выпуск готовой стали и шлака осуществляется через сталевыпускное отверстие и жёлоб путём наклона рабочего пространства (или, если печь оборудована вместо жёлоба донным выпуском, то через него). Рабочее окно, закрываемое заслонкой, предназначено для контроля за ходом плавки (замер температуры металла и отбор пробы химического состава металла). Так же рабочее окно может использоваться для отдачи шлакообразующих и легирующих материалов (на малых печах).

МНЛЗ – машина непрерывного литья заготовок. В настоящее время около 60% отливаемых непрерывным литьем заготовок разливается на слябовых МНЛЗ. Основными производителями непрерывнолитых слябов в мире являются Япония, США, КНР, Германия, Корея и Россия. На их долю приходится более двух третей мирового объема производства слябов. Сейчас в мире насчитывается чуть более 500 слябовых МНЛЗ с общим числом ручьёв свыше 700 шт.

Различают 3 конструкции МНЛЗ:

  • вертикальные
  • с изгибом
  • радиусные

По количеству ручьёв МНЛЗ разделяют на 1-6 ручьевые.

В зависимости от размера слитка МНЛЗ делятся на:

  • слябовые
  • блюмовые
  • заготовочные

При непрерывном методе разливки жидкая сталь заливается в кристаллизатор, под влиянием водоохлаждаемых стенок которого начинается первичное охлаждение. Выходящая из кристаллизатора заготовка с жидкой сердцевиной интенсивно охлаждается (вторичное охлаждение). После затвердевания по всему сечению заготовка разрезается на мерные длины. Таким образом, непрерывная разливка позволяет получать непосредственно из жидкой стали полупродукт, готовый для прокатки на чистовых станках.

Оборудование и процесс
МНЛЗ состоит из сталеразливочного и промежуточного ковшей, водоохлаждаемого кристаллизатора, системы вторичного охлаждения, устройства для вытягивания, оборудования для резки и перемещения слитка.

После слива металла с ДСП или мартена, доведения химии и температуры на АКП, ковш поднимается литейным краном на поворотный стенд МНЛЗ. Поворотный стенд представляет собой вращающуюся конструкцию с двумя позициями для установки ковшей. После опустошения ковша в позиции разливки, стенд поворачивается на 180° и уже полный ковш находится в позиции разливки. После открытия шибера ковша, жидкий металл начинает поступать в промежуточный ковш. Промковш является своего рода буфером между Сталь ковшом и кристаллизатором. После открытия шибера промковша металл поступает в кристаллизатор. Кристаллизатор представляет собой водоохлаждаемую конструкцию, которая совершает вертикальные или околовертикальные колебания, для предотвращения застывания металла на стенках кристаллизатора. В зависимости от конструкции МНЛЗ размеры кристаллизатора могут варьироваться. В кристаллизаторе происходит застывание стенок сляба. Далее, под воздействием тянущих роликов сляб попадает в зону вторичного охлаждения (дуговой участок ручья), где на металл через форсунки разбрызгивается вода. После выхода металла на прямолинейный участок ручья, происходит отрезание слябов (газовая резка или ножницы).

Пуск литья, управление процессом и проблемы
Для пуска процесса непрерывного литья, перед открытием шибера на промковше, на радиусный участок ручья заводится “затравка”, таким образом в районе кристаллизатора образуется своего рода карман. После наполнения этой полости металлом начинается вытягивание “затравки”. На конце радиусного участка расположен механизм отделения затравки. После отделения она отводится рольгангом и цепными транспортёрами.

Преимущества МНЛЗ перед разливкой в изложницы
По сравнению с прежним методом разливки стали в изложницы при непрерывной разливке можно сократить не только время за счет исключения некоторых операций, но и капиталовложения (например, на сооружение обжимных станов). Непрерывная разливка обеспечивает значительную экономию металла вследствие уменьшения обрези и энергии, которая тратилась на подогрев слитка в нагревательных колодцах. Исключение нагревательных колодцев позволило в значительной степени избавиться от загрязнения атмосферы. По ряду других показателей: качеству металлопродукции, возможности механизации и автоматизации, улучшению условий труда непрерывная разливка также эффективнее традиционных способов. Но непрерывная разливка имеет и отрицательные стороны. Стали некоторых марок, например кипящие, нельзя разливать по этому методу, малые объемы разливки сталей различных марок повышают их себестоимость, неожиданные поломки оказывают большое влияние на снижение общей производительности.

Усовершенствования

В настоящее время все большее распространение получает метод электромагнитного торможения потока стали, попадающей в кристаллизатор. Это дает возможность существенно снизить скорость движения потоков, ограничить их проникновение вглубь жидкой фазы заготовки, а также обеспечить их рациональное движение. Вероятно, в ближайшее время этот метод получит развитие в совокупности с использованием погружных стаканов оптимальной геометрической формы, которая будет создаваться для каждого конкретного случая.

Обработка в ковше-печи
Широкое распространение для внепечной обработки стали получил разработанный в 1971 г. фирмой Daido Steel (Япония) процесс рафинирования в ковше-печи (процесс LF – Ladle Furnace). Ковш-печь футерован огнеупорной кладкой. В днище устанавливаются одна-три пористые пробки. Ковш накрывается крышкой с патрубками (сводом) для подачи присадок и контроля процесса и с тремя отверстиями для графитовых электродов. Мощность трансформаторов установок ковш-печь по сравнению с дуговыми печами невелика и составляет 100-160 кВА/т. Она ограничивается повышенным износом кладки ковша выше уровня металла ввиду малого (по сравнению с дуговой печью) диаметром ковша. Основные требования к АКП: контроль атмосферы над ванной, регулируемый нагрев металла без сильного износа футеровки и отрицательного влияния на состав металла (например, науглероживания), интенсивное перемешивание ванны без загрязнения металла атмосферой (вторичного окисления, азотирования).

После слива стали в ковш-печь и установки его под крышкой в ковше-печи наводят шлак на основе алюминатов кальция, обладающий высокой десульфурирующей способностью и защищающий металл от вторичного окисления.

Легирование можно производить в ковше-печи, используя дуговую печь лишь для расплавления лома. При выплавке высоколегированной хромом стали в дуговой печи лишь расплавляют лом и ферросплавы и раскисляют шлак ферросилицием. Затем шлак сливают в ковш-печь, где завершают восстановление и десульфурацию. При этом усвоение легирующих элементов повышается.

Follow

Get every new post delivered to your Inbox.