Diepgaande analyse van de mechanische apparatuur van de elektrische vlamboogoven (EAF): behuizing, dak, kantelmechanisme en slakkenafschuiming.
De meeste gesprekken over elektrische vlamboogovens richten zich op elektrische systemen en procesbesturing. De mechanische kant – de ovenmantel, het dak, de elektrodemast, het kantelsysteem, de slakafscheider en de aftapopening – is echter net zo belangrijk, en de ontwerpkeuzes die hier worden gemaakt, bepalen hoe de oven zich de komende 15 tot 20 jaar zal gedragen. Ik wil elk belangrijk mechanisch element bespreken, inclusief de ontwerpbeslissingen die hun waarde hebben bewezen in de MONTE INTELLIGENCE EAF-installaties op drie continenten.
Ontwerp van de ovenmantel
De ovenmantel vormt de structurele ruggengraat van de gehele elektrische vlamboogoven (EAF). Een EAF-mantel van 100 ton weegt leeg 180 tot 250 ton, bevat een vuurvaste bekleding van 35 tot 50 ton en voert een gesmolten bad van 100 ton staal met een temperatuur van 1600 graden Celsius. De mantel moet thermische cycli tussen 50 graden Celsius (leeg, zonder vuurvaste bekleding) en 1600 graden Celsius (tijdens bedrijf) kunnen doorstaan zonder blijvende vervorming.
Moderne EAF-mantels zijn gemaakt van gelast koolstofstaal, doorgaans ASTM A36 of A516 Grade 70, met diktes variërend van 40 mm bij de bovenste kegel tot 60 à 80 mm bij de slaklijn. De onderste kegel en de haard zijn versterkt met zware verstevigingsplaten. De mantel rust op een kantelbare draaikrans, die alle verticale en horizontale belastingen tijdens het kantelen naar de fundering overbrengt.
De schalen van MONTE INTELLIGENCE worden ontworpen met behulp van eindige-elementenanalyse voor thermische spanning en structurele doorbuiging. De doorbuigingslimiet is 5 mm bij de slaklijn onder volledige bedrijfsbelasting. Een schaal die meer doorbuigt dan dat, zal de vuurvaste bekleding voortijdig doen barsten. We hebben 30 jaar oude schalen in gebruik gezien die nog steeds aan dit criterium voldoen, omdat ze met nauwere toleranties zijn gebouwd dan het industriegemiddelde.
Dakontwerp en hefmechanisme
Het dak van de elektrische vlamboogoven (EAF) is een vuurvaste koepel die wordt ondersteund door een stalen ring. Moderne daken maken gebruik van vuurvaste stenen met een aluminiumoxidegehalte van 70 tot 75 procent, met inbrandmateriaal van hoog aluminiumoxide rond de elektrode-openingen. De temperatuur van het dak aan de hete zijde loopt tijdens vol vermogen op tot 1500 tot 1700 graden Celsius.
Het dak moet voor elke laadcyclus van de emmer omhoog en opzij worden gezwenkt. Er zijn drie gangbare ontwerpen voor daklifters: de cantilever-zwenconstructie (het meest voorkomend bij kleinere ovens), de parallelle lift met schuifdak (middelgrote en grote ovens) en de portaallift (zeer grote ovens). Elk ontwerp heeft voor- en nadelen wat betreft cyclustijd, mechanische complexiteit en toegankelijkheid voor onderhoud.
MONTE INTELLIGENCE schrijft doorgaans het cantilever-zwenmechanisme voor ovens tot 80 ton voor, en het parallelle schuifdak voor ovens zwaarder dan 80 ton. Het cantilever-mechanisme heeft een snellere cyclustijd (15 tot 20 seconden van heffen tot vergrendelen), maar vereist meer verticale ruimte boven de oven. Het schuifdak is compacter en geschikt voor zwaardere dakdelen, maar verlengt de cyclustijd met 5 tot 10 seconden.
Elektrodenmast en klemsysteem
De elektrodemasten dragen de grafietelektroden en de elektrodearmen en regelen de booglengte door middel van verticale beweging. De regelsnelheid is cruciaal: een UHP-oven heeft een verticale beweging van 5 tot 10 meter per minuut nodig om de snelle veranderingen in het badniveau tijdens instortingen van schroot bij te houden.
Mastaandrijvingen zijn geëvolueerd van hydraulische cilinders naar servogestuurde wisselstroommotoren met kogelomloopspindels. Het servosysteem biedt een snellere respons, een betere positioneringsnauwkeurigheid en een eenvoudigere integratie met de modelgebaseerde boogregelaar. De elektrodeklemming is doorgaans pneumatisch met een veerbelaste veiligheidsklem, waardoor de elektrode in geval van nood snel kan worden losgekoppeld.
Kantelmechanisme
Het kantelmechanisme is het bewegende onderdeel dat de meeste aandacht krijgt tijdens gepland onderhoud. Een oven kantelt 12 tot 15 graden naar voren voor het aftappen en 5 tot 8 graden naar achteren voor het afschuimen van slakken. De kanteling moet soepel, beheersbaar en omkeerbaar zijn binnen de beschikbare tijd.
Er zijn twee gangbare kantelsystemen: hydraulische cilinders (oudere ontwerpen) en tandwieloverbrengingen met wisselstroommotor (nieuwere ontwerpen). De tandwieloverbrenging is betrouwbaarder in omgevingen met hoge temperaturen en voorkomt het risico op lekkage van hydraulische systemen. MONTE INTELLIGENCE schrijft tandwieloverbrengingen voor bij alle nieuwe installaties boven de 60 ton.
Het kantelmechanisme rust op de draaikrans, een zwaar stalen smeedstuk dat op het ovenplatform is gemonteerd. De draaikranslagers zijn watergekoeld bij de grotere ovens om oververhitting door straling van de ovenwand te voorkomen. De kantelpositie wordt teruggekoppeld door redundante absolute encoders, met veiligheidsvergrendelingen die het kantelen stoppen bij de ingestelde aftap- en afschuimpunten.
Excentrisch bodemaftapgatsysteem (EBT)
Moderne EAF-ontwerpen maken allemaal gebruik van EBT-systemen omdat ze 95 procent of meer van het staal gieten met minimale slakoverdracht. Het aftapgat van de EBT bevindt zich in de onderste zijwand, iets verschoven ten opzichte van de middenlijn van het bad. Het aftapgat wordt tussen de gietingen gevuld met een aanstampmateriaal en bij het aftappen geopend met een zuurstoflans.
Het aanstampen van het aftapgat in de EBT-oven is bij de meeste moderne EAF's geautomatiseerd. Een zandstamper positioneert het aftapgat, verdicht het zand onder een druk van 4 tot 6 bar en vormt het aftapgatprofiel. De stampcyclus duurt 60 tot 90 seconden. De levensduur van het aftapgat is afhankelijk van de chemische samenstelling van het bad en de aftaptemperatuur, maar een typisch EBT-aftapgat gaat 200 tot 400 smeltcycli mee voordat revisie nodig is.
Slakafschuimsysteem
Slakafschuiming verwijdert de geoxideerde slaklaag na het aftappen van het smeltbad om het bad te reinigen voor de volgende smeltgang en om de ijzerhoudende slak terug te winnen voor recycling. Slak kan 12 tot 18 procent van het aftapgewicht uitmaken, en een goede afschuimingsprocedure wint 80 tot 90 procent daarvan terug als verkoopbare slak of als grondstof voor het sinteren.
Er zijn twee gangbare systemen voor het afschuimen van slakken: het slakdeursysteem (een scharnierende deur in de ovenwand die opengaat om slakken te storten) en het slakpotsysteem (een beweegbare pot buiten de oven die de slakken opvangt wanneer de oven achterover kantelt). Het slakpotsysteem is efficiënter en is standaard op de meeste moderne elektrische vlamboogovens van meer dan 60 ton.
Watergekoelde panelen en brander/zuurstoflans
Watergekoelde panelen bedekken 70 tot 90 procent van de slaklijn in een moderne elektrische vlamboogoven, de rest blijft vuurvast. De waterstroom voor de koeling van de panelen is cruciaal: onvoldoende stroom leidt tot doorbranden van de panelen, te veel stroom verspilt energie.
De zuurstoflans is doorgaans een supersonisch, watergekoeld ontwerp met een uitstroomsnelheid van 1,5 tot 3,0 Mach. De lans injecteert zuurstof voor ontkoling, koolstof voor schuimende slak en kalk voor slakconditionering. Moderne EAF-ontwerpen gebruiken twee of drie lansen door de slakdeur of de zijwand, met geautomatiseerde positionering om het inslagpunt op het bad te optimaliseren.
Het in elkaar zetten
Het mechanische ontwerp van een elektrische vlamboogoven (EAF) bepaalt de beschikbaarheid, de productiviteit en de bedrijfskosten. Een goed ontworpen EAF van 100 ton kan 8000 tot 9000 smeltcycli per jaar draaien tussen grote onderhoudsbeurten. Een slecht ontworpen oven haalt met moeite de 5000. Het verschil zit niet in de elektrische systemen of de besturing – die zijn beproefd en bewezen. Het verschil zit hem in de ovenwand, de helling, het dak en de aftapopening.
MONTE INTELLIGENCE heeft 20 jaar besteed aan het verfijnen van deze mechanische elementen. Bezoekwww.cnlymonte.com/products-electric-arc-furnace.html Voor installatiefoto's en een referentielijst. Voor een vertrouwelijk gesprek over uw volgende EAF-project kunt u een e-mail sturen naar helenxu@cnlymonte.com met als onderwerp 'EAF mechanisch ontwerp'.
