เจาะลึกอุปกรณ์เครื่องจักรกลของเตาหลอมไฟฟ้า (EAF): โครงสร้างเปลือกเตา หลังคาเตา การเอียงเตา และการตักตะกรัน
การสนทนาส่วนใหญ่เกี่ยวกับเทคโนโลยีเตาหลอมไฟฟ้าแบบอาร์คมักมุ่งเน้นไปที่ระบบไฟฟ้าและการควบคุมกระบวนการ แต่ด้านกลไก – ตัวเตา หลังคา เสาอิเล็กโทรด ระบบเอียง เครื่องตักตะกรัน และรูระบาย – ก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน และการเลือกออกแบบในส่วนนี้จะเป็นตัวกำหนดว่าเตาหลอมจะทำงานอย่างไรในอีก 15 ถึง 20 ปีข้างหน้า ผมต้องการจะอธิบายถึงองค์ประกอบทางกลไกที่สำคัญแต่ละส่วน รวมถึงการตัดสินใจด้านการออกแบบที่ได้รับการพิสูจน์แล้วในเตาหลอมไฟฟ้าแบบอาร์คของ MONTE INTELLIGENCE ในสามทวีป
การออกแบบเปลือกเตาเผา
เปลือกเตาหลอมเป็นโครงสร้างหลักของเตาหลอมไฟฟ้า (EAF) ทั้งหมด เปลือกเตาหลอม EAF ขนาด 100 ตัน จะมีน้ำหนัก 180 ถึง 250 ตันเมื่อว่างเปล่า บรรจุวัสดุทนไฟหนัก 35 ถึง 50 ตัน และบรรจุเหล็กหลอมเหลว 100 ตัน ที่อุณหภูมิ 1600 องศาเซลเซียส เปลือกเตาหลอมต้องทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิระหว่าง 50 องศาเซลเซียส (เมื่อว่างเปล่าและนำวัสดุทนไฟออก) และ 1600 องศาเซลเซียส (ระหว่างการใช้งาน) โดยไม่เสียรูปถาวร
โครงสร้างเปลือกเตาหลอมไฟฟ้าแบบสมัยใหม่ทำจากเหล็กกล้าคาร์บอนเชื่อม โดยทั่วไปใช้เหล็กเกรด ASTM A36 หรือ A516 เกรด 70 มีความหนาตั้งแต่ 40 มม. ที่ส่วนบนสุดของกรวย ไปจนถึง 60-80 มม. ที่ระดับแนวตะกรัน ส่วนล่างของกรวยและพื้นเตาเสริมความแข็งแรงด้วยแผ่นเหล็กหนา โครงสร้างเปลือกเตาตั้งอยู่บนวงแหวนแกนหมุนที่สามารถปรับเอียงได้ ซึ่งจะถ่ายเทแรงในแนวดิ่งและแนวนอนทั้งหมดไปยังฐานรากในระหว่างการปรับเอียง
เปลือกเตาหลอม MONTE INTELLIGENCE ออกแบบโดยใช้การวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัด (Finite Element Analysis) เพื่อวิเคราะห์ความเค้นจากความร้อนและการโก่งตัวของโครงสร้าง ขีดจำกัดการโก่งตัวอยู่ที่ 5 มิลลิเมตร ณ แนวตะกรันภายใต้ภาระการใช้งานเต็มที่ เปลือกเตาหลอมที่โก่งตัวมากกว่านั้นจะทำให้วัสดุบุผนังทนไฟแตกก่อนกำหนด เราเคยพบเห็นเปลือกเตาหลอมที่มีอายุ 30 ปีที่ยังใช้งานได้และตรงตามเกณฑ์นี้ เนื่องจากถูกสร้างขึ้นด้วยความคลาดเคลื่อนที่เข้มงวดกว่าค่าเฉลี่ยของอุตสาหกรรม
การออกแบบหลังคาและกลไกยก
หลังคาเตาหลอมไฟฟ้า (EAF) เป็นโดมทนความร้อนที่รองรับด้วยวงแหวนเหล็ก หลังคาที่ทันสมัยใช้อิฐทนความร้อนที่มีอลูมินา 70 ถึง 75 เปอร์เซ็นต์ โดยมีวัสดุอัดแน่นที่มีส่วนผสมของอลูมินาสูงอยู่รอบๆ ช่องเสียบอิเล็กโทรด อุณหภูมิของหลังคาด้านร้อนจะอยู่ที่ 1500 ถึง 1700 องศาเซลเซียสในระหว่างการทำงานเต็มกำลัง
หลังคาจะต้องยกและแกว่งออกไปด้านข้างในแต่ละรอบการบรรจุถัง การออกแบบระบบยกหลังคาที่ใช้กันทั่วไปมี 3 แบบ ได้แก่ แบบแกว่งแบบคาน (พบได้บ่อยในเตาหลอมขนาดเล็ก) แบบยกขนานพร้อมหลังคาเลื่อน (เตาหลอมขนาดกลางและขนาดใหญ่) และแบบยกโครง (เตาหลอมขนาดใหญ่มาก) แต่ละแบบมีข้อดีข้อเสียแตกต่างกันไป ทั้งในเรื่องเวลาในการทำงาน ความซับซ้อนทางกล และการเข้าถึงเพื่อการบำรุงรักษา
โดยทั่วไปแล้ว MONTE INTELLIGENCE จะกำหนดให้ใช้การออกแบบหลังคาแบบคานยื่นสำหรับเตาหลอมที่มีน้ำหนักไม่เกิน 80 ตัน และใช้การออกแบบหลังคาแบบเลื่อนขึ้นลงขนานสำหรับเตาหลอมที่มีน้ำหนักมากกว่า 80 ตัน การออกแบบแบบคานยื่นนั้นเร็วกว่าในแง่ของเวลาในการทำงาน (15 ถึง 20 วินาทีในการยกขึ้นจนล็อคเปิด) แต่ต้องการพื้นที่ว่างในแนวตั้งเหนือเตาหลอมมากกว่า การออกแบบหลังคาแบบเลื่อนขึ้นลงนั้นมีขนาดกะทัดรัดกว่าและสามารถรองรับชิ้นส่วนหลังคาที่มีน้ำหนักมากกว่า แต่จะเพิ่มเวลาในการทำงานอีก 5 ถึง 10 วินาที
เสาอิเล็กโทรดและระบบยึด
เสาอิเล็กโทรดทำหน้าที่ยึดอิเล็กโทรดกราไฟต์และแขนอิเล็กโทรด และควบคุมความยาวของอาร์คผ่านการเคลื่อนที่ในแนวดิ่ง ความเร็วในการควบคุมมีความสำคัญอย่างยิ่ง เตาหลอม UHP ต้องการการเคลื่อนที่ในแนวดิ่ง 5 ถึง 10 เมตรต่อนาที เพื่อให้ทันกับการเปลี่ยนแปลงระดับของโลหะหลอมเหลวอย่างรวดเร็วในระหว่างที่เศษโลหะถล่มลงมา
ระบบขับเคลื่อนเสาเชื่อมได้พัฒนาจากกระบอกไฮดรอลิกไปเป็นมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับแบบเซอร์โวพร้อมสกรูบอล ระบบเซอร์โวให้การตอบสนองที่เร็วขึ้น ความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่งที่ดีขึ้น และการบูรณาการที่ง่ายขึ้นกับตัวควบคุมการอาร์คแบบอิงตามแบบจำลอง การยึดอิเล็กโทรดโดยทั่วไปใช้ระบบลมพร้อมแคลมป์นิรภัยแบบสปริง ซึ่งช่วยให้สามารถเลื่อนอิเล็กโทรดได้อย่างรวดเร็วในกรณีฉุกเฉิน
กลไกการเอียง
กลไกการเอียงเป็นชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวได้ซึ่งได้รับความสนใจมากที่สุดในระหว่างการบำรุงรักษาตามกำหนด เตาหลอมจะเอียงไปข้างหน้า 12 ถึง 15 องศาสำหรับการเทโลหะ และเอียงไปข้างหลัง 5 ถึง 8 องศาสำหรับการตักตะกรัน การเอียงต้องราบรื่น ควบคุมได้ และสามารถกลับคืนสู่สภาพเดิมได้ภายในเวลาที่กำหนด
ระบบขับเคลื่อนการเอียงสองแบบที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ กระบอกไฮดรอลิก (แบบเก่า) และเฟืองแร็คแอนด์พิเนียนที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (แบบใหม่) เฟืองแร็คแอนด์พิเนียนมีความน่าเชื่อถือมากกว่าในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง และหลีกเลี่ยงความเสี่ยงจากการรั่วไหลของระบบไฮดรอลิก บริษัท MONTE INTELLIGENCE กำหนดให้ใช้ระบบขับเคลื่อนการเอียงแบบเฟืองแร็คแอนด์พิเนียนในเครื่องจักรใหม่ทั้งหมดที่มีน้ำหนักมากกว่า 60 ตัน
กลไกการเอียงวางอยู่บนวงแหวนแกนหมุน ซึ่งเป็นชิ้นส่วนเหล็กกล้าขึ้นรูปหนักที่ติดตั้งอยู่บนแท่นเตาหลอม ตลับลูกปืนแกนหมุนจะระบายความร้อนด้วยน้ำในเตาหลอมขนาดใหญ่เพื่อป้องกันความร้อนสูงเกินไปจากรังสีที่แผ่ออกมาจากตัวเตาหลอม การป้อนกลับตำแหน่งการเอียงทำได้โดยใช้ตัวเข้ารหัสสัมบูรณ์แบบสำรอง พร้อมระบบล็อกนิรภัยเพื่อหยุดการเอียงที่จุดตั้งค่าการเทและการตักไขมัน
ระบบรูเจาะก้นเยื้องศูนย์ (EBT)
เตาหลอมไฟฟ้าแบบ EAF สมัยใหม่ทั้งหมดใช้ระบบ EBT เนื่องจากสามารถหล่อเหล็กได้ถึง 95 เปอร์เซ็นต์หรือมากกว่านั้นโดยมีตะกรันตกค้างน้อยที่สุด รูระบายเหล็กของระบบ EBT จะอยู่บริเวณผนังด้านล่าง โดยเยื้องจากเส้นศูนย์กลางของอ่างหลอมเล็กน้อย รูระบายจะถูกเติมด้วยวัสดุอัดทรายระหว่างการหลอมแต่ละครั้ง และเปิดด้วยท่อออกซิเจนเมื่อถึงเวลาระบาย
ระบบการอัดทรายของเตาหลอมไฟฟ้าแบบ EBT นั้นทำงานโดยอัตโนมัติในเตาหลอมไฟฟ้าสมัยใหม่ส่วนใหญ่ เครื่องอัดทรายจะกำหนดตำแหน่งรูระบายทราย อัดทรายด้วยแรงดัน 4 ถึง 6 บาร์ และขึ้นรูปรูระบายทราย วงจรการอัดใช้เวลา 60 ถึง 90 วินาที อายุการใช้งานของรูระบายทรายขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีของอ่างหลอมและอุณหภูมิของรูระบาย แต่โดยทั่วไปแล้ว รูระบายทรายของเตาหลอมไฟฟ้าแบบ EBT จะมีอายุการใช้งาน 200 ถึง 400 ครั้งก่อนที่จะต้องทำการซ่อมแซม
ระบบกำจัดตะกรัน
การตักตะกรันออกหลังจากเทเหล็กหลอมเหลวแล้ว จะช่วยทำความสะอาดบ่อหลอมสำหรับความร้อนครั้งต่อไป และเพื่อนำตะกรันที่มีธาตุเหล็กกลับมาใช้ใหม่ ตะกรันอาจมีปริมาณ 12 ถึง 18 เปอร์เซ็นต์ของน้ำหนักเหล็กหลอมเหลว และการตักตะกรันที่ดีจะสามารถนำตะกรันกลับมาใช้ใหม่ได้ 80 ถึง 90 เปอร์เซ็นต์ ในรูปของตะกรันที่ขายได้หรือเป็นวัตถุดิบสำหรับการเผาผนึก
ระบบการตักตะกรันมีสองแบบหลักๆ คือ แบบประตูตะกรัน (ประตูบานพับที่ผนังด้านข้างเตาหลอมซึ่งเปิดออกเพื่อเทตะกรัน) และแบบหม้อตะกรัน (หม้อที่เคลื่อนย้ายได้ซึ่งวางอยู่ด้านนอกเตาหลอมเพื่อรองรับตะกรันเมื่อเตาหลอมเอียงไปด้านหลัง) แบบหม้อตะกรันมีประสิทธิภาพมากกว่าและเป็นแบบมาตรฐานในเตาหลอมไฟฟ้าสมัยใหม่ส่วนใหญ่ที่มีขนาดมากกว่า 60 ตัน
แผงระบายความร้อนด้วยน้ำและหัวเผา/ท่อส่งออกซิเจน
แผงระบายความร้อนด้วยน้ำครอบคลุมพื้นที่ 70 ถึง 90 เปอร์เซ็นต์ของแนวตะกรันในเตาหลอมไฟฟ้าสมัยใหม่ ส่วนที่เหลือยังคงเป็นวัสดุทนไฟ การไหลของน้ำหล่อเย็นแผงมีความสำคัญอย่างยิ่ง การไหลไม่เพียงพอจะทำให้แผงไหม้ทะลุ การไหลมากเกินไปจะสิ้นเปลืองพลังงาน
โดยทั่วไปแล้ว ท่อออกซิเจนจะมีดีไซน์แบบระบายความร้อนด้วยน้ำความเร็วเหนือเสียง มีความเร็วทางออก 1.5 ถึง 3.0 มัค ท่อนี้จะฉีดออกซิเจนเพื่อลดปริมาณคาร์บอน ฉีดคาร์บอนเพื่อสร้างตะกรันแบบฟอง และฉีดปูนขาวเพื่อปรับสภาพตะกรัน เตาหลอมไฟฟ้าแบบสมัยใหม่ใช้ท่อออกซิเจนสองหรือสามท่อผ่านประตูตะกรันหรือผนังด้านข้าง โดยมีการปรับตำแหน่งอัตโนมัติเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพจุดกระทบกับโลหะหลอมเหลว
นำมาประกอบเข้าด้วยกัน
การออกแบบเชิงกลของเตาหลอมไฟฟ้า (EAF) เป็นตัวกำหนดความพร้อมใช้งาน ประสิทธิภาพการผลิต และต้นทุนการดำเนินงาน เตาหลอมไฟฟ้าขนาด 100 ตันที่ออกแบบมาอย่างดีสามารถใช้งานได้ 8,000 ถึง 9,000 ครั้งต่อปีระหว่างการซ่อมบำรุงครั้งใหญ่ ในขณะที่เตาหลอมที่ออกแบบไม่ดีจะใช้งานได้ไม่ถึง 5,000 ครั้ง ความแตกต่างไม่ได้อยู่ที่ระบบไฟฟ้าหรือระบบควบคุม เพราะระบบเหล่านั้นได้รับการพัฒนาและพิสูจน์แล้ว ความแตกต่างอยู่ที่ตัวเตา มุมเอียง หลังคา และรูระบายเหล็ก
MONTE INTELLIGENCE ใช้เวลา 20 ปีในการปรับปรุงองค์ประกอบทางกลเหล่านี้ เยี่ยมชมเว็บไซต์www.cnlymonte.com/products-electric-arc-furnace.html สำหรับรูปภาพการติดตั้งและรายการอ้างอิง หากต้องการปรึกษาหารืออย่างเป็นส่วนตัวเกี่ยวกับโครงการ EAF ครั้งต่อไปของคุณ โปรดส่งอีเมลไปที่ helenxu@cnlymonte.com โดยระบุหัวข้อว่า EAF mechanical design
