การออกแบบเตาหลอมอาร์คกำลังสูงพิเศษ: เหตุใดกำลังไฟฟ้า 1000 kVA ต่อตันจึงเปลี่ยนโฉมเศรษฐศาสตร์การผลิตเหล็ก
หากคุณเคยใช้งานเตาหลอมไฟฟ้าแบบอาร์คในทศวรรษ 1970 หม้อแปลงไฟฟ้าจะมีกำลัง 350 ถึง 500 กิโลโวลต์แอมป์ต่อตันของกำลังการผลิต ประสิทธิภาพการผลิตอยู่ที่ 25 ถึง 30 รอบต่อวันสำหรับเตาหลอมขนาด 100 ตัน แต่เตาหลอมไฟฟ้าแบบอาร์ค UHP รุ่นใหม่ในปัจจุบันมีกำลัง 800 ถึง 1100 กิโลโวลต์แอมป์ต่อตัน และเตาหลอมขนาดเดียวกันสามารถผลิตได้ 40 ถึง 50 รอบต่อวัน การเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตนี้เป็นเหตุผลสำคัญที่สุดที่ทำให้การผลิตเหล็กด้วยเตาหลอมไฟฟ้าแบบอาร์คสามารถแข่งขันได้อย่างสูสีกับการผลิตเหล็กด้วยเตาหลอมแบบดั้งเดิมสำหรับผลิตภัณฑ์แผ่นและเหล็กเส้นหลายชนิด
UHP หมายถึงอะไรกันแน่
คำว่า "กำลังไฟฟ้าสูงพิเศษ" (Ultra-High Power หรือ UHP) ถูกบัญญัติขึ้นในทศวรรษ 1960 โดยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยบริติชโคลัมเบีย และเดิมทีใช้เพื่ออธิบายเตาหลอมไฟฟ้าแบบอาร์คที่มีกำลังไฟฟ้าสูงกว่า 700 กิโลโวลต์แอมป์ต่อตัน ปัจจุบัน เตาหลอมไฟฟ้าแบบอาร์ค UHP มักมีกำลังไฟฟ้าอยู่ที่ 900 ถึง 1100 กิโลโวลต์แอมป์ต่อตัน โดยเตาหลอมขนาดใหญ่ที่สุดอาจมีกำลังไฟฟ้าสูงถึง 1200 กิโลโวลต์แอมป์ต่อตัน เพื่อความเสถียรในการลัดวงจร
การเพิ่มพิกัดกำลังของหม้อแปลงเพียงอย่างเดียวไม่ได้ทำให้ได้ผลผลิตเพิ่มขึ้น หม้อแปลง UHP จำเป็นต้องมีการปรับปรุงที่สอดคล้องกันในด้านต่างๆ เช่น แผงระบายความร้อนด้วยน้ำ คุณภาพของอิเล็กโทรด การออกแบบความต้านทานของหม้อแปลง และเวลาตอบสนองในการควบคุมการอาร์ค หากขาดสิ่งใดสิ่งหนึ่งไป หม้อแปลงก็จะกลายเป็นเพียงเหล็กชิ้นหนึ่งที่ให้ประสิทธิภาพต่ำกว่าที่ระบุไว้
เหตุใดความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าจึงมีความสำคัญ
การถ่ายเทความร้อนไปยังเศษเหล็กเป็นคอขวด ในแบบที่ออกแบบด้วยกำลังไฟ 500 kVA ต่อตัน ประกายไฟจะแผ่พลังงานไปยังกองเศษเหล็กที่ค่อนข้างเย็น และพลังงานส่วนใหญ่จะสะท้อนกลับไปยังผนังเตาหลอม แต่ในแบบที่ออกแบบด้วยกำลังไฟ 1000 kVA ต่อตัน ประกายไฟจะสร้างความร้อนมหาศาลในปริมาตรเล็กๆ ทำให้เกิดแอ่งหลอมเหลวภายในไม่กี่นาที และแอ่งหลอมเหลวนั้นจะดูดซับพลังงานจากประกายไฟผ่านพื้นผิวของแอ่งหลอมเหลวแทนที่จะเป็นการแผ่รังสี ผลลัพธ์คือ พลังงานเข้าสู่เหล็กได้มากขึ้น และสูญเสียไปกับการให้ความร้อนแก่แผงระบายความร้อนด้วยน้ำและระบบเก็บฝุ่นน้อยลง
สำหรับเตาหลอมไฟฟ้าแรงดันสูงพิเศษ (UHP EAF) ขนาด 100 ตัน เวลาเปิดใช้งานโดยทั่วไปคือ 32 ถึง 38 นาที เวลาปิดเครื่อง (การเติมแร่ การเทแร่ การกำจัดตะกรัน) เพิ่มอีก 8 ถึง 10 นาที เวลาตั้งแต่การเทแร่แต่ละครั้งจนถึงการผลิตแต่ละครั้ง (tap to tap) คือ 40 ถึง 48 นาที ทำให้สามารถผลิตได้ 30 ถึง 36 ครั้งต่อวัน ในขณะที่เตาหลอมแบบเก่าที่มีกำลัง 500 kVA ต่อตัน เตาหลอมขนาดเดียวกันนี้จะใช้เวลาตั้งแต่การเทแร่แต่ละครั้งจนถึงการผลิตแต่ละครั้ง (tap to tap) 65 ถึง 80 นาที ทำให้ผลิตได้ 18 ถึง 22 ครั้งต่อวัน คูณด้วย 365 วัน ความแตกต่างของผลผลิตต่อปีจะอยู่ที่ประมาณ 1 ล้านตันต่อปีสำหรับเตาหลอมเดียว
ความเสถียรของประกายไฟและการลดการกระพริบ
หม้อแปลงขนาด 1000 kVA ต่อตัน สำหรับเตาหลอมขนาด 100 ตัน จะมีกำลังไฟฟ้ารวม 100 MVA ซึ่งจะดึงกระแสไฟฟ้ามหาศาลถึง 80-120 kA ผ่านแขนอิเล็กโทรด เมื่อเศษเหล็กยุบตัวลง กระแสไฟฟ้าจะพุ่งสูงขึ้นและแรงดันไฟฟ้าจะลดลงอย่างรวดเร็ว การกระพริบที่เกิดขึ้นในระบบส่งไฟฟ้าอาจทำให้โรงงานใกล้เคียงหยุดทำงานหากการแก้ไขค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าไม่ได้ออกแบบไว้อย่างเหมาะสม
การออกแบบเตาหลอมไฟฟ้าแรงดันสูงพิเศษ (UHP EAF) สมัยใหม่ใช้ตัวชดเชยกำลังไฟฟ้าปฏิกิริยาแบบคงที่ (SVC) หรือตัวกรองฮาร์มอนิกแบบแอคทีฟที่ทันสมัย การติดตั้งเตาหลอมขนาด 100 MVA ทั่วไปต้องการการชดเชยกำลังไฟฟ้าปฏิกิริยาแบบไดนามิก 80 ถึง 120 MVAR ต้นทุนของอุปกรณ์ SVC นั้นสูงมาก โดยมักคิดเป็น 5 ถึง 8 เปอร์เซ็นต์ของต้นทุนการติดตั้ง EAF ทั้งหมด แต่เป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้สำหรับการเชื่อมต่อกับระบบสาธารณูปโภคใดๆ ที่สูงกว่าจุดที่กำหนด MONTE INTELLIGENCE ทำงานร่วมกับลูกค้าเพื่อจำลองประสิทธิภาพการกระพริบของแสงในระหว่างขั้นตอนการออกแบบ เพื่อให้ขนาดของ SVC ตรงกับโปรไฟล์การทำงานจริง ไม่ใช่การประมาณค่าที่สูงเกินไปซึ่งทำให้สิ้นเปลืองเงินทุน
คุณภาพของอิเล็กโทรดในการโหลด UHP
เตาหลอมไฟฟ้าแรงสูงพิเศษ (UHP) สิ้นเปลืองอิเล็กโทรดมาก อิเล็กโทรดมาตรฐานขนาด 600 มม. ที่ใช้กำลังไฟ 1000 kVA ต่อเหล็กหนึ่งตัน จะสิ้นเปลืองอิเล็กโทรดประมาณ 1.5 ถึง 2.5 กก. ต่อเหล็กหนึ่งตัน บางครั้งอาจสูงกว่านั้น อิเล็กโทรดต้องทนต่อความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าสูง – 25 ถึง 35 A ต่อ cm² เป็นเรื่องปกติ – โดยไม่เกิดการแตกร้าวหรือหัก ซึ่งต้องใช้ถ่านโค้กคุณภาพสูงที่มีการขยายตัวทางความร้อนต่ำและมีความต้านทานไฟฟ้าสม่ำเสมอ
ขั้นตอนการชุบน้ำมันดินในกระบวนการผลิตอิเล็กโทรดมีความสำคัญมากกว่าภายใต้ภาระความร้อนสูงพิเศษ (UHP) เมื่อเทียบกับเตาหลอมขนาดเล็ก ความเสียหายของอิเล็กโทรดก่อนกำหนดที่กระแสไฟฟ้า UHP – ปัญหาการหักของสายไฟและการระเบิดของน้ำมันดินดิบที่พบได้บ่อย – มีสาเหตุมาจากการแทรกซึมของน้ำมันดินที่ไม่สม่ำเสมอหรือไม่เพียงพอ MONTE INTELLIGENCE กำหนดให้ใช้อิเล็กโทรดเกรด UHP สำหรับเตาหลอมทั้งหมดที่มีกำลังไฟมากกว่า 700 kVA ต่อตัน และตรวจสอบอิเล็กโทรดที่เข้ามาในแต่ละล็อตภายใต้ข้อตกลงการจัดหาในระยะยาว
การฝึกปฏิบัติการตะกรันฟอง
คุณไม่สามารถใช้งานเตาหลอมขนาด 1000 kVA ต่อตันได้หากไม่มีตะกรันโฟมที่เสถียร ตะกรันต้องปกคลุมประกายไฟเพื่อป้องกันความเสียหายของวัสดุทนไฟและเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนให้สูงสุด ชั้นตะกรันโฟมหนา 10 ถึง 15 เซนติเมตรจะดูดซับรังสีจากประกายไฟและลดการสึกหรอของวัสดุทนไฟในแนวตะกรัน
ตะกรันที่เป็นฟองเกิดจากการฉีดคาร์บอนเข้าไปในตะกรันที่มีปริมาณ FeO สูง ปฏิกิริยาระหว่างคาร์บอนและ FeO จะสร้างฟองก๊าซ CO ที่ขยายปริมาตรของตะกรันเพิ่มขึ้น 2-3 เท่า การเกิดฟองของตะกรันนั้นไวต่ออัตราส่วน C/FeO ความเป็นด่างของตะกรัน และอุณหภูมิของอ่างหลอม ระบบควบคุม MONTE INTELLIGENCE จะตรวจสอบองค์ประกอบของก๊าซไอเสียเพื่อติดตามสถานะการเกิดฟองและปรับอัตราการฉีดคาร์บอนแบบเรียลไทม์
แผงระบายความร้อนด้วยน้ำและการออกแบบตัวเรือน
การให้ความร้อนสูงพิเศษ (UHP) ทำให้ความร้อนกระจุกตัวอยู่ที่ผนังด้านข้าง วัสดุทนไฟเพียงอย่างเดียวไม่สามารถทนต่อภาระความร้อนนี้ได้ แผงระบายความร้อนด้วยน้ำครอบคลุม 70 ถึง 90 เปอร์เซ็นต์ของแนวตะกรันในเตาหลอมไฟฟ้าแบบ UHP ที่ทันสมัย ส่วนที่เหลือยังคงเป็นวัสดุทนไฟในบริเวณที่โลหะหลอมเหลวสัมผัสกับเตา ซึ่งการแข็งตัวของตะกรันจะช่วยปกป้องเปลือกเตา
อัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นในเตาหลอม UHP ขนาด 100 ตัน อยู่ในช่วง 800 ถึง 1200 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง โดยมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 5 ถึง 8 องศาเซลเซียส ความร้อนที่ถูกระบายออกโดยน้ำหล่อเย็นคิดเป็น 8 ถึง 12 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานที่ป้อนเข้าไป ซึ่งเป็นการสูญเสียประสิทธิภาพที่แท้จริง แต่เป็นการแลกเปลี่ยนเพื่อให้ได้ผลผลิตที่สูงขึ้น การออกแบบเตาหลอมที่ดีจะช่วยลดภาระความร้อนของน้ำหล่อเย็นโดยการจัดการรูปทรงของส่วนโค้งและการปกคลุมของตะกรัน
การแลกเปลี่ยนระหว่างพลังงานและประสิทธิภาพการผลิตที่เฉพาะเจาะจง
เตาหลอมไฟฟ้าแบบ UHP รุ่นใหม่มีอัตราการใช้พลังงานจำเพาะต่ำกว่ารุ่นเก่า เตาหลอม UHP รุ่นใหม่ใช้พลังงาน 350 ถึง 420 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อตัน เทียบกับ 500 ถึง 600 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อตันในรุ่นที่ออกแบบในยุค 1980 การประหยัดพลังงานเกิดจากความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นและรอบการทำงานที่สั้นลง ซึ่งช่วยลดการสูญเสียคงที่ (การให้ความร้อนแก่วัสดุทนไฟ พลังงานของอิเล็กโทรด และการระบายความร้อนด้วยน้ำในช่วงเวลาที่ไม่ได้ใช้งาน)
ข้อเสียเปรียบอยู่ที่ต้นทุนการลงทุน เตาหลอม UHP ขนาด 100 ตัน พร้อมระบบ SVC เต็มรูปแบบ แผงระบายความร้อนด้วยน้ำ และระบบบัสกระแสสูง มีต้นทุนสูงกว่าเตาหลอมแบบดั้งเดิมขนาด 600 kVA ต่อตัน 1.5 ถึง 2 เท่า ระยะเวลาคืนทุนขึ้นอยู่กับต้นทุนค่าไฟฟ้าในท้องถิ่นและราคาขายเหล็ก โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 4 ถึง 7 ปี ในตลาดที่มีราคาไฟฟ้าอยู่ที่หรือต่ำกว่า 0.06 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง
การบูรณาการเตาหลอมไฟฟ้าแรงดันสูงพิเศษ (UHP EAF) และพลังงานหมุนเวียน
หนึ่งในแนวโน้มที่ MONTE INTELLIGENCE ติดตามมาโดยตลอดคือ เตาหลอมไฟฟ้าแบบ UHP ทำงานได้ดีกับพลังงานหมุนเวียนที่ไม่ต่อเนื่อง ความร้อนของอาร์คสามารถเพิ่มและลดได้อย่างรวดเร็วเพื่อให้เข้ากับปริมาณพลังงานลมหรือแสงอาทิตย์ และอ่างหลอมมีขนาดใหญ่พอที่จะรองรับการลดลงของพลังงานในช่วงสั้นๆ โรงงานหลายแห่งในยุโรปได้ทดลองใช้รูปแบบการใช้พลังงานแบบไดนามิกที่สอดคล้องกับการผลิตพลังงานลม และการประหยัดต้นทุนด้านพลังงาน (5 ถึง 15 เปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับพลังงานจากโครงข่ายแบบอัตราคงที่) กำลังดึงดูดความสนใจอย่างจริงจังจากผู้ประกอบการในเท็กซัส มองโกเลียใน และอ่าวอาหรับ
ติดต่อ MONTE INTELLIGENCE เพื่อสอบถามข้อมูลเกี่ยวกับ UHP EAF
สำหรับผู้ซื้อที่กำลังพิจารณาการปรับปรุงเตาหลอมไฟฟ้าแรงดันสูงพิเศษ (UHP) หรือการสร้างเตาหลอมไฟฟ้าแบบใหม่ (greenfield EAF) วิศวกรรมของ MONTE INTELLIGENCE สามารถจำลองขนาดหม้อแปลงไฟฟ้า ข้อกำหนด SVC ความต้องการน้ำหล่อเย็น และเป้าหมายด้านผลผลิตได้ในการศึกษาความเป็นไปได้เพียงครั้งเดียว เยี่ยมชมเว็บไซต์www.cnlymonte.com/products-electric-arc-furnace.html สำหรับข้อมูลอ้างอิงเกี่ยวกับการติดตั้งและตัวเลือกหม้อแปลงไฟฟ้า หากต้องการเริ่มการสนทนาแบบเป็นความลับ โปรดส่งอีเมลไปที่ helenxu@cnlymonte.com โดยระบุหัวข้อว่า "UHP EAF inquiry" และปริมาณความร้อนที่ต้องการ
