thiết kế lò hồ quang xoay chiều nấu thép sản lượng 100 tấn mẻ

Phương pháp luyện thép trong lò hồ quang điện là 1 công nghệ mới và hiện đại.Để luyện thép và hợp kim trong lò, người ta tận dụng điện năng biến thành nhiệt năng dưới dạng hồ quang.Thườn

MỤC LỤC

Lời cảm ơn……… 4

Đánh giá của thầy……….5

Lời mở đầu……… 6

I Tổng quan……….…………7

Lịch sử phát triển của lò hồ quang……….………7

Đặc điểm phát triển của lò hồ quang……… 8

Phân loại……….9

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị………10

II Tính toán thiết kế lò hồ quang xoay chiều nấu thép sản lượng 100 tấn/ mẻ ……… 11

Chương 1: Xác định kích thước lò……….11

I.1 Xác định hình dạng lò………11

I.2 Xác định kích thước hình học của lò……….11

I.2.1 Tính thể tích của nồi lò………11

I.2.2 Tính các kích thước của nồi lò……… ……….12

I.3 Xác định độ dày đáy, tường và nắp lò……… 13

I.3.1 Độ dày đáy lò……… 13

I.3.2 Độ dày tường lò……… 13

I.3.3 Độ dày nắp lò……… 14

Chương 2: Tính toán mất nhiệt……… 15

2.1 Chọn vật liệu xây lò và cách xây lò……… 15

2.1.1 Chọn vật liệu xây lò……… 15

2.1.2 Cách xây lò……… 16

2.2 Xác định nhiệt độ và nhiệt độ của vật liệu chịu lửa……….……… 17

2.2.1 Đặt vấn đề……….17

2.2.2 Phân phối nhiệt trong các thời kỳ nấu nhiệt……….18

2.3 Tính mất nhiệt qua nắp, tường, và đáy lò, qua cửa lò và hệ thống làm nguội… 20

2.4 Tính toán cân bằng nhiệt……… 20

Chương 3: Tính các thông số điện……….23

3.1 Tính công suất điện………23

3.1.1 Thiết bị điện……… 23

3.1.2 Tính toán công suất điện……… 25

3.1.2.1 Năng suất lò và tính toán máy biến áp……… 25

a Năng suất lò………25

b Công suất máy biến thế……… 26

c Các cấp điện thế……….26

3.1.3 Tính điện cực và phân bố điện cực………27

3.1.3.1 Tính toán điện cực……….27

a Đường kính điện cực……….……….27

b Chiều dài điện cực……….27

3.1.3.2 Sự phân bố điện cực……….…… 28

3.2 Đề suất chế độ công suất điện ……….…… …29

Chương 4: Tính toán phối liệu……….… … 31

4.1 Chọn phương án nấu luyện……….… … 31

4.2 Chọn các chỉ tiêu kỹ thuật và vật tư sử dụng……….… ……32

4.3 Tính toán phối lieu mẻ nấu……….…… … 33

4.3.1 Xác định thành phần mẻ nấu……….… ………33

4.3.2 Xác định thời lượng từng thời kỳ……… ……… 33

4.3.3 Tính sự cháy hao các nguyên tố qua các thời kỳ: nấu chảy, oxi hóa, hoàn nguyên ………34

4.3.4 Tính sự hình thành xỉ, lượng tạo xỉ qua các thời kỳ: nấu chảy, oxi hóa,

hoàn nguyên ……… 36

4.4 Hợp kim hóa……… 43

Chương 5: Lập quy trình công nghệ……… 46

5.1 Quy trình lò và chất liệu……….… ………46

5.1.1 Quy trình lò……… 46

5.1.2 Chuẩn bị lò và phối liệu nấu thép……….46

5.1.3 Nạp liệu cho lò……… 47

5.2 Chế độ điện và các thao tác trong thời kỳ nấu chảy……… 48

5.2.1 Chế độ điện……… 48

5.2.2 Các thao tác trong thời kỳ nấu chảy……….………48

5.3 Chế độ điện và các thao tác trong thời kỳ oxi hóa……….………52

5.3.1 Chế độ điện……….…… 52

5.3.2 Các thao tác trong thời kỳ oxi hóa………52

5.4 Chế độ điện và các thao tác trong thời kỳ hoàn nguyên………54

5.4.1 Chế độ điện……… 54

5.4.1 Các thao tác trong quá trình hoàn nguyên………54

Chương 6: Giải quyết các sự cố có thể xảy ra……… 60

Tài liệu tham khảo……….61

LỜI CẢM ƠN

Để thực hiện Đồ án Môn học này, em phải thao khảo sách Luyện thép Lò điện (tác giả Phạm Phố-Phạm Huy Bình) là chủ yếu nhưng quan trọng nhất là được sự hướng dẫn của thầy và sự giúp đỡ của các bạn trên lớp cũng như trong nhóm cùng thực hiện

Em xin chân thành cảm ơn thầy và các bạn!

ĐÁNH GIÁ CỦA THẦY:

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

LỜI MỞ ĐẦU:

Thép và gang là những vật liệu chủ yếu và chiếm sản lượng lớn trong sản xuất, đời sống con người lâu nay.Hiện nay thế giới nói chung cũng như Việt Nam nói riêng đang và đã phát triển đồng thời cải tiến ngành công nghiệp sản xuất thép, gang.Do yêu cầu sản lượng rất lớn các sản phẩm sắt thép xây dựng chất lượng tốt của ngành xây dựng đòi hỏi phải sản xuất thép ở lò có dung lượng lớn (50-100 tấn),(100-400 tấn) hoặc hơn thế nữa.Vì vậy nấu thép trong các lò thổi không khí, lò Besmer, lò Mactin,…không thể đáp ứng được sản xuất sản lượng lớn, công nghệ nấu lạc hậu thời gian nấu quá dài (từ vài tiếng đến 1 ngày)

Phương pháp luyện thép trong lò hồ quang điện là 1 công nghệ mới và hiện đại.Để luyện thép và hợp kim trong lò, người ta tận dụng điện năng biến thành nhiệt năng dưới dạng hồ quang.Thường

sử dụng lò điện hồ quang xoay chiều (AC-EAF), lò hồ quang một chiều (DC-EAF) để sản xuất

thép cacbon chất lượng, thép hợp kim thấp,trung bình và cao với sản lượng lớn Đặc điểm nổi bậtcủa lò hồ quang:

- Tập trung được lượng nhiệt lớn để nung chảy kim loại nhanh đặc biệt là các kim loại khó chảy như vofram, molipden,…

- Lò có nhiệt độ cao >=1700° C nên tạo điều kiện hòa tan các nguyên tố hợp kim nhiều trong thép, thỏa mãn đầy đủ các phản ứng luyện kim (oxy hóa, khử), tăng tốc độ phản ứng hóa học, thúc đẩy các quá trình xảy ra nhanh chóng và triệt để

- Dễ dàng nâng nhiệt độ cho bể kim loại, điều chỉnh chính xác thành phần hóa học của théplỏng và xỉ

- Đảm bảo cháy hao của các nguyên tố hợp kim rất thấp, giảm hàm lượng phospho và lưu huỳnh rất thấp (P,S < 0,02%)

- Giá thành thép lò điện còn cao vì tiêu tốn điện năng và điện cực lớn

- Chọn và tính toán hợp lý phế thép, đảm bảo ít phospho và lưu huỳnh, kích thước liệu phảiphù hợp với dung lượng lò và phương pháp chất liệu vào lò đảm bảo vận hành lò tốt.Tuy nhiên, đồ án chỉ giới hạn trong tính toán lò và phối liệu, thiết kế lò và cách vận hành của một sinh viên nên chỉ là một bài sơ khai không chuyên sâu vào lò hồ quang Vì vậy sẽ có nhiều thiếu sót, không đầy đủ.Hi vọng có những sai sót nào mong thầy và các bạn góp ý kiến đóng góp

để bài làm hoàn thiện hơn

I Tổng quan:

1 Lịch sử phát triển của lò hồ quang:

Lò hồ quang là loại lò điện được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới cũng như nước

ta hiện nay trong việc nấu luyện thép

Lịch sử phát triển của lò hồ quang:

Trên thế giới, lò điện được xây dưng đầu tiên ở Pháp vào năm 1889 với dung lượng 3tấn/mẻ để nấu luyện thép hợp kim Đến năm 1900 ở Mỹ đã sử dụng loại lò điện hồ quang 10-60 tấn/ mẻ để nấu thép dụng cụ và thép hợp kim Ở Tiệp Khắc đã sữ dụng lò hồ quang20-30 tấn/mẻ để nấu các loại thép cacbon và thép hợp kim thấp Ngày nay người ta sử dụng phổ biến và rộng rải là lò hồ quang 100-400 tấn/mẻ dung lượng điện áp 35.000-165.000 kVA

Đặc biệp ở Mỹ đã chạy thường xuyên loại lò 360 tấn/ mẻ và chế độ siêu công suất 160.000 kVA để sản xuất thép cacbon chất lượng, đảm bảo năng suất 100-120 tấn thép/ giờ

Từ năm 1900 đến nay người ta đã thiết kế xây dựng các loại lò hồ quang hiện đại như

lò hồ quang một chiều siêu công suất (150 tấn/ mẻ), lò hồ quang thân cột (Thụy Điển) có dung lượng lò 100-300 tấn/ mẻ

Sản lượng thép lò hồ quang chiếm 80-90% tổng lượng thép lò điện Số lượng thép còn lại được sản xuất ra từ lò cảm ứng cao tần,trung tần và lò tần số công nghiệp

Ở nước ta có rất nhiều nhà máy sử dụng lò hồ quang đặt biệt như:

- Nhà máy luyện thép Lưu Xá ( công ty gang thép Thái Nguyện).

- Nhà máy cán thép Gia sàng.

- Nhà máy cơ khí ( công ty gang thép Thái Nguyên).

- Nhà máy luyện thép biên hòa (công ty thép Miền Nam).

- Nhà máy thép Nhà Bè ( cộng ty thép Miền Nam).

- Nhà máy thép Thủ Đức ( công ty thép MiềnNam).

- Phân xưởng nhà máy cơ khí ( công ty thép Miền Nam)…

Nói chung sản xuất thép trong nước ta hiện nay chủ yếu bằng lò điện hồ quang

2 Đặc điểm của lò hồ quang (lò hồ quang xoay chiều

ba điện cực) :

Lò điện hồ quang chủ yêu tận dụng lượng nhiệt của chùm hồ quang phát ra giữa điện cực và kim loại chùa trong lò, do đó có một số đặc điểm sau:

 Trong quá trình nấu luyện trong lò có thể tạo đươc mô trường hoàn

nguyên, môi trường oxy hóa Có thể khống chế và điểu khiển một cách chính xác thành phần hóa học và nhiệt độ thép lỏng Đảm bảo khử S, P tốt, khử tạp chất phi kim, tạp khí

và các chất có hại cho chất lượng thép đến mức tối thiểu Đồng thời, khống chế được cháy hao các nguyên tố hợp kim đến mức cho phép Đảm bảo chất lượng thép và năng xuất lò ( hệ số thu hồi 90%)

 Kết cấu và thiết bị tương đối đơn giản, chiếm diện tích mặt bằng ít, vốn đầu tư xây dựng xưởng thấp và thời gian xây dựng xưởng nhanh

 Dễ áp dụng tự động hóa cơ khí hóa trong quá trình vận hành Dễ dàng tiếnhành luyện thép trong môi trường chân không Do đó, có khả năng nấu được các loại thépcacbon và thép hợp kim có độ sạch cao và siêu sạch

- Nhược điểm:

 Trong quá trình phát hồ quang tạo mội trường khí ion hóa trong lò Do đó

có khả năng hòa tan khí ( N2) và thép lỏng làm giảm chất lượng sản phẩm đúc

 Hồ quang là nguồn điểm bức xạ nhiệt do đó nhiệt phân bố không đều làm ảnh hưởng xấu đến quá trình nấu chảy liệu Làm tăng bay hơi mạnh các nguyên tố hợp kim như: mangan, wolfram…,phá hủy cục bộ tường lò

 Phối liệu sử dụng cho lò hồ quang chủ yếu là thép phế liệu có thành phần tương đối ổn định, nhất là P và S phải thấp Thép phế liệu trong nội bộ nhà máy không đủcung cấp cho lò, vì vậy đa phần phải nhập ngoại tốn kém chi phí

 Tiêu hao điện năng và điện cực lớn Ở một số nước chua chế tạo được điệncực grafit, giá tiền điện còn cao Giá của thép thảnh phẩm phụ thuộc lớn vào hai yếu tố trên ( chiếm 65-70% giá thành sản phẩm)…

3 Phân loại:

Lò hồ quang có thể được phân loại theo cấu tạo và ứng dụng,lò hồ quang gồm ba loại:

lò hồ quang gián tiếp, lò hồ quang trực tiếp và lò hồ quang phủ kín

3.1 Lò hồ quang trực tiếp EAF ( electric arc furnace):

- Theo cấu tạo mạch điện chia làm hai loại: lò hồ quang xoay chiều AC-EAF và lò hồ

quang một chiều DC-EAF

Lò hồ quang trực tiếp đươc sử dụng phổ biến nhất hiện nay trên thế giới và cả nước ta

3.2 Lò hồ quang gián tiếp sử dụng hai điện cực grafic:

- Loại này có thể sử dụng nguồn điện một chiều hoặc nguồn điện hai chiều, hai điện

cực nằm ngang xuyên qua hông lò vào lò Nhiệt độ trong lò đạt được không cao khoảng 1300-1350oC Do đó, loại lò này thích hợp nấu các hợp kim dể chảy như đồng(Cu), chì(Pb),kẽm, thiếc…

3.3 Lò điện hồ quang phủ kín hay còn gọi là lò ferro hợp kim:

Điện áp vào lò phụ thuộc vào hợp kim Ferro nấu luyện

Trong quá trình nấu, hồ quang phát ra dưới ba điện cực tự thiêu kết, chùm hồ quang ngắn và rộng bị chiềm sâu trong bể liệu do dó liệu tiếp thu nhiệt của hồ quang và nhiệt trở của liệu mà nóng chảy Quá trình nấu Ferro là quá trình liên tục và kéo dài trong một khoảngthời gian nhất định Ferro hợp kim được tháo ra ngoài qua cửa ở hông lò theo định kì

4 Cấu tạo và nguyện lý của thiết bị:

4.1 Cấu tạo chung của một lò hồ quang:

Lò hồ quang gồm những bộ phận cơ bản sau:

- Buồng lò

- Thiết bị nghiêng lò

- Thiết bị năng hạ điện cực

- Thiết bị điện: máy biến áp, mạng điện…

4.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản của lò hồ quang:

- Lò hồ quang sử dụng nguồn nhiệt là ngọn lửa hồ quang sinh ra giữa điện cực

và kim loại nấu

- Khi nấu, điện cực được cấp điện và hạ xuống chạm vào mặt kim loại gây ngắn mạch, cường độ dòng điện tăng cao

- Sau đó nâng điện cực lên cách bề mặt kim loại nấu một khoảng cách nhất định Cường độ dòng điện cao sẻ làm phát sinh ngọn lửa hồ quang giữa điện cực và kim loạinấu, gọi là hồ quang trực tiếp

- Nhiệt độ ngọn lửa hồ quang rất cao và tập trung nên lượng nhiệt truyền cho kim loại là rất lớn và chủ yếu là truyền nhiệt bức xạ

- Khi kim loại chảy lỏng,khoảng cách giữa điện cực và kim loại được điều chỉnh thích hợp để ngọn lửa hồ quang cháy ổn định

II Tính toán thiết kế lò hồ quang xoay chiều

nấu thép sản lượng 100 tấn/ mẻ:

1.Chương 1: Xác định kích thước lò

1.1 Xác định hình dạng lò:

Buồng lò:

Buồng lò gồm ba phần đáy lò, thân lò, và nắp lò

Đáy lò làm nhiệm vụ chứa kim loại và xỉ Phần trên đáy lò có dạng hình côn gốc nghiêng 450 Phần dưới dạng chỏm cầu Chiều dày thể xây đáy lò khoảng 650-700mm Lớp ngoài cùng là vỏ bằng thép tấm

Tường lò tạo không gian chứa liệu đồng thời chịu lực tác dụng của nóc lò Chiều dày tường lò khoảng 350-700 mm

Nóc lò dạng hình chỏm cầu, xây bằng gạch crôm-manhedic hoặc gạch dinat chiều dày khoảng 300mm Ở nóc lò có chừa ba lổ trống để đặt ba điện cực

Sơ đồ cấu tạo buồng lò hồ quang

Với thiết kế như vậy có rất nhiều ưu điểm như thuận lợi cho việc vá và đầm lò Kim loại dễ chảy, phần kim loại lỏng tích tụ ở đáy chỏm cầu Tránh biến dạng lò trong khi nấu

1.2.Tính kích thước hình học của lò:

1.2.1 Tổng

thể tích của nồi lò:

 Thể tích kim loại lỏng trong nồi lò:

1.2.2 Tính các kích thước của nồi lò:

Theo hình 4.2 ta xác định được kích thước nồi lò:

r d  H

.Thay các giá trị trên vào công thức (1.2.2) ta tính được:

 Đường kính của không gian nấu chảy là: thường D2 D1(100 200)(mm)�

Chiều dày đáy thường chọn gần bằng chiều sâu nồi lò H, ta chọn day =1000mm

Khi dùng máy khuấy trộn điện từ chiều dày đáy giảm 10-15% để đạt hiệu quả cao trong

việc khấy trộn

1.3.2 Độ dày tường lò:

Độ dày tường lò 100tấn nằm trongkhoảng tuong=550-650mm chọn tuong=600mm.

�đường kính ngoài của tường lò

5

d D  h  H 3839 mm

1,72

Độ nghiêng của tường lò 10% so

với chiều cao

h  �D 903 mm

Đường kính ngoài của tường lò D t Dt  D2 � 2 tuong 7045 mm

Bảng tính toán kích thước lò hồ quang sản lượng 100 tấn/mẻSau khi sử dụng lò để nấu luyện thì dung tích lò sẽ tăng lên khoảng 30 �40% nên có thể nấu quá từ 15 �20%

2 Chương 2: Tính toán mất nhiệt

2.1 Chọn vật liệu xây lò và cách xây lò:

2.1.1 Chọn vật liệu xây lò:

Lò hồ quang có lớp vỏ ngoài bằng thép chịu nhiệt, độ dày 10-25m, thân lò hình trụ đáy cong hoặc đáy phẳng, hay thân dạng hình côn đáy cong Bên trong vỏ có xây hoặc đầm vật liệu cản nhiệt và gạch chiệu lửa cao Trên thân lò có nắp đậy kín hoặc di chuyển được khi chất liệu vào lò theo phương pháp trên xuống, nắp lò không có vỏ bọc bằng kim loại, nhưng

để đảm bảo đủ độ bền người ta làm vành đai kim loại bao quanh chân vòm nắp Tùy theo dung lượng lò tấn/mẻ mà người ta xây đầm, dùng các loại gạch khác nhau, các lớp gạch khác nhau và có độ dày phù hợp

Chất lượng thể xây lò ảnh hưởng lớn đến năng suất và chất lượng thép, tránh được

những sự cố đáng tiếc, nguy hiểm có thể xảy ra

 Yêu cầu của thể xây lò:

- Phải có độ bền nhiệt, độ bền tải trọng và độ bền nén cao Chịu được nhiệt độ gần 17000C, tải trọng gần 100 tấn

- Chịu được tải trọng cơhọc ởnhiệt độcao

- Bền hóa học và khảnăng chống tẩm thực cao

- Chịu sựthay đổi nhiệt độ đột ngột.

- Có hình dạng và kích thước ổn định khi làm việc

- Có thểsản xuất hàng loạt và giá thành phù hợp

- Tránh tác dụng làm mất mác kim loại hợp kim

 Một số loại gạch chiệu lửa được sử dụng để xây lò bazơ hiện nay:

Lò bazơ được sử dụng nhiều vì tạo điều kiện thuận lợi cho việc tạp chất như phốt pho, lưu huỳnh và các tạp phi kim khác…

Lò hồ quang bazơ xây lò thường được xây dụng bằng gạch manhêzit(MgO), manhêzit( Cr2O3-MgO), manhêzit-Crômit( MgO-Cr2O3), củng có khi dùng gạch Alumin cao(

Crôm-Al2O3) để xây lò Ngoài ra còn sử dụng gạch samốt A( Al2O3-SiO2) để cản nhiệt và giữ nhiệt

Gạch manhêzit được dùng để xây phần trên và phần đáy lò có thành phần:

Gạch manhêzit có độ chịu lửa cao từ 1700 �18000C, nhiệt độ biến mềm 15000C và độ giản nhiệt cao, độ bền cao Nhưng loại gạch này lại có tính biến mềm kém hay bị nứt vở khi nhiệt độ thay đổi đột ngột Do đó, người ta không sử dụng gạch này để xây nắp lò và chân tường lò

Gạch Crôm-manhezit( Cr2O3-MgO) có thành phần hóa học:

Loại gạch này có độ chịu lửa cao, độ dẫn nhiệt tốt, chịu được nhiệt độ thay đổi đột ngột,nên thường dùng để xây chân tường lò, chỗ tháo thép và đôi khi dùng để xây nắp lò Loại gạch này có tính chất tốt thường dùng để xây nắp lò

ở chính giữa khung vành đai nắp lò, tiếp theo xác định tâm của ba lỗ điện cực trước, xây gânnắp lò, tiếp theo xây nắp lò theo cách từ ngoài vào trong, cứ xây xong 3 �4 viên gạch thì lót một tấm tôn dày 1 �1,5 mm, các viên gạch đều được xây dựng đứng và chèn chặt các viên gạch xây Sau khi xây xong đưa nắp vào nơi khác để nung sấy cẩn thận.

Nắp lò điện hồ quang luyện thép theo tính toán như trên có chiều dày  nap 300 mm,

xây bằng gạch Crôm-manhezit( Cr2O3-MgO), nắp lò thường được nâng lên và quay góc 60 hay 1200 để chất liệu vào lò Do dó nắp lò ngoài yêu cầu về độ chịu lửa cao, bền nhiệt, còn phải bền cơ học, chắt chắn không bị vênh uốn công trong quá trình nấu luyện thép cũng như thao tác nâng hạ, quay nắp lò

 Tường lò:

Tường lò có hai phần, phần trên mỏng hơn, phần dưới dày hơn, nghĩa là tường lò luôn

có độ vát gần bằng 10% Nhờ có độ vát như vậy mà việc chất liệu vào lò được thuận lợi và tránh được hao mòn do hồ quang phát ra Phần trên chủ yếu xây gạch chịu lửa cao, còn phầndưới luôn bị va đập bởi liệu chất từ trên xuống, vừa phải chịu quá trình bào mòn tẩm thực của kim loai lỏng, xỉ Do đó cần phải xây bằng gạch chịu lửa chịu được nhiệt độ cao, bền nén, bền cơ học và chóng mài mòn tốt

Sau khi xây xong đáy lò thì xây tiếp tường lò, xây từ trong ra ngoài và xây từ chân tường phía dưới lên trên

Tường được xây ba lớp: với chiều dày tường lò tính được là tuong  600 mm ta có:

 Vỏ thép ở bên ngoài dày 10mm

 Tiếp theo xây hoặc đầm lớp gạch samốt dày khoảng 200 mm

 Tiếp lớp samốt là xây lớp làm việc có chiều dày 390mm xây bằng gạch manhêzitxây ở phần trên và gạch Crom-manhêzit xây ở phần dưới

 Đáy lò:

Được xây bốn lớp: với độ dày đáy lò  day 1000 mm ta có:

- Bên ngoài là lớp thép dày 20mm

- Lớp sát vỏ lò là lớp bột hoặc sạn samốt xốp có độ dày 100mm

- Tiếp theo xây lớp gạch samốt dày 230mm.

- Trên lớp gạch samốt là lớp gạch manhêzic xây nghiêng 115mm, độ dày lớp này là 350mm

- Trên cùng là một lớp đầm bằng sạn manhêzic dày 300mm

Đáy lò là nơi chứa thép lỏng và xỉ, cần đảm bảo độ chiệu lửa cao, giữ nhiệt tốt, chịu được quá trình sôi của thép, chống tẩm thực của xỉ lỏng ( nhất là xỉ bọt) Đặc biệt đáy lò phải bền chắc để chống được va đập mạnh của quá trình chất liệu rắn từ trên xuống

2.2 Chế độ nhiệt trong lò:

2.2.1 Đặt vấn đề:

Muốn cho việc sản xuất thép trong lò điện hồ quang đạt được chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cao thì ngoài việc xác định ngoài việc xác định kích thước không gian lò,kích thước và dungtích lò một cách hợp lý, ta cón phải xác định kích thước không gian lò, đưa chế độ điện phù hợp với từng thời kỳ nấu luyện Muốn vậy, ta cần phải giải quyết các nhiệm vụ cơ bản sau:

- Bố trí điện cực nhiều, đảm bảo hồ quang cháy hợp lý,liên tục, làm choquá trình nấu chảy nhanh, đồng thời tránh được hiện tượng nung nóng tường và nắp lò quá mức

- Xác định chế độ điện và nhiệt, chế độ thao tác hợp lý cho từng thời kỳnấu luyện, bảo đảm năng suất cao, mất mát điện là nhỏ nhất

- Có khoảng không gian lò thích hợp để truyền nhiết tốt,tuổi thọ lò cao.Đứng về quang điểm trao đổi nhiệt giữa hồ quang và không gian lò mà chia mẻ nấu làm

ba thời kỳ:

(1) Thời kỳ liệu còn rắn:

Vào thời kỳ nấu chảy,hồ quang cháy giữa điện cực và bề mặt rắn Hồ quang lúc bây giờ cháy hở, bức xạ nhiệt của hồ quang lên tường lò và nắp lò rất mạnh( nhất là nắp lò vì điện cực lúc bấy giờ gần nắp lò nhất) Đồng thời khả năng thu nhiệt của nắp lò và tường lò

là rất lớn vì lúc nầy nhiệt của chúng chưa cao

Thời kỳ nầy người ta gọi là thời kỳ bức xạ hồ quang và nhận nhiệt của nắp lỏ và tường

lò là nhiều nhất

(2) Thời kỳ hồ quang cháy kín:

Khi liệu rắn chảy thành ba hố dưới ba điện cực và ngày càng phát triển cả về đường kính lẫn chiều sâu thì cả ba điện cực có khả năng nhúng sâu vào lòng liệu, hồ quang phát

ra bị liệu bao kín, do đó nhiệt sẽ hoàn toàn bức xạ vào liệu, mức độ bức xạ nhiệt của hò quang lên tường và nắp lò yếu dần

Thời kỳ này là thời kỳ bức xạ nhiệt vào liệu.

(3) Thời kỳ chảy xong:

Kim loại lúc này tự trao đổi nhiệt trong nội bộ kim loại và theo mọi phương mọi hướng.Điện cực ở xa mặt kim loại nên hồ quang cháy phát ra được bức xạ hoàn toàn vào không gian lò, đồng thời nhiệt phản xạ từ tường, đáy lò và nắp lò vào khoảng không gian lò cũng khá mạnh

Thời kỳ này là thời kỳ trao đổi nhiệt trong khoảng không gian lò

- Khi hồ quang bị che chắn mạnh: thì lượng nhiệt của hồ quang bị các phần che chắn hấp thụ Trong trường hợp này lò hồ kim loại có nhiệt độ cao nhất, kế dến là nhiệt độ của xỉ ở vùng xa ngọn lửa hồ quang và bé nhất là nhiệt độ của lớp lót

- Khi hồ quang bị che chắn yếu: nồi lò của kim loại được nung bằng ngọn lửa hồ quang và bằng nhiệt phản xạ từ lớp lót lò Trong trường hợp này nhiệt độ của lớp lót >nhiệt độ của xỉ > nhiệt đô của kim loại

- Trong trường hợp này, điều kiện tinh luyện kim loại đồng dều trên suất bề mặt nồi lò, nhưng nó dễ gây quá nung lớp lót trong lò

- Trong thời kỳ nấu chảy và oxy hóa thì xỉ hấp thụ nhiệt nhiều, trong thời kỳ hoàn nguyên thì xỉ hấp thụ nhiệt ít vì xỉ và kim loại lúc bây giời nóng hơn thời kỳ đầu

2.2.2 Phân phối nhiệt trong các thời kỳ nấu luyện:

Ta có bảng phân phối nhiệt sau đây:

- Thời kỳ nấu chảy:

 Hồ quang bức xạ trực tiếp lên mặt kim loại:

PKL=0,1PHQ+0,45PHQ=0,55PHQ

 Hồ quang bức xạ nhiệt trực tiếp lên tường và nắp lò

PT=0,45PHQ

- Thời kỳ oxy hóa:

Lượng nhiệt kim loại hấp thụ;

 Kim loại thu nhiệt do hồ quang bức xạ nhiệt trục tiếp:

- Trong giai đoạn đầu, bức xạ nhiệt của hồ quang ảnh hưởng yếu đến tuổi thọ của lò, còn ở giai đoạn sau thì bứa xạ ảnh hưởng mạnh đến tuổi thọ của lò, nhất là khi kéo dài gia đoạn này thì tuổi thọ của lò giảm rõ rệt

- Bức xạ nhiệt của hồ quang và kim loại lên tường và nắp lò cũng thay đổi theo từng giai đoạn: trong giai đoạn đầu thì lượng bức xạ này lớn, trong giai đoạn hai thìlượng này nhỏ nhất vì cần nhiệt cho các phản ứng luyện kim xảy ra, trong giai đoạn ba thì tường và nắp lò do hai nguồn cung cấp :do hồ quang và kim loại bức xạ lên

- Trong các lò lớn, khả năng hấp thụ nhiệt của kim loại rất lớn

Kết luận:

- Tường lò và nắp lò nhận một lượng nhiệt rất lớn do bức xạ trực tiếp của hồ quang và do phản ứng ở nồi lò

- Công suất nhiệt bức xạ từ tường lò tới kim loại phụ thuộc vào nhiệt

độ của xỉ và giảm khi tăng nhiệt độ của xỉ

- Trong giai đoạn oxy hóa xỉ sôi là điều kiện thuận lợi để làm đồng đều

và tăng nhiệt độ của kim loại

- Kích thước lò càng lớn tuổi thọ của lớp lót lò càng giảm do lớp lót lò nhận lượng nhiệt rất lớn và gánh tải trọng cao trong nhiệt độ cao Chiều dày của xỉ tăng lên

gần bằng G lần và bề mặt trao đổi nhiệt riêng giảm đi gần G lần (G trọng lượng mẻ

nấu- tấn)

Các vùng phân bố nhiệt trong lò hồ quang:

Độdẫn nhiệt: đặc trưng bởi hệ số dẫn nhiệt λ(w/m.độ) Vật liệu chịu lửa có hệ số

dẫn nhiệt nhỏ, nhất là các vật liệu cách nhiệt (samốt nhẹ: 0,52-0,7 w/m.độ)

Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc nhiệt độ theo công thức:

λ= λ0(1 + β.t)

Một sốvật liệu chịu lửa có λ tăng theo nhiệt độ (nhưgạch đinát, samốt), một số có λgiảm theo nhiệt độ(gạch mannhêdit, cacbôrun) Tính chất này của vật liệu chịu lửa liên quan mật thiết đến lượng nhiệt của lò mất mát nhiệt qua thể xây

2.4 Tính toán cân bằng nhiệt:

2.4.1 Cân bằng nhiệt trong quá trình nấu :

 Công thức cân băng bằng nhiệt :

 Nhiệt cấp vào :

: nhiệt do hồ quang cung cấp

: nhiệt do liệu được nung trước

: nhiệt do các quá trình trong lò

: nhiệt sinh ra do quá trình oxy hóa C,Mn,Si,P,S…

: nhiệt sinh ra do xỉ hình thành từ oxyt

Nhiệt dung riêng của thép (Fe-C) là: 460 J/kg.K

Nhiệt dung riêng của CaO: 0,2kcal/Kg.oC

Nhiệt dung riêng của Mn: 0,11 kcal/Kg.oC

Nhiệt dung riêng của Mg: 0,2 kcal/Kg.oC

Nhiệt dug riêng của Al: 0,21 kcal/Kg.oC

=kJ

- Nhiệt sinh ra do các quá trình trong lò

Nhiệt do oxy hóa C

C+1/2O2=CO 2,200 kcal/kgC

Nhiệt do oxy hóa Fe :

Fe+ 1/2O2=FeO 1150kcal/kg.Fe

Tông nhiệt ra:

3 Chương 3 Tính toán thông số điện

3.1 Tính công suất điện :

Biến áp lò là bộ phận quan trọng nhất để cung cấp điện cho lò hồ quang Từ nguồn sơ cấp 6 �35kV chuyển sang cuộn thứ cấp hạ xuống còn 100 �220V Biến áp phải làm việc trong diều kiện nhiệt độ cao và tải trong lớn( to=60 �700C), và quá tải lớn, thường hệ số tải 1,25 �150 Vì vậy cần phải tăng cường làm nguội máy biến áp bằng dầu, không khí hoặc

bằng nước cưỡng bức Đặc cuôn dây sơ cấp của máy biến áp có nhiều đầu dây tự do Do đó

có khả năng thay đổi điện áp ra phù hợp với yêu cầu nấu luyện

Điện cực lò hồ quang : lò hồ quang luyện thép sử dụng điện cực than, điên cưc grafic đênấu luyện thép, hiện nay người ta hay dùng chủ yếu là điện cực grafic Điện cực đóng vai tròquan trọng trong việc dẫn điện và là nguồn phóng điện tử tạo ra nhiệt năng để cung cấp cho quá trình nấu luyện

Bảng tính chất vật lý của điện cực

1 Điện trở suất ( ) mm / m  2 40 �50 6 �14

2 Nhiệt độ oxy hóa bề mặt, OC 450 �500 >600

4 Trong lượng riêng

Trong quá trình nấu luyện thép điện cực luôn bị cháy hao, mức độ cháy hao phụ thuộc

và chế độcung cấp điện, dung lượng lò và cộng nghệ nấu luyện, thời gian nấu luyện càng kéo dài thì cháy hao điện cực càng lớn Khi điện cực ngắn dần người ta hạ tiếp nó vào lò, khi

nó quá ngắn không hạ xuống được nữa cần phải thay điện cực mới Đề giảm hao phí phần đuôi điện cực, người ta chế tạo điện cực thành những đoạn hình trụ ở đầu có làm ren hoặc côn Các vít nối được chế tạo từ các phôi đặc biệt có độ bền cao Cháy hao điện cực của Liên xô củ (1985) là :

Quá trình bazơ : cháy hao điện cực than 13 �15kg/tấn, điện cực grafic 6 �10kg/tấn thép.

Quá trình axit : cháy hao điện cực than 10 �12kg/tấn, điện cực grafic 4 �5kg/tấn thép

Ngày nay do áp dụng các công nghệ hiện đại nên cháy hao điện cực là 1,2 �2kg/tấn

thép

Sự tiêu hao của điện cực được xác định do bốn yếu tố sau:

- Do oxy hóa bề mặt

- Do gãy điện cực hay vít nối

- Do hồ quang điện làm nhỏ vụn điện cực

- Do điện cực hòa tan vào xỉ khi nấu lò sôi

Tiêu hao điện cực phụ thuộc vào dung lượng của lò, chế độ nấu luyện, độ kín khít ở khe

hở điện cực và của lò

Kích thước điện cực phụ thuộc phụ thuộc vào dung lượng lò( tấn/ mẻ)

Bảng 1.9 chỉ tiêu kỹ thuật của điện cực grafic

Sự mất mát trong lò rất phân tán:

 Mất mát điện trong máy biến thế

 Mất mát qua thanh dẫn và điện cực

 Mất mát nhiệt năng qua tường lò

 Mất mát qua đáy và nắp lò

 Bức xạ nhiệt của điện cực và lớp lót trong quá trình nạp liệu

 Do nước làm nguội, khí lò cửa lò,cửa mở…

Năng suất trong một ngày đêm của lò được tính theo công thức:

T2: thời gian nấu chảy liệu rắn [giờ]

T3:Thời gian lưu kim loại lỏng trong lò[giờ]

T1=3giờ

T2=5giờ

T3=2giờ

tấn/ngày

b Công suất máy biến thế:

Công suất của máy biến áp của lò có thể tính theo cân bằng nhiệt của lò với dung lượng cho trước và thời gian giữa hai mẻ nấu

Ngoài ra còn có phương pháp dựa trên mối quan hệ giữa công suất của máy biến thế và dung lượng lò hoặc đường kính vỏ lò theo các lò hiện có:

Công suất máy biến thế tương ứng với các dung lượng lò khác nhau:

p V

�

�

l : điện trở suất của điện cực ở 500oC( với điện cực grafic thì l=10.mm2/m)

K : hệ số( với điện cực grafic K=2,1W/cm2 )

4

0, 406 49583 10

78,02,1 10

Ta chọn đường kính của điện cực là 780mm

b Chiều dài điện cực :

 : chiều dày nắp lò

ha : chiều cao hộp nước làm nguội

hc : chiều cao bộ phận cặp điện cực

Z : suất tiêu hao điện cực (kg/tấn)

 : trộng lượng riêng điện cực.

3.1.3.2 Sự phân bố điện cực :

Khi lò chạy bình thường thì hồ quang phát ra đều liên tục theo các pha, nếu một trong

ba pha không phát ra hồ quang hoặc phát ra yếu thì các pha kia sẻ chịu tải điện, nhiệt phát rarất lớn Kéo dài thời gian nấu tuổi thọ lò giảm, áo lò bị cháy mòn cục bộ trầm trọng Vì vậy,

lò hồ quang ba pha điện cực bố trí thẳng đứng, và theo chiều tam giác đều Tùy theo dung

lượng của lò mà chọn tỉ số 1

p

d n D

 phù hợp Thông thường thì n=0,25 �0,4 Lò nhỏ n=0,35

 Khi sử dụng điện cực grafic cần chú ý :

- Trong bảo quản điện cực grafic cần tránh mưa gió làm ẩm điện cực, trong quá trìnhvận chuyển cần tránh va đập Trước lúc sử dung cần sấy khô ở nhiệt độ gần 100OC

- Khi nối điện cực cần vặn chặt tránh tạo khe hở dẫn đến sinh hồ quang ở mối nối khi dòng điện di qua

- Khi nạp liệu tránh để liệu va đập vào điện cực

-3.2 Đề suất chế độ công suất điện :

Tùy theo yêu cầu của từng gia đoạn nấu, người ta yêu cầu những cấp điện áp khác nhau.

Do đó máy biến áp cần có nhiều cấp điện áp thường là sáu cấp điện áp tùy theo cách mặc hình sao hay tam giác :

Thí dụ sáu cấp điện áp của máy biến áp là :

- Khi mắc tam giác 260V-220V-180V

- Khi mắc hình sao 150V-127V-104V

Tùy từng giai đoạn người ta sử dụng điện áp thích hợp, thông thường:

- Gia đoạn nấu chảy 240 �380V

- Gia đoạn oxy hóa 160 �200V

- Gia đoạn hoàn nguyên 140 �115V

Theo yêu cầu nấu luyện điện áp giảm dần từ giai đoạn nấu chảy đến oxy hóa đến hoàn nguyên

Giai đoạn 2(t2 �t3): Giai đoạn oxy hóa công suất thấp hơn giai đoạn nấu chảy nhưng vẫn giữ nhưng vẫn giữ ở mức tương đối cao để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình oxy hóatạp chất

Giai đoạn 3(t3 �t4):Giai đoạn hoàn nguyên cần nhiệt độ ổn định nên công suất giai đoạnnầy nhỏ hơn hai giai đoạn trước, vì nếu nhiệt độ quá cao thì sẻ ảnh hưởng đến quá trình hoànnguyện

Công suất điện ở từng thời kỳ:

 Thời kỳ nấu chảy:

Thời kì hoàn nguyên

Thời kì1

Thời kì2

Thời kì3

Thời kì4Công suất

thường

45000 33750 11250 18000 45000 22500 27000 20250

Sơ đồ chế độ công suất điện của lò hồ quang 100tấn/mẻ