BÁO CÁO MÔN HỌC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN CÔNG NGHIỆP ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN DỊCH CỰC LÒ HỒ QUANG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của lò hồ quang 5

1.2.3 Nguyên tắc kiểm soát 6

1.3 Phân loại các loại lò 7

2.1 Cấu tạo lò hồ quang 13

2.2 Luyện thép trong lò hồ quang 16

2.2.1 Nguyên vật liệu 16

2.2.2 Chuẩn bị nguyên vật liệu mẻ luyện: 19

2.2.3 Quá trình nấu luyện 21

2.3 Thông số thiết kế cho một lò nhiệt 26

2.3.1 Yêu cầu công suất điện trong quá trình nấu luyện 26

2.3.2 Yêu cầu đối với điện cực 27

2.3.3 Yêu cầu và tính chất của hồ quang 28

2.3.4 Yêu cầu trang bị điện cho lò hồ quang 28

2.4 Phương án cung cấp điện và điều khiển 32

2.5.1 Sơ đồ một pha khống chế dịch cực lò HQ dùng hệ MĐKĐ -

Đ 33

2.5.2 Sơ đồ điều chỉnh dịch cực lò hồ quang bằng Thyristor 38

2.5.3 Chọn phương pháp điểu khiển 41

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN DỊCH CỰC LÒ HỒ QUANG BẰNG HỆ T – Đ 42

3.1 Chọn công suất biến thế lò 42

3.2 Thiết kế mạch đo lường 44

3.2.1 Khâu đo dòng điện hồ quang 45

3.2.2 Khâu đo điện áp hồ quang 46

3.2.3 Thiết kế khâu không nhạy 47

3.2.4 Thiết kế khâu đặt công suất cho lò hồ quang 48

3.3.Chọn phương pháp đảo chiều động cơ 49

3.3.1 Phân tích chọn phương pháp điền khiển hai BBĐ mắc song song ngược 51

3.3.2 Phân tích chọn BBĐ 53

3.3.3 Kết luận 60

3.4 Thiết kế mạch điều khiển 61

3.4.1 Đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa 61

3.4.2 Mạch so sánh 64

3.4.3 Mạch sửa xung 65

3.4.4 Mạch khuyếch đại xung 67

3.4.5 Mạch lôgic và tạo trễ tín hiệu 68

3.4.6 Mạch báo trạng thái làm việc của bộ biến đổi 69

3.4.7.Thiết kế mạch phản hồi 70

3.5 Thiết kế khâu đặt bảo vệ 73

3.5.1.Thiết kế khâu bảo vệ ngắn mạch sự cố 73

3.5.2 Thiết kế mạch bảo vệ mất pha 75

4.1 Các kết quả đã đạt được 79 4.2 Đánh giá kết quả đạt được 79 4.3 Các hướng phát triển đề tài 79

Hình 2.1 Cấu tạo lò hồ quang 13

Hình 2.2 Nguyên vật liệu để luyện thép 16

Hình 2.3 Quá trình nấu luyện 22

Hình 2.4 Đồ thị công suất hữu công tiêu thụ ở lò hồ quang 27

Hình 2.5 Sơ đồ chức năng hệ điều chỉnh công suất lò hồ quang 32

Hình 2.6 Sơ đồ 1 pha khống chế dịch cực lò dùng hệ MĐKĐ - Đ 35

Hình 2.7 Sơ đồ 1 pha khống chế dịch cực lò hồ quang dùng Thyristor 39

Hình 2.8 Đặc tính của bộ điều chỉnh dịch cực lò HQ dùng Thyristor 40

Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển dịch cực bằng hệ T-D 42

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý của khâu đo dòng hồ quang 46

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của khâu đo điện áp hồ quang 47

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khâu không nhạy 48

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý khâu đặt công suất cho lò hồ quang 49

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mạch đảo chiều động cơ 50

Hình 3.7 Sơ đồ mạch điều khiển chung 51

Hình 3.8 Sơ đồ tia 3 pha điều khiển hoàn toàn 54

Hình 3.9 Giản đồ điện áp và dòng điện 55

Hình 3.10 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha 57

Hình 3.11 Giản đồ điện áp và dòng điện 58

Hình 3.12 Sơ đồ khối mạch điều khiển 61

Hình 3.13 Nguồn nuôi cho mạch điều khiển 61

Hình 3.14 Sơ đồ đấy dây ∆/𝑌 62

Hình 3.15.Sơ đồ nguyên lý mạch đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa 63

Hình 3.16 Giản đồ điện áp mạch phát sóng răng cưa 64

Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh 64

Hình 3.18 Giản đồ điện áp mạch so sánh 65

Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý mạch sửa xung 66

Hình 3.20 Giản đồ điện áp mạch sửa xung 66

Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lý mạch khuyếch đại xung 67

Hình 3.22 Sơ đồ mạch vòng phản hồi 68

Hình 3.23 Sơ đồ mạch báo trạng thái làm việc của bộ biến đổi 70

Hình 3.24 Sơ đồ mạch phản hồi âm dòng có ngắt 71

Hình 3.25 Sơ đồ mạch phản hồi âm tốc độ 72

Hình 3.26 Sơ đồ mạch vòng phản hồi 73

Hình 3.27 Sơ đồ mạch bảo vệ ngắn mạch sự cố 74

Hình 3.28 Sơ đồ mạch bảo vệ mất pha 75

MỤC LỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Thông số máy cắt 3CG 76 Bảng 3.2 Thông số Máy biến áp 77 Bảng 3.3 Thông số máy biến dòng điẹn 78

CHỮ VIẾT TẮT

BOF: Lò chuyển luyện thép EAF: Lò điện hồ quang IF: Lò cảm ứng

HP: Lò hồ quang công suất cao UHP: Lò hồ quang công suất cực cao RP: Lò hồ quang điện thông thường

Tóm tắt: Trong báo cáo này nêu rõ tầm quan trọng của ngành công nghiệp

luyện thép, tổng quan về lò hồ quang sử dụng để luyện thép Do tính quan trọng của lò hồ quang trong ngành luyện thép, chúng ta cần điều khiển dịch cực lò hồ quang nhằm đạt công suất tốt nhất Ở đây, nhóm em đã nêu được phương điều khiển dịch cực lò hồ quang, đánh giá sơ đồ điều khiển và cải tiến sơ đồ điều khiển.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Lời nói đầu

Ngành thép Việt Nam là một ngành vật liệu cơ bản đầu vào cho các ngành công nghiệp quan trọng khác như cơ khí chế tạo, đóng tàu, chế tạo thiết bị đồng bộ, chế tạo máy móc ngành công nghiệp nặng… và công nghiệp hỗ trợ Gần như toàn bộ các chủng loại thép dùng cho công nghiệp chế tạo đang phải nhập khẩu Đây chính là “nút thắt” về vật liệu, cản trở rất lớn đến sự phát triển của công nghiệp chế tạo ở Việt Nam Năm 2016 và năm 2017, khối lượng nhập khẩu thép lần lượt là 18,4 và 15 triệu tấn, tương ứng 8 và 9 tỷ USD Mức sử dụng thép bình quân trên người ở Việt Nam vẫn ở mức thấp so với các nước đang phát triện, trong khu vực và trên thế giới Nhu cầu về thép trong những năm gần đây vẫn tiếp tục tăng Vì vậy, định hướng đầu tư trong giai đoạn tới cần chú ý đến việc ưu tiên các công nghệ tiên tiến, công suất lớn và đồng bộ từ luyện thép đến cán thép đảm bảo tự động hóa cao thì hiệu quả sản xuất mới cao, hạ giá thành sản phẩm và có thể cạnh tranh với các nước có công nghệ tiến như Nhật Bản, Hàn Quốc và đặc biệt là sản xuất thép từ Trung Quốc Chỉ có đầu tư đồng bộ, bài bản thì vấn đề về tiêu hao trong nhà máy luyện, cán thép mới giảm

và vấn đề xử lý các chất phát thải mới triệt để và bảo vệ được môi trường

Trước kia, các ngành công nghiệp chưa được phát triển nhất là ngành luyện kim và ngành chế tạo máy, nên vấn đề chất lượng thép và thép hợp kim chưa được quan tâm đúng mức Nhưng sau chiến tranh thế giới lần thứ

nhất, nền công nhiệp ngày càng phát triển mạnh Trên thế giới lúc bấy giờ các ngành công nghiệp, nhất là luyện thép và hợp kim, ngành đúc chi tiết, chế tạo máy,… đang đà phát triển về sản lượng và chất lượng sản phẩm Do yêu cầu và điều kiện kĩ thuật mới, sắt thép thông thường như trước kia không đáp ứng được với các dụng cụ máy móc, thiết bị tối tân Vì vậy, đòi hỏi phải sản xuất ra các chủng loại thép và hợp kim có những tính năng đặc biệt như độ bền cơ học cao, độ bền chống ăn mòn của môi trường axit, nước sông, nước biển,…Đặc biệt cần sản xuất các loại thép có tính đàn hồi cao, có tính nhiễm từ tốt, có tính chống nhiễm từ cao Do các tính chất đặc biệt trên thép được sản xuất ra từ lò thổi không khí, lò Besmer, lò Mactin(lò bằng) không thể đáp ứng được nữa mà phải cần nấu luyện trong các lò điện Để luyện thép và hợp kim trong lò điện, người ta tận dụng biến điện năng thành nhiệt năng dưới dạng hồ quang, cảm ứng điện từ, điện trở và dạng plasma

Việt Nam hiện nay cũng đang sử dụng 3 công nghệ sản xuất thép: lò chuyển luyện thép (BOF), lò điện hồ quang (EAF), lò cảm ứng (IF) Theo thống kê của Hiệp Hội Thép Việt Nam tại thời điểm năm 2018, Việt Nam có tổng số 29 đơn vị sản xuất thép, trong đó có 5 đơn vị sử dụng BOF, 15 đơn vị sử dụng EAF và 8 đơn vị sử dụng IF Vì lò hồ quang có thể dùng nguyên liệu từ sắt thép phế liệu, điều này giúp tiết kiệm nguyên liệu, năng lượng nên đạt hiệu quả kinh tế cao và môi trường Do đó, Việt Nam phần lớn thép được sản xuất bằng công nghệ lò điện hồ quang Sản lượng lò hồ quang chiếm 80-90% tổng lượng thép lò điện

1.2 Tổng quan về lò hồ quang 1.2.1 Lịch sử phát triển lò hồ quang

Từ năm 1888 đến năm 1892 Heroult người Pháp (PLTHéroult) đã sử dụng nhiệt độ cao của hồ quang điện của điện cực để phát triển nguồn năng lượng thay thế cho than đá và phát minh ra lò điện hồ quang để nấu chảy trực tiếp trong công nghiệp Lúc đầu, lò điện hồ quang chỉ được sử dụng

để sản xuất canxi cacbua và ferroalloys Mãi đến năm 1906, nó mới được phát triển để sản xuất thép, cho phép tái chế phế liệu thép quy mô lớn và tiết kiệm Lò điện hồ quang chuyển hóa năng lượng điện thành nhiệt thông qua hồ quang được tạo ra giữa đầu cuối của điện cực than chì và điện tích để làm nóng chảy điện tích và hoàn thành phản ứng luyện kim nhiệt độ cao tiếp theo

Hình 1.1.PLTHéroult

Do sử dụng năng lượng điện nên việc điều chỉnh không khí trong lò rất tiện lợi, vì vậy nó có thể nấu chảy các loại thép hợp kim khác nhau kể cả các nguyên tố dễ bị oxy hóa Với sự phát triển của ngành điện lực, việc cải tiến liên tục các thiết bị quá trình và cải tiến công nghệ luyện, việc ứng dụng lò điện hồ quang ngày càng sâu rộng, năng lực và quy mô sản xuất ngày càng lớn Công suất tối đa của lò điện hồ quang là 100 tấn vào những năm 1930, 200 tấn vào những năm 1950 và các lò điện hồ quang 400 tấn được đưa vào sản xuất vào đầu những năm 1970

Đặc biệt trong 50 năm qua, tính năng kỹ thuật của các lò luyện thép hồ quang điện từng bước được cải thiện, giá thành sản xuất giảm đáng kể Tỷ trọng thép lò điện ở các nước phát triển ở Châu Âu và Châu Mỹ đã vượt quá 50%

Sự phát triển của công nghệ nấu chảy bằng lò điện hồ quang hiện đại tiến bộ cùng thời đại Từ những năm 1960 đến những năm 1970, trọng tâm chính là phát triển nguồn cung cấp năng lượng cực cao và các công nghệ liên quan Lò hồ quang điện công suất cao (HP) và lò hồ quang điện công suất cực cao (UHP) so với lò hồ quang điện thông thường (RP) Chúng chủ yếu được phân biệt bằng số lượng công suất máy biến áp trên một tấn công

suất lò, và có xu hướng ngày càng tăng trong những năm gần đây Điều này có nghĩa là nhiệt năng đầu vào lò điện hồ quang trên một đơn vị thời gian được tăng lên rất nhiều, rút ngắn đáng kể thời gian nóng chảy, do đó tăng công suất sản xuất, giảm tiêu hao điện cực, giảm tổn thất nhiệt và giảm tiêu thụ điện năng Nhờ đó, năng lực sản xuất được tăng lên và chi phí cũng giảm đáng kể

Hoạt động hồ quang dài áp suất cao, thành lò làm mát bằng nước, vỏ lò làm mát bằng nước, công nghệ xỉ bọt và sử dụng nguồn nhiệt bên ngoài để hỗ trợ lò điện hồ quang công suất cực lớn đã được áp dụng rộng rãi Tinh chế gáo và tăng cường sử dụng oxy cũng đã được áp dụng Trong những năm 1980, sự phát triển của công nghệ LF và EBT đã làm cho quá trình luyện thép bằng lò điện hồ quang hiện đại của quá trình nấu chảy bằng lò điện hồ quang cộng với quá trình tinh luyện bên ngoài về cơ bản hoàn thiện Điều đáng chú ý là kể từ đó, trọng tâm của sự chú ý của mọi người không còn là sử dụng nguồn điện một chiều hay xoay chiều nữa, mà là việc sử dụng quá trình đốt thứ cấp và nhiệt cảm nhận của khí lò, tức là vấn đề nung nóng thép phế liệu Các phương pháp gia nhiệt sơ bộ phế liệu khác nhau đã tạo ra các loại lò hồ quang điện hiện đại khác nhau, bao gồm lò hồ quang điện thông thường sử dụng rổ phế liệu để làm nóng sơ bộ, lò trục ống khói có vuốt, lò hồ quang điện hai lớp và lò hồ quang điện Consteel

Hiện nay, thiết bị và công nghệ sản xuất của lò điện hồ quang vẫn đang được phát triển không ngừng

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của lò hồ quang

Hình 1.2 Lò hồ quang

Lò hồ quang lợi dụng nhiệt của ngọn lửa hồ quang để nấu chảy kim loại và nấu thép hợp kim chất lượng cao.Vật liệu tiếp xúc trực tiếp với hồ quang và dòng điện của điện cực đi qua vật liệu

Chu trình nấu luyện của lò hồ quang gồm ba giai đoạn với các đặc điểm công nghệ sau:

 Giai đoạn nung nóng nguyên liệu và nấu chảy kim loại

Trong giai đoạn này, lò cần công suất nhiệt lớn nhất, điện năng tiêu thụ chiếm khoảng 60 ÷ 80% năng lượng của toàn mẻ nấu luyện và thời gian chiếm 50 ÷ 60% toàn bộ thời gian một chu trình (thời gian một mẻ nấu luyện) Trong giai đoạn này thường xuyên xảy ra hiện tượng ngắn mạch làm việc, ngọn lửa hồ quang cháy kém ổn định, công suất nhiệt không cao do ngọn lửa hồ quang ngắn (1 ÷ 10mm)

 Giai đoạn ôxy hoá là giai đoạn khử cacbon (C) của kim loại đến một trị số hạn định tuỳ theo mác thép, khử phốt pho (P) và khử lưu huỳnh trong mẻ nấu Ở giai đoạn này, công suất nhiệt chủ yếu để bù lại tổn hao nhiệt trong quá trình nấu luyện; nó chiếm khoảng 60% công suất nhiệt của giai đoạn nấu chảy kim loại

 Giai đoạn hoàn nguyên là giai đoạn khử oxy, khử sunfua trước khi thép ra lò Công suất nhiệt của ngọn lửa hồ quang trong giai đoạn này khá ổn định Công suất yêu cầu chiếm khoảng 30% của giai đoạn nấu chảy kim loại Độ dài cung lửa hồ quang khoảng 20mm

1.2.3 Nguyên tắc kiểm soát

Việc kiểm soát chuyển động của điện cực dựa trên việc duy trì mức không đổi của trở kháng bên ngoài hồ quang điện đang cháy Trong thập kỷ trước, chúng đã trải qua một sự thay đổi mạnh mẽ do sự trỗi dậy của thế hệ kỹ thuật điện toán mới trong ngành như bộ điều khiển và ổ điện điều khiển kỹ thuật số Điện áp của máy biến áp điện lò có thể thay đổi theo từng bước thông qua thiết bị thay đổi vòi Nhưng theo quy định, việc thay đổi vòi máy biến áp không được áp dụng trong các lò nhỏ trong quá trình công nghệ Dễ dàng giải quyết vấn đề hỏng điện cực khi đánh lửa bằng hồ quang trong các ổ điện cập nhật bằng cách điều chỉnh các điểm đặt giới hạn dòng điện trong chuyển động của điện cực được điều khiển bởi xi lanh thủy lực và cảnh báo quá tải được truyền đến bộ điều khiển chính để đảm bảo phản ứng thích hợp của hệ thống Với sự trợ giúp của thiết bị tự động hóa hiện đại, có thể tích hợp hệ thống điều khiển vào một mạng cấp cao nhất để tổ chức các hệ thống ghi các loại khác nhau

Hệ thống quản lý tài liệu hoặc kiểm soát Việc sử dụng EAF cho phép thép được sản xuất từ nguyên liệu 100% kim loại phế liệu, thường được gọi là 'thức ăn sắt nguội' để nhấn mạnh thực tế rằng đối với EAF, phế liệu là nguồn cấp dữ liệu được quy định vật chất Lợi ích chính của việc này là giảm nhiều năng lượng cụ thể (năng lượng trên một đơn vị trọng lượng)

cần thiết để sản xuất thép EAFs có thể được khởi động và dừng nhanh chóng, cho phép nhà máy thép thay đổi sản lượng theo nhu cầu Mặc dù các lò hồ quang luyện thép thường sử dụng thép phế liệu làm nguyên liệu chính, nhưng nếu kim loại nóng từ lò cao hoặc sắt khử trực tiếp có sẵn về mặt kinh tế, chúng cũng có thể được sử dụng làm nguyên liệu cho lò

1.3 Phân loại các loại lò 1.3.1 Lò điện trở

Hình 1.3 Lò điện trở

Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt (dây điện trở) Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lưu và truyền nhiệt dẫn nhiệt, nhiệt năng được chuyển tới các vật liệu gia nhiệt Lò điện trở thường dùng để nung, nhiệt luyện, nấu chảy kim loại màu và hợp kim màu,

*Ưu điểm:

 Có khả năng tạo được nhiệt độ cao

 Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao

 Đảm bảo nung đều và chính xác do nhiệt độ được điều khiển bằng điện

 Đảm bảo độ kín cần thiết

 Có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa trong quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyển sản phẩm

 Đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh, vận hành thuận tiện, thiết bị gọn nhẹ

*Nhược điểm:

 Tiêu thụ nhiều điện năng

 Nếu lò có công suất lớn thì phải có tính toán chọn các thiết bị bảo vệ, vận hành dài hạn hợp lí

 Yêu cầu người vận hành phải có chuyên môn 1.3.2 Lò cảm ứng

Hình 1.4 Lò cảm ứng

Lò cảm ứng dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ Khi đặt một khối kim loại vào trong một từ trường biến thiên thì trong khối kim loại sẽ xuất hiện ( cảm ứng ) các dòng điện xoáy ( dòng Foucalt ) Nhiệt năng của dòng điện xoáy sẽ đốt nóng khối kim loại

*Ưu điểm:

 Không sử dụng điện cực carbon, carbon không được thêm vào trong quá trình nấu chảy, do đó thép và hợp kim có hàm lượng carbon rất thấp có thể được nung chảy

 Không có vũ khí, sự phân hủy khí ở vùng nhiệt độ cao của hồ quang có thể tránh được, và do đó thép có hàm lượng khí thấp hơn có thể bị nóng chảy

 Việc điều chỉnh công suất và nhiệt độ rất đơn giản và thuận tiện, phạm vi của nó rộng, có thể kiểm soát chính xác nhiệt độ cần thiết cho kim loại

 Hoạt động khuấy điện của thép nóng chảy trong nồi nấu kim loại làm tăng tốc độ phản ứng luyện kim giữa thép nóng chảy và xỉ, và có thể thúc đẩy loại bỏ các vùi và khí phi kim loại, và cũng có lợi cho sự đồng nhất hóa nhiệt độ và hóa học thành phần của thép nóng chảy

 Tốc độ phục hồi của các nguyên tố hợp kim cao Các nguyên tố hợp kim dễ bị oxy hóa có thể được thêm vào trong trường hợp thép nóng chảy được khử oxy tốt Diện tích bề mặt đơn vị của bể lò cảm ứng là nhỏ, do đó các yếu tố hợp kim ít bị đốt cháy và tỷ lệ thu hồi cao

 Nóng chảy có thể được thực hiện trong chân không hoặc trong một bầu không khí thuận lợi cho nấu chảy

*Nhược điểm:

 Xỉ không thể được làm nóng bằng cảm ứng, chỉ có thể được làm nóng bằng thép nóng chảy, do đó nhiệt độ xỉ thấp, không có lợi cho

phản ứng giữa giao diện xỉ thép

 Bức tường mỏng hơn, kết hợp với sự khuấy trộn và tuôn ra liên tục của dòng chảy kim loại, sự cọ rửa và xói mòn của xỉ, và sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa bên trong và bên ngoài bức tường, do đó tuổi thọ của nồi nấu kim loại ngắn, nói chung chỉ vài chục lần

1.3.3 Lò hồ quang

Lò hồ quang là lò lợi dụng nhiệt của ngọn lửa hồ quang giữa các điện cực hoặc giữa điện cực và kim loại để nấu chảy kim loại Lò điện hồ quang dùng để nấu thép hợp kim chất lượng cao

*Ưu điểm :

 Sử dụng thứ cấp các nguyên tố hợp kim thép phế liệu , nhiệt độ cao hồ quang có thể làm nóng chảy các nguyên tố hợp kim chịu lửa , có thể kiểm soát chính xác nhiệt độ lò

 Luyện thép bằng lò điện hồ quang có thể tái sử dụng các nguyên tố hợp kim trong thép phế liệu

 Nhiệt lượng sinh ra trong lò hồ quang điện giữa các điện cực bằng than chì và gang lỏng tỏa ra nhiệt độ 3000 độ C và dễ điều chỉnh

 Lò điện hồ quang có thể kiểm soát chính xác nhiệt độ của thép nóng chảy trong thời gian dài

 Quy trình lò điện hồ quang linh hoạt và có thể đáp ứng các yêu cầu của luyện kim loại nhỏ

 Luyện được thép có các thành phần khó nóng chảy như vonfram,

 Thành phần hóa học thống nhất (cải thiện hiệu quả lò hồ quang)

 Ít mất thời gian và năng lượng

 Tỷ trọng khối lượng lớn hơn so với phế liệu

 Hàm lượng Hydro và Nitơ trong thép giảm

 Hàm lượng cacbon cao so với phế liệu (giảm cacbon được đưa vào lò hồ quang)

 Ít đứt gãy cơ điện cực hơn so với phế liệu

 Năng lượng hóa học được cung cấp hiệu quả bởi cacbon chứa, thúc đẩy quá trình tan chảy nhanh hơn và tăng năng suất

*Nhược điểm :

 Thành phần hóa học không phù hợp

 Tăng tiêu thụ điện cực

 Vật liệu phản ứng cao (nguy cơ tự bốc cháy )

 Năng suất kim loại hầu hết thấp hơn do hàm lượng gang và oxy (FeO)

 Tường và mái lò hồ quang tiếp xúc với hồ quang 1.4 Lí do chọn lò hồ quang

Theo Hiệp hội Thép Việt Nam, để phát triển hệ thống sản xuất và phân phối thép giai đoạn đến 2020, có xét đến năm 2025 cần tập trung một số yêu cầu sau:

 Ưu tiên đầu tư các dự án sản xuất gang, phôi thép, thép tấm cán nóng, thép hợp kim, thép chất lượng cao, thép hình cỡ lớn, thép không gỉ hiện nay trong nước sản xuất chưa đáp ứng đủ nhu cầu hoặc chưa sản xuất được

 Chỉ thực hiện đầu tư các dự án sản xuất gang, phôi thép từ quặng sắt trên địa bàn sau khi đã xác định được trữ lượng tin cậy của nguồn quặng sắt, đảm bảo có đủ nguồn nguyên liệu ổn định, lâu dài (tối thiểu là 15 năm) và đảm bảo hiệu quả kinh tế của Dự án Đồng thời,

khai thác nguồn than mỡ trong nước; nhập khẩu than mỡ, than cốc đáp ứng đủ cho nhu cầu trong nước

 Các dự án sản xuất thép theo công nghệ EAF tiêu thụ nhiều điện năng, do vậy, để đảm bảo đủ nguồn điện cung cấp cho dự án, trước khi cấp phép đầu tư, Chủ đầu tư cần có thoả thuận của ngành điện nơi đặt nhà máy luyện thép

 Áp dụng công nghệ tiên tiến, hiện đại với suất tiêu hao nguyên liệu, điện năng thấp, đảm bảo các yêu cầu về phát thải, thân thiện với môi trường, lắp đặt hệ thống quan trắc tự động đối với khí thải

Ở đồ án này chúng ta tìm hiểu thiết kế điều khiển dịch cực lò hồ quang dung tích 12 tấn dùng nấu thép sử dụng thiết bị nâng hạ điện cực kiểu bàn trượt với sự dẫn động bằng động cơ điện

CHƯƠNG 2 LÒ HỒ QUANG

2.1 Cấu tạo lò hồ quang

Hình 2.1 Cấu tạo lò hồ quang

Thiết bị cơ khí lò điện hồ quang:

(1) Vỏ lò

Vỏ lò cần có độ bền cơ học cao, có khả năng chịu tải trọng của kim loại và áp lực giãn nở khi nung nóng, vỏ lò thường làm bằng thép tấm dày 10 ÷30mm bằng cách ghép hay hàn.Trong vỏ lò có xây vật liệu chịu lửa, vỏ thân lò thường có dạng hình trụ hình côn hoặc phối hợp trụ côn, đáy vỏ lò có thể là hình cầu, hình thang

(2) Cửa lò

Lò gồm hai cửa, cửa ra xỉ và cửa ra thép Cửa lò được đóng mở bằng khí nén thuỷ lực hoặc bằng động cơ điện

(3) Cặp điện cực

Trong lò điện cặp điện cực để giữ điện cực và dẫn dòng điện đến điện cực Nó gồm có các bộ phận: mặt đầu, cặp lò xo, khí nén và bàn trượt

(4) Nắp lò Được làm từ thép tấm có đầm vật liệu chịu lửa (5) Mắy rót thép

(6) Vành làm chặt Để làm giảm khe hở giữa điện cực và lắp lò (7) Thiết bị nghiêng lò

Tuỳ theo dung lượng lò mà chọn kiểu nghiêng lò cho thích hợp, đảm bảo nghiêng lò 40 ÷ 450 về phía rót thép và 10 ÷ 150 về phía cào xỉ và chất liệu, có hai kiểu nghiêng lò:

 Nghiêng lò bên hông: Loại này có ưu điểm là thiết bị đơn giản gọn gàng, khi mất điện có thể quay bằng tay, tránh được sự bám dính của xỉ và kim loại

 Nghiêng lò đặt dưới đáy: Loại này có ưu điểm là quay lò rất vững chắc, quay êm và đều, có thể tự động điều khiển hoàn toàn Loại này có nhược điểm là dễ rơi xỉ và kim loại vào động cơ điện Công việc bảo quản thiết bị khó khăn, phức tạp Tất cả các lò có dung tích trung bình và lớn đều có cơ cấu nghiêng lò loại 2

(8)Thiết bị cơ khí nâng hạ điện cực

Bình thường lò điện có 3 điện cực, tương ứng có 3 cơ cấu nâng hạ điện cực của 3 pha Khi động cơ quay sẽ làm cho tay quay kéo giây cáp, dây cáp sẽ nâng hoặc hạ điện cực lên hoặc xuống

Trong cơ cấu nâng hạ còn có đối trọng, nhờ có đối trọng mà tốc độ lên của điện cực luôn lớn hơn tốc độ xuống.Tuỳ theo loại lò mà tốc độ lên và xuống của điện cực cũng khác nhau

 Loại bàn trượt: Loại này thường dùng thích hợp cho lò có dung tích nhỏ, vì thiết bị đơn giản, dễ chế tạo nhưng có nhược điểm là do trụ đứng cần có chiều cao nhất định lên ảnh hưởng đến sự làm việc chung của cần trục trong phân xưởng

 Loại trụ xếp: Loại này dùng thích hợp cho những lò có dung tích lớn, có thể hạ thấp chiều cao khi cần thiết, kết cấu chắc chắn nhưng phức tạp

Ở đồ án này với lò dung tích 12 tấn dùng thiết bị nâng hạ điện cực kiểu bàn trượt với sự dẫn động bằng động cơ điện

(9)Ngoài ra đối với lò hồ quang nạp liệu từ trên cao còn có cơ cấu nâng quay vòm lò, cơ cấu nạp liệu

Trong các lò hồ quang có nồi lò sâu, kim loại lỏng ở trạng thái tĩnh có chênh nhiệt độ theo độ cao (khoảng 1000C/m) trong điều kiện đó để tăng cường phản ứng của kim loại và để đảm bảo khả năng nung nóng kim loại trước khi rót Cần phải khuấy trộn kim loại lỏng Ở các lò dung lượng nhỏ (dưới 6T) thì việc khuấy trộn thực hiện bằng tay qua cơ cấu cơ khí Với lò dung lượng trung bình (12 ÷ 50)T và đặc biệt lớn(100T và hơn) thì thực hiện bằng thiết bị khuấy để không những giảm lao động vất vả của thợ nấu mà còn nâng cao được chất lượng của kim loại nấu Thiết bị khuấy trộn kim loại lỏng thường là thiết bị điện từ có nguyên lý làm việc tương tự như động cơ không đồng bộ Rôto lồng sóc

(10)Cơ cấu làm mát cho lò

Vì trong quá trình nấu luyện kim loại thì nhiệt độ trong và xung quanh lò đạt rất cao do đó cần phải có thiết bị làm mát để giảm nhiệt độ và tăng tuổi thọ cho lò Làm nguội bằng nước yêu cầu cần có các bộ phận sau:

 Mặt đầu của cặp điện cực

 Ống dẫn điện

 Vành làm chặt giữa điện cực và nắp lò

 Tấm chắn cửa chính và cửa phụ

 Vòm cửa lò và cột của cửa làm việc

 Vành nắp lò

 Thân vỏ lò và trên lỗ rót thép

Ngoài ra còn cần làm nguội ở các ống mềm, phần dây cáp Hệ thống bơm nước làm mát tuần hoàn được thực hiện bằng một động cơ điện, nước được đi vào trong ống rồi tới lò

2.2 Luyện thép trong lò hồ quang 2.2.1 Nguyên vật liệu

Nguyên vật liệu chính để sản xuất thép lò điện là sắt thép vụn, phế liệu hợp kim, sắt công nghiệp (sắt mềm), gang luyện, chất tạo sỉ, chất khử oxy và hợp kim hoá( phụ gia kim loại) và chất tăng cacbon

Hình 2.2 Nguyên vật liệu để luyện thép

(1) Sắt thép vụn

 Phế phẩm thép ở các xưởng cơ khí, như phoi bào, phoi tiện

 Phế phẩm từ các xưởng đúc như vật liệu đúc hỏng, thép thừa khi đúc

 Đầu thừa ở các xưởng cán

 Các loại thép vụn hư hỏng khác như công cụ lao động, máy móc bị thải, vũ khí, đường day hư hỏng…

Hiện nay sắt thép vụn thiếu nên cần có cả gang để bổ xung thêm

(2) Phế liệu hợp kim

Dùng để luyện các loại thép hợp kim cùng nguyên tố hợp kim Sử dụng phế liệu hợp kim có một ý nghĩa rất lớn ngoài tác dụng nâng cao chất lượng của thép mà còn hạ giá thành của thép

(3) Sắt công nghiệp (sắt mềm)

Dùng để luyện một số loại thép yêu cầu cacbon thấp lượng nguyên tố hợp kim cao Do giá thành của sắt công nghiệp cao hơn sắt thép vụn bình thường nên người ta dùng để luyện những loại thép phổ thông

(4) Gang

Gang trong luyện thép lò điện làm nhiệm vụ tăng hàm lượng sắt và hàm lượng cacbon Ngoài ra do gang có nhiệt độ chảy thấp ( 1250÷13000c) Nên gang trong lò điện còn làm nhiệm vụ giúp cho các chất khó chảy khác ( thép vụn) trở nên dễ chảy hơn

(5) Chất tạo xỉ

Để tạo xỉ trong lò điện hay dùng các chất tạo xỉ sau

 Đá vôi (CaCO3): Đá vôi cho vào để tạo xỉ có độ kiềm thích hợp nhằm khử P và S Đá vôi có thể cho vào ở thời kỳ nấu chảy, thời kỳ oxy hóa, và cả thời kỳ hoàn nguyên, lượng cho vào tuỳ thuộc qúa trình công nghệ Dùng đá vôi có ưu điểm là độ bền cao, độ

 Cát: ở một số nhà máy người ta ít dùng cát với số lượng không lớn lắm để tạo xỉ hoàn nguyên

 Bột samot: Bột samot chứa gần 60% SiO2 và 35% Al2O3 Bột samot làm vật liệu tạo xỉ khi luyện thép không gỉ, để làm loãng xỉ manhezit mà nó được mang vào khi vá lò

(6) Chất oxy hóa

Mục đích cho các chất oxy hóa vào lò để:

 Tăng lượng oxy trong kim loại, chủ yếu ở thời kỳ nấu chảy và thời kỳ oxy hóa, nhằm mục đích tăng tốc độ khử phôt pho, cacbon, silic và Mangan do đó rút ngắn được thời gian oxy hóa các nguyên tố trên

 Tăng sự sôi trong nồi lò kim loại, do đó tạo điều kiện tốt cho việc khử khí (N2, H2 ) và tạp chất được triệt để, ngoài ra sự sôi còn làm cho thành phần và nhiệt độ kim loại được đồng đều Trong lò điện hay dùng các chất oxy hóa sau:

 Quặng sắt: Là chất oxy hóa rất quan trọng, vì vậy hầu hết các phương pháp luyện thép đều dùng quặng sắt làm chất oxy hóa, lượng quặng sắt dùng khoảng 40÷50kg/ 1tấn thép Yêu cầu đối với quặng sắt phải có hàm lượng oxy cao, hàm lượng SiO2 và P2O5 thấp, khi dùng quặng sắt làm chất oxy hóa có ưu điểm là sắt lắng sâu vào lòng kim loại và oxy ngay trong lòng kim loại giúp cho kim loại sôi mạnh, dùng quặng sắt rất kinh tế vì nó rất rẻ mà tăng được lượng sắt Dùng quặng sắt có nhược điểm là lượng xỉ nhiều vì trong quặng sắt ngoài oxit sắt ra còn có SiO2, Al2O3 và MnO Do đó tốn vôi để tạo xỉ, năng lượng điện lớn, công nhân làm việc vất vả nhất là khi cào xỉ Đồng thời khi cho quặng vào làm cho nhiệt độ dễ bị giảm

 Vẩy sắt: Vẩy sắt lấy từ xưởng rèn, xưởng cán, vẩy sắt có ít tạp chất, nhưng có nhược điểm là nhẹ cho vào lò sắt dễ dàng nổi trên mặt xỉ

 Oxy: Oxy được thổi vào lò ở thời kỳ nấu chảy hoặc có khi cả thời kỳ oxy hóa với lưu lượng 20m3/h, áp suất 9÷12atm, độ nguyên chất 99,8%

(7) Chất khử oxy

Trong lò điện để khử oxy còn lại trong kim loại lỏng khử các tạp chất có hại như S và P đồng thời hợp kim hoá thép người ta dùng các chất Ferô - mangan, Ferô -Silic, nhôm

(8) Chất tăng cacbon

Để tăng cacbon người ta dùng vụn điện cực và cốc để khử oxy của xỉ dùng bột cốc, bồ hóng, than gỗ Vật tăng cacbon rất tốt là bột điện cực vì nó chứa ít S, có trọng lượng riêng tương đối lớn vì vậy dễ hoà tan với kim loại

2.2.2 Chuẩn bị nguyên vật liệu mẻ luyện:

Tất cả nguyên liệu được tập kết ở bãi liệu sau đó đem cắt gọn, vệ sinh rồi vận chuyển vào phân xưởng luyện thép

Chuẩn bị quá trình luyện:

Quá trình luyện có thể chia làm các giai đoạn sau: Vá lò, chất liệu (chính), nấu chảy kim loại (chính), khử phốt pho, sôi và nung kim loại, cào xỉ oxy hóa, tăng cacbon, khử oxy, khử lưu huỳnh, điều chỉnh thành phần hoá học Một số trong các giai đoạn trên có thể tiến hành song song Giai đoạn khử phốt pho, sôi và nung kim loai, cào xỉ oxy hóa thuộc về thời kỳ oxy hóa, còn giai đoạn tăng cacbon khử oxy, khử lưu huỳnh, điều chỉnh thành phần hoá học thuộc về thời kỳ hoàn nguyên

(1) Vá lò

Sau khi rót thép song, đáy lò và tường lò bị lồi lõm do kim loại và xỉ bào mòn không đều trong quá trình nấu luyện, chỗ bị bào mòn nhiều thì bị lõm xuống, chỗ bị thép và xỉ bám dính do rót không hết thì lồi lên Do đó tường lò, đáy lò chóng bị hỏng Mặt khác những chỗ lồi lõm đó sẽ cản trở cho qua trình rót thép ra ở mẻ sau Để đảm bảo tuổi thọ đáy lò và tường lò cao, chất lượng thép tốt, trước khi bứơc vào luyện mẻ sau phải thực hiện vá lò

(2) Những yêu cầu khi vá lò

 Thời gian vá lò ngắn nhất để giảm tổn thất nhiệt và rút ngắn thời gian luyện Thời gian vá lò từ 7÷ 15phút tùy theo dung lượng lò

 Vật liệu vá lò không ảnh hưởng đến thành phần của thép luyện trong lò, vật liệu vá lò hay dùng là bột manhezit, bột đôlômit  Phương pháp vá lò là bằng tay (vá thủ công) được ứng dụng với các

lò nhỏ, hoặc vá lò bằng máy được ứng dụng với các lò lớn (3) Chất liệu

Kỹ thuật chất liệu có ảnh hưởng quyết định đến quá trình nấu chảy, sự cháy hồ quang và tuổi thọ lò Nếu chất liệu tốt thì quá trình nấu chảy sẽ nhanh hồ quang cháy đều và ổn định, năng suất lò tăng, tuổi thọ lò cao Tuỳ theo phương pháp chất liệu mà thời gian chất liệu cũng khác nhau Đối với lò lớn thời gian chất liệu trong khoảng 15÷20phút và lò nhỏ 10÷15phút khi chất liệu bằng máy thì thời gian chất liệu giảm xuống 5÷ 10phút, đặc biệt chất liệu bằng thùng từ trên xuống thì thời gian chất liệu rút ngắn chỉ 3÷ 5phút

 Nguyên tắc chất liệu và thứ tự chất liệu

 Nguyên liệu khó chảy, có kích thước lớn thì chất ở vùng dưới 3 điện cực, vì đấy có nhiệt độ cao nhất (19000÷20000 ) Liệu mỏng, bé, nhẹ dễ chảy, dễ bay hơi thì chất ở vùng hông lò (xa

3 điện cực) Chất như vậy liệu sẽ cháy đều và nhanh, hồ quang cháy mạnh, đều và ổn định tổn thất nhiệt ít

 Người ta chất một lớp liệu nhỏ vụn và vôi xuống đáy lò nhằm mục đích tạo ra một lớp đệm dưới đáy lò, để hạn chế sự va chạm của những cục liệu lớn vào đáy lò khi chất liệu, nhất là khi chất liệu bằng thùng từ trên suống Mặt khác lớp đệm đó sẽ ngăn cản tia hồ quang xuyên sâu xuống đáy lò làm hư hỏng lò

 Phương pháp cho chất liệu vào lò

Có 3 phương pháp chất liệu vào lò hồ quang như sau

 Phương pháp chất liệu bằng tay: Dùng cho lò nhỏ nó có ưu điểm là đơn giản, chất đều và có nhược điểm là liệu chất không được đầy lò, thời gian chất liệu lâu, thao tác chất liệu vất vả

 Phương pháp chất liệu bằng máy qua cửa lò: Dùng cho lò trung bình và lớn nó có ưu điểm là năng suất chất cao, chất được đầy lò, nhưng có nhược điểm là chất không đều, máy chất liệu chạm vào cửa lò và tường lò làm hỏng chúng

 Phương pháp chất liệu bằng thùng từ trên xuống: Dùng cho lò trung bình và đặc biệt là thích hợp cho lò lớn Năng suất chất rất cao, chất đều và đầy lò, chất liệu rất an toàn Nhưng chất liệu bằng pháp này rất phức tạp cần nhiều thiết bị khác hỗ trợ như quay nắp lò, cầu trục Ngoài ra chất bằng thùng từ trên xuống dễ làm hỏng tường và đáy lò khi liệu va vào lò

2.2.3 Quá trình nấu luyện

Sau khi đã thực hiện xong quá trình chất liệu thì thực hiện thao tác đóng điện cho lò Quá trình nhiệt trong lò diễn ra như sau:

(1) Thời kì nấu chảy

Thời kỳ nấu chảy là thời kỳ rất quan trọng quyết định năng suất của lò vì đây là thời kỳ dài nhất Nhiệm vụ chủ yếu của thời kỳ này là biến liệu rắn trong lò thành lỏng để dễ dàng oxy hóa các tạp chất và oxy hóa một phần các tạp chất

Thời gian nấu chảy phụ thuộc vào bản chất nguyên liệu, công suất máy biến thế và vào dung lượng lò Đối với lò nhỏ thời gian nấu chảy là 1 giờ 15 phút đến 1 giờ 45 phút Đối với lò lớn từ 1 giờ 30 phút đến 2 giờ 45 phút Sau khi chất liệu vào lò xong, bắt đầu đóng cầu dao cấp điện vào lò Các điện cực từ từ hạ xuống gần liệu rắn, ở vùng dưới 3 điện cực dần dần chảy lỏng và hình thành 3 hố sâu Do đó điện cực lại tiếp tục hạ xuống dần dần và làm chảy tiếp những phần liệu gần điện cực làm cho 3 hố sâu đó dần dần rộng và sâu hơn

Sau 30 phút điện cực đã xuống đến vị trí thấp nhất (vị trí này được xác định bởi kim loại lỏng chứa trong lò) và coi như dừng lại cách mặt kim loại lỏng một khoảng nhất định, khoảng cách này phụ thuộc vào điện thế thứ cấp máy biến áp

Hình 2.3 Quá trình nấu luyện

Hố kim loại bây giờ rộng dần do kim loại xung quanh điện cực lần lượt nóng chảy, do đó mặt kim loại lỏng dâng cao dần và điện cực có xu hướng đi lên theo mức dâng của kim loại lỏng Sau gần hai giờ thì không có nó nữa mà kim loại rắn hầu như hoàn toàn biến thành kim loại lỏng

Trong thời kỳ nấu chảy thường xảy ra một số hiện tượng sau:

 Lúc đầu hồ quang cháy trên mặt liệu rắn nên phát ra tiếng kêu Tiếng kêu đó phụ thuộc vào điện thế thứ cấp máy biến áp và vào tính chất của liệu trong lò

 Ngọn lửa lộ ra khỏi nắp lò và cửa lò dài và có màu nâu sẫm (do cháy sắt và khói) sau đó lửa chuyển sang màu nâu nhạt (do cháy Si, Mn, P) rồi chuyển dần màu trắng đục và trắng (do có C cháy)  Sau gần 2 giờ thì toàn bộ kim loại nhỏ và trung bình đã cháy xong còn lại một ít liệu lớn chưa chảy hết nằm ở hai bên hông lò Người ta thực hiện khuấy trộn kim loại để làm mất vùng “chết” (liệu chưa chảy) trong lò và làm cho nhiệt độ, thành phần kim loại được đồng đều

 Cuối thời kỳ nấu chảy thường thấy xỉ trào lên cửa lò, điều đó chứng tỏ xỉ hình thành tốt và với số lượng lớn Lúc này nếu xỉ không chảy ra khỏi lò thì có thể nhìn bằng mắt qua cửa lò để phán đoán tình hình xỉ tốt hay xấu rồi quyết định cho thêm chất tạo xỉ hoặc cào xỉ và tạo xỉ mới

 Thời kỳ nấu chảy là thời kỳ hồ quang cháy bất ổn định nhất, vì vậy vấn đề điều chỉnh diện thế hồ quang ở thời kỳ này là rất quan trong và cần thiết Nhiệt độ kim loại cuối thời kỳ nấu chảy khoảng 14800 ÷15200.

(2) Thời kỳ oxy hóa

Tiếp theo thời kỳ nấu chảy là đến thời kỳ oxy hóa, đến thời kỳ này có nhiệm vụ làm giảm hàm lượng P trong kim loại đến nhỏ hơn 0,015%, giảm hàm lượng hiđrô các tạp chất phi kim, tạo môi trường oxy hóa mạnh và nâng nhiệt độ kim loại cao hơn nhiệt độ ra thép Đồng thời xảy ra quá trình oxy hóa C , Mn, Si, Cr và các nguyên tố khác

Sau khi lấy mẫu kim loại đầu tiên người ta cào xỉ (không cắt điện) với số lượng 60÷70 % tổng lượng xỉ có trong lò hay lớn hơn nữa tuỳ theo yêu cầu của mác thép Trong xỉ lần đầu này chứa rất nhiều P bị oxy hóa từ thời kỳ nấu chảy Để cào xỉ người ta nghiêng lò về phía của xỉ một góc 10÷ 120

Sau khi cào xỉ xong, chất thêm vôi vào lò với số lượng(1 ÷ 5)% so với trọng lượng mẻ nấu và một ít huỳnh thạch, samot để tạo xỉ Do phản ứng khử cacbon mà trong nồi lò sinh ra sự sôi rất mãnh liệt làm cho xỉ dâng lên và tự chảy qua cửa lò Đến cuối thời kỳ oxy hóa ( hàm lượng C trong kim loại nhỏ hơn hàm lượng C quy định của mác thép 0,02÷ 0,03% Nhiệt độ kim loại cao hơn nhiệt độ ra thép một ít ) người ta tiến hành cào xỉ oxy hóa Để nhệt độ kim loại không bị giảm nhiều, đầu tiên người ta cào xỉ nhưng không cắt điện, sau đó nâng điện cực lên rồi cào nhanh cho hết tất cả xỉ còn lại Điều này rất quan trọng, vì nếu không trong thời kỳ hoàn nguyên P từ xỉ còn lại sẽ bị hoàn nguyên hoàn toàn và chuyển vào kim loại

Nếu xỉ quá lỏng trước khi cào xỉ có thể cho thêm một ít vôi

Các phản ứng oxy hóa như sau:

Tóm lại có thể nói rằng thời kỳ oxy hóa là quan trọng vì vậy không thể thiếu được khi luyện bất kỳ loại thép nào trong lò điện từ nguyên vật

liệu không bình thường, đặc biệt ở các nhà máy chúng ta mẻ luyện nhiều gang (40 ÷60%), do đó thời kỳ oxy hóa là tối cần thiết

(3) Thời kỳ hoàn nguyên

Thời kỳ hoàn nguyên tiếp sau thời kỳ oxy hóa Nhiệm vụ của thời kỳ hoàn nguyên là:

 Khử oxy ra khỏi kim loại  Khử lưu huỳnh

 Điều chỉnh thành phần hoá học của thép đến thành phần mác thép quy định

 Điều chỉnh nhiệt độ kim loại với mục đích tạo điều kiện thuận lợi cho việc khử oxy và tạp chất phi kim ra khỏi thép và rót thép

 Tạo xỉ khử oxy tốt, độ kiềm cao, tính chảy lỏng tốt để gia công kim loại

 Hợp kim hóa thép, sau khi cào xỉ oxy hóa xong, bắt đầu hạ công suất điện đến mức thấp hơn, vì trong thời kỳ hoàn nguyên nhiệt độ kim loại đã cao, yêu cầu hồ quang cháy êm và tỏa khắp mặt kim loại để tạo điều kiện thuận lợi cho viêc khử S và O2 Môi trường lò điện ở thời kỳ này là môi trường hoàn nguyên, đó là một điểm khác cơ bản đối với các loại lò luyện thép như lò chuyển, lò máctanh

Để đảm bảo hiệu suất khử oxy tốt và tiết kiệm chất khử oxy, trong quá trình khử nên lần lượt cho vào lò từ chất khử yếu đến chất khử mạnh Thường thường đầu tiên cho ferômangan để khử oxy sơ bộ sau cho ferôsilic hoặc bột huỳnh thạch và cuối cùng cho nhôm vào để khử triệt để O2 Khử

của oxy trong thép sẽ làm giảm cơ tính của thép làm tăng tác dụng sấu của lưu huỳnh gây ra thiên tính Trong quá trình đúc, oxy tác dụng với cacbon tạo ra các bọt khí CO nằm trong thép làm giảm chất luợng của thép vì vậy trong bất kỳ quá trình luyện nào cũng không được bỏ qua nhiệm vụ khử 2Al + 3FeO = Al2O3

Có 3 phương pháp khử oxy chủ yếu là khử Iâng, khử khuếch tán và khử phức hợp Kết thúc thời kỳ hoàn nguyên cũng chính là lúc kết thúc quá

trình luyện thép, chuẩn bị thực hiện rót thép và đúc thép 2.3 Thông số thiết kế cho một lò nhiệt

2.3.1 Yêu cầu công suất điện trong quá trình nấu luyện (1)Thời kỳ nấu chảy

Trong thời kỳ này yêu cầu công suất điện đưa vào lò cực đại

𝐏𝐦𝐚𝐱 = (𝟏, 𝟐𝟓 ÷ 𝟏, 𝟑)𝐏𝐭𝐛

Trong đó: Ptb là công suất trung bình, Ptb = (0,7 ÷ 0,75)Pđm Khi mới cho điện vào lò hồ quang cháy trên mặt liệu rắn gần nắp lò Cho nên ở đầu thời kỳ nấu chảy(5 ÷ 10)phút nên dùng công suất nhỏ hơn công suất cực đại, sau khi liệu đã bắt đầu chảy thành 3 hố, mới cho phép tăng dần đến giá trị cực đại Cuối thời kỳ nấu chảy, công suất giảm dần xuống bằng giá trị trung bình

Đồ thị P(t):

Hình 2.4 Đồ thị công suất hữu công tiêu thụ ở lò hồ quang

(2)Thời kỳ oxy hóa

Tuỳ theo phương pháp luyện mà chọn công suất cho lò cao hay thấp Nấu luyện có giai đoạn sôi ở đầu thời kỳ oxy hóa cần tạo xỉ nhiều nên yêu cầu công suất điện phải lớn và bằng công suất trung bình Cuối thời kỳ oxy hóa khi đã tạo xỉ xong yêu cầu công suất điện nhỏ hơn công suất trung bình

(4) Thời kỳ hoàn nguyên

Trong thời kỳ này nhiệt độ của kim loại, tường và nắp lò đã cao và tương đối ổn định, vì vậy công suất điện không lớn lắm nhưng yêu cầu ổn định nghĩa là công suất nhỏ hơn công suất trung bình

Tuỳ theo phương pháp luyện thép và mác thép mà cần chọn chế độ điện cho lò trong thời kỳ hoàn nguyên

2.3.2 Yêu cầu đối với điện cực

Dòng điện đi vào khoảng không nóng chảy của lò hồ quang theo các điện cực Nhờ điện cực mà điện năng biến thành nhiệt năng nấu chảy kim loại, do đó chất lượng của điện cực và phương pháp dẫn dòng điện đến nó có ý nghĩa lớn Giá thành điện cực chiếm 10% chi phí nấu luyện một tấn

Trong lò hồ quang hay dùng 2 loại điện cực: Điện cực than và điện cực grafit

Trong quá trình làm việc điện cực thường bị mòn do bị oxy hóa bởi khí lò và bay hơi do sự cháy của hồ quang do đó điện cực ngắn dần nên cần phải nối điện cực bằng ren.Yêu cầu đối với điện cực:

 Độ dẫn điện và độ bền cơ học phải cao, để giảm tổn thất năng lượng điện và hạn chế sự hư hỏng của điện cực khi làm việc

 Nhiệt độ bắt đầu bị oxy hóa ở không khí phải cao để giảm chi phí điện cực do bị oxy hóa và tăng chất lượng của thép

 Tạp chất có trong điện cực phải ít, nhất là tro và lưu huỳnh

 Giá thành thấp và dễ sản xuất

2.3.3 Yêu cầu và tính chất của hồ quang Yêu cầu

 Hồ quang phát ra phải mạnh

 Hồ quang cháy phải bền và liên tục trong quá trình nấu luyện để đảm bảo cháy liệu nhanh, tiết kiệm điện và an toàn thiết bị lò

Tính chất

 Sự gián đọan của hồ quang: Hồ quang có thể sinh ra từ dòng điện một chiều và xoay chiều, nhưng trong lò điện luyện thép hầu hết đều dùng dòng điện xoay chiều Đối vời nguồn xoay chiều do điện áp biến thiên hình sin nên làm cho hồ quang bị gián đoạn.Hồ quang cháy phải bền và liên tục trong quá trình nấu luyện để đảm bảo cháy liệu nhanh, tiết kiệm điện và an toàn thiết bị lò

 Sự thay đổi của hồ quang: Trong quá trình nấu luyện khoảng cách giữa điện cực và bề mặt kim loại luôn thay đổi do đó làm

cho hồ quang thay đổi theo

2.3.4 Yêu cầu trang bị điện cho lò hồ quang Mục đích điều chỉnh hồ quang

Cải thiện điều kiện lao động của công nhân, muốn vậy phải ứng dụng loại máy dịch điện cực có khả năng điều chỉnh tự động hoàn toàn

Tiết kiệm năng lượng điện, tận dụng hết công suất máy biến thế lò Muốn vậy phải sử dụng thiết bị tự động dịch điện cực có độ nhạy cao, thoả mãn với điều kiện kỹ thuật

Đảm bảo thời gian nấu luyện nhanh nhất, muốn vậy phải giảm mọi thời gian phụ

Yêu cầu điều chỉnh hồ quang

Các lò hồ quang nấu luyện kim loại đều có các bộ điều chỉnh tự động việc dịch điện cực vì nó cho phép giảm thời gian nấu luyện, nâng cao năng suất lò, giảm suất chi phí năng lượng, giảm thấp cacbon cho kim loại, nâng cao chất lượng thép, giảm dao động công suất khi nấu chảy, cải thiện điều kiện lao động

Điều chỉnh công suất lò hồ quang có thể thực hiện thay đổi bằng cách thay đổi điện áp ra của BAL hoặc bằng sự dịch chuyển điên cực để thay đổi chiều dài ngọn lửa hồ quang và như vậy sẽ thay đổi được điện áp hồ quang, dòng điện hồ quang và công suất tác dụng của hồ quang Về nguyên tắc, việc duy trì công suất lò hồ quang có thể thông qua việc duy trì một trong các thông số sau: Dòng điện hồ quang Ihq, điện áp hồ quang Uhq, tỉ số giữa điện áp và dòng điện hồ quang, tức là tổng trở về thời kỳ Zhq =Uhq

Ihq

Bộ điều chỉnh duy trì dòng hồ quang không đổi (Ihq là hằng số) sẽ không mồi hồ quang tự động được Ngoài ra, khi dòng điện trong một pha nào đó thay đổi sẽ kéo theo dòng điện trong hai pha còn lại thay đổi Ví dụ : Khi hồ quang trong một pha bị đứt thì hồ quang làm việc như phụ tải một pha với hai pha còn lại nối tiếp vào điện áp dây Lúc đó các bộ điều chỉnh hai pha còn lại sẽ tiến hành hạ điện cực mặc dù không cần việc đó

Các bộ điều chỉnh loại này chỉ dùng cho lò hồ quang một pha và chủ yếu dùng trong lò hồ quang chân không

Bộ điều chỉnh duy trì điện áp hồ quang không đổi (Uhq=const) có khó khăn trong việc đo thông số này Thực tế cuộn dây đo được nối giữa dây kim loại của cửa lò và thanh cái thứ cấp BAL, do vậy điện áp đo phụ thuộc vào dòng tải và sự thay đổi dòng của một pha sẽ ảnh hưởng tới hai pha còn lại như đã trình bày đối với bộ điều chỉnh dữ Ihq=const

Phương pháp tốt nhất là dùng bộ điều chỉnh duy trì Zhq =Uhq

Ihq = const thông qua các hiệu số tín hiệu dòng và áp: a Ihq− b Uhq = b Ihq(Z0hq− Zhq) (∗)

Trong đó: a,b là hệ số phụ thuộc hệ số các biến áp đo lường (biến dòng, biến điện áp) và điện trở điều chỉnh trên mạch (thay đổi bằng tay khi chỉnh định) a = b Z0hq

Z0hq và Zhq giá trị đặt và giá trị tổng trở của hồ quang.Từ (*) ta có: a Ihq− b Uhq

b Ihq = Z0hq− Zhq = ∆Zhq

Như vậy việc điều chỉnh thực hiện theo độ lệch của tổng trở hồ quang so với giá trị đặt (điều chỉnh vi sai) Phương pháp này dễ mồi hồ quang, duy trì được công suất, ít chịu ảnh hưởng của giao động điện áp nguồn cũng như ảnh hưởng lẫn nhau giữa các pha Mỗi giai đoạn làm việc của lò hồ quang (nấu chảy, oxy hoá, hoàn nguyên) đòi hỏi một công suất nhất định mà công suất này lại phụ thuộc chiều dài ngọn lửa hồ quang Như vậy điều chỉnh dịch điện cực tức là điều chỉnh chiều ngọn lửa hồ quang do đó điều chỉnh được công suất lò hồ quang Đó là nhiệm vụ cơ bản của các bộ điều chỉnh tự động các lò hồ quang và cũng là công việc chính của đồ án này Các yêu cầu chính đề ra cho một bộ điều chỉnh công suất lò hồ quang này là:

 Đủ nhạy để đảm bảo chế độ làm việc đã cho của lò, duy trì dòng điện hồ quang không tụt quá (4÷5)% trị số dòng điện làm việc Vùng không nhạy của bộ điều chỉnh không quá ±(2÷4)% trong các giai đoạn khác

 Tác động nhanh đảm bảo khử ngắn mạch hay đứt hồ quang, trong thời gian (1,5÷3)giây, điều đó sẽ làm giảm số lần ngắt máy cắt chính quá hai lần trong giai đoạn nấu chảy đảm bảo yêu cầu này nhờ tốc độ dịch điện cực nhanh tới (2,5÷ 3)m/h trong giai đoạn nấu chảy(khi dùng truyền động điện cơ) và (5÷6)m/h khi dùng truyền động thuỷ lực Dòng điện hồ quang càng lệch xa trị số đặt thì tốc độ dịch cực càng phải nhanh, thời gian điều chỉnh ngắn  Hạn chế tối thiểu sự dịch cực không cần thiết như khi chế độ làm

việc bị phá vỡ trong thời gian rất ngắn (vài phần giây) hay trong chế độ thay đổ tính đối xứng.Yêu cầu này càng cần đối với lò 3 pha không có dây trung tính Chế độ hồ quang của một pha nào đó bị phá huỷ sẽ dẫn theo phá huỷ chế độ hồ quang của các pha còn lại Điện cực các pha còn lại đang ở vị trí chuẩn cũng có thể bị dịch chuyển Do vậy mỗi pha cần có hệ điều chỉnh độc lập để sự làm việc của nó không ảnh hưởng tới chế độ làm việc của các pha khác

 Thay đổi công suất lò bằng phẳng trong giới hạn (20÷125)% trị số định mức với sai số không quá 5%

 Có thể chuyển đổi nhanh từ chế độ điều khiển tự động sang chế độ điều khiển bằng tay do phải thực hiện thao tác phụ nào đó chẳng hạn nâng điện cực trước khi chất liệu vào lò và ngược lại, chuyển nhanh về chế độ điều khiển tự động

 Tự động châm lửa hồ quang khi bắt đầu làm việc và sau khi hồ quang bị đứt Khi ngắn mạch thì việc nâng điện cực lên không

 Dừng mọi điện cực khi mất điện lưới 2.4 Phương án cung cấp điện và điều khiển

Trước đây người ta thường dùng loại máy điều chỉnh bằng hơi nước có áp suất cao, bằng dầu Nói chung các loại máy này có cấu tạo phức tạp, chiếm nhiều diện tích trên mặt bằng, độ chính xác không cao Sau đó người ta dùng loại máy điều chỉnh bằng điện, trong đó phổ biến nhất là loại điều chỉnh tự động dùng hệ MĐKĐ - Đ loại này có nhược điểm là cần công suất đặt lớn, gây tiếng ồn, điện cực vẫn còn dao động Hiện nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật chất bán dẫn ngày càng được sử dụng phổ biến do đó các hệ cũ được thay bằng các hệ T - Đ

Hệ gồm đối tượng điều chỉnh 6(lò hồ quang )và bộ điều chỉnh visai, bộ điều chỉnh gồm các phần tử cảm biến dòng 1 và áp 1', phần tử so sánh 3, bộ khuếch đại 4, cơ cấu chấp hành 5 và thiết bị đặt 2 Trên phần tử so sánh có 2 tín hiệu từ đối tựng điều chỉnh tới (tương ứng tỷ lệ với dòng và áp hồ quang) và một tín hiệu từ thiết bị đặt tới

Hình 2.5 Sơ đồ chức năng hệ điều chỉnh công suất lò hồ