CUPTOARE CU ARC ELECTRIC Topirea metalelor în cuptoarele cu arc electric se bazează pe cantitatea de căldură dezvoltată în arcul electric şi transmisă prin radiaţie şarjei. Arcul electric arde între electrozi solizi şi lichizi (metalul topit), într-un mediu gazos ionizat, în prezenţa unei tensiuni electrice corespunzătoare. 5.1. Clasificare şi domenii de utilizare Din punct de vedere al utilizării cuptoarele cu arc electric se clasifică în: 1. cuptoare pentru elaborarea oţelurilor, 2. cuptoare cu arc electric în vid 3. cuptoare electrice pentru reducere cu arc şi rezistenţă 4. cuptoare pentru reducere sub strat de flux Cuptoarele pentru elaborarea oţelurilor sunt alimentate, în general, în curent alternativ trifazat. Arcurile electrice se stabilesc între electrozi şi şarjă, cuptorul reprezentând un consumator trifazat cu conexiunea stea având neutrul izolat. Cuptoarele cu arc destinate elaborării oţelurilor prezintă următoarele avantaje: construcţie robustă; flexibilitate din punct de vedere al materialului încărcăturii; capacităţi foarte mari (400 tone) şi productivitate între 2 şi 10 t/h; regimul tehnologic este reglat automat şi condus de calculator; consumul specific de energie este în limitele 500...650 kWh/t Principalele dezavantaje ale acestor cuptoare sunt: • solicitare termică puternică a capacului şi pereţilor cuptorului datorită radiaţiei arcurilor electrice; • variaţie mare de putere între faza de topire şi cea de afinare (40...100% din puterea nominală); • factor de putere scăzut • este un consumator trifazat dezechilibrat care produce şi regim deformant; • baia de metal topit are o agitaţie redusă; • în timpul fazei de topire, se dezvoltă un zgomot ce atinge90 -120 dB, iar cantitatea de praf ajunge la 20 kg pentru fiecare tonă de oţel. Cuptoarele cu arc electric destinate elaborării oţelurilor sunt concurate de cuptoarele de inducţie cu creuzet, în domeniul capacităţilor mici până la 12 tone. Cuptoarele cu arc electric în vid, alimentate cu curent continuu, sunt utilizate pentru obţinerea metalelor de înaltă puritate, prin retopire. Cuptoarele electrice pentru reducere cu arc şi rezistenţăe, alimentate cu curent alternativ, reprezintă o încălzire combinată prin arc electric şi rezistenţă, fiind destinate obţinerii feroaliajelor şi altor produse din oxizi. Cuptoarele pentru topire sub strat de flux (în c.a.) permit obţinerea oţelurilor aliate şi a altor aliaje metalice, de foarte bună calitate. 5.2Arcul electric Arcul electric reprezintă o descărcare electrică autonomă, caracterizată printr-o mare densitate de curent stabilită la valori reduse ale tensiunii pe arc. Descărcarea autonomă în gaze sau vapori metalici, este determinată de: •ionizarea continuă (termoelectrică) a acestora, produsă de electronii emişi de electrozii încălziţi prin trecerea curentului electric (emisia termoelectrică); •aplicarea unei tensiuni de aprindere Uap, dependentă de natura gazului sau a vaporilor metalici şi de distanţa dintre electrozi. Temperatura în coloana arcului ajunge la aproximativ 6000K şi creşte cu presiunea, iar la electrozi are valori între 3000K şi 5000K. 5.2.1. Caracteristicile tensiune – curent ale arcului electric Caracteristicile tensiunii arcului în funcţie de curentul electric prin el pot fi statice şi dinamice. Caracteristica statică a arcului U a = f (I a ), reprezintă totalitatea punctelor de echilibru staţionar pe care le poate luadescărcareaîn arc, sereferălaarculde curentcontinuu şi areoalură descrescătoare(fig.1a); încurentalternativ ,ea reprezintă variaţia valorilor eficace ale tensiunii şi curentului arcului. Mărirea distanţei l dintre electrozi determină o creştere a tensiunii pe arc, la aceeaşi valoare a curentului. Caracteristica dinamică U a = f (i a ), depinde de variaţia rapidă a curentului alternativ, care nu mai este urmărită fidel de tensiune, în special la curenţi mici, datorită înerţiei termice a descărcării, ceea ce se reflectă prin tensiuni diferite pe arc, la caceeaşi valoare a curentului (fig. 1.b). În figură se observă proprietăţile arcului de curent alternativ: -curentul trece de două ori prin valoarea zero în timpul unei perioade de variaţie a tensiunii, adică arcul se aprinde la valoarea U ap şi se stinge la valoarea U st , de 2f ori pe secundă, f (în Hz) fiind frecvenţa tensiunii de alimentare. -arculelectricreprezintăorezistenţăneliniară,ceeacedeterminăvariaţianesinusoidalăîntimpatensiuniişi curentului. a) b) Fig. 5.1.Caracteristicile tensiune curent ale arcului electric: a-statică, b-dinamică 5.2.2. Stabilitatea arcului electric Prin stabilitatea arculuielectricseînţelegeaprindereaacestuiadupătrecereacurentuluielectricprin zeroşi limitareacreşteriicurentuluidatorităaluriidescrescătoareacaracteristiciistaticeaarcului.Latrecereacurentuluiprin zero, temperatura spaţiului arcului se micşorează, ceea ce conduce la deionizarea acestuia. Pentru reaprinderea arcului se impune ca tensiunea us, variabilă în timp, a sursei de alimentare să depăşească valoarea tensiunii de aprindere Uap. u s > U ap (5.1) Dacăaceastăcondiţieesteîndeplinităînmomentulstingeriiarcului,aceastasevareaprideimediat,încaz contrar va trece un interval de timp, în care curentul prin arc va avea valoarea zero. Odată cu mărirea acestei pauze efectul deionizant este accesntuat şi Uap va creşte. Arcul electric în serie cu un rezistor Arcul electric poate fi considerat, într-o primă aproximaţie, ca o rezistenţă variabilă Ra, exprimând comportarea acestora între cele două regimuri limită: la scurtcircuitul electrozilor Ra = 0 şi la stingerea Ra = Pentru circuitul din fig.5.2 a, conform teoremei a II- a Kirchhoff [5.2]: · u s = Ri + u a (5.2) a b Fig.5.2. Arcul electric în serie cu un rezistor În decursul unei durate de timp mai scurtă decât t1, (fig.5.2b) arcul electric este stins [5.2]. În momentul t1, tensiunea sursei ajunge egală cu cea de aprindere a arcului, us = Uap, ceea ce determină aprinderea acestuia. În intervalul de timp t2, tensiunea pe arc se poate considera constantă, deoarece curentul prin arcul cuptorului are valori foarte ridicate. În momentul t3 se va produce stingerea arcului, deoarece ua < Ust. Arcul electric în serie cu un rezistor, va arde cu pauze, având efecte nefavorabile asupra stabilităţii acestuia; Datorită deformării pronunţate a tensiunii şi curentului arcului, factorul de putere va fi relativ scăzut. Arcul electric în serie cu bobina L Ecuaţia circuitului din fig. 3a este dată de ec. (5.3): a s u dt di L u + · = (5.3) Datorită inductivităţii L a bobinei, curentul prin arc este defazat în urma tensiunii dealimentare u s cu unghiul (fig. 5.3b). a b Fig. 5 3. Arcul electric în serie cu obobină Arcul electric în serie cu un rezistor R şi o bobină L Acesta este situaţia reală a cuptorului cu arc. Ecuaţia circuitului din fig. 5.4a este [5.1]: a s u dt di L i R u + + · = (5.4) În figurile 5.4a şi 5.4b, se observă influenţa pozitivă a bobinei asupra stabilităţii arderii arcului electric şi cea negativăa rezistenţei. La o valoare suficient de mare a inductivităţii bobinei, se poate ajunge la un defazaj potrivit între us şi i, astfel încât atunci când curentul trece prin zero, conform relaţiei (5.1). a b c Fig . 5.4. Arcul electric în serie cu o bobină şi o rezistenţă s Sedemonstreazăcătrecereacontinuăacurentuluiprintr-unarcelectricesteposibilăprintr-unfactorde putere cos 0,85, corespunzător unei tensiuni a sursei (în valoare eficace), a sM s U U U 4 , 1 2 > = (5.5) În cuptoarele electrice cu arc, stabilitatea există şi în cazul în care relaţia anterioară nu este satisfăcută, deoarece electrozii sunt încălziţi şi spaţiul arcului este puternic ionizat, ceea ce împiedică deionizarea pe durata pauzelor de curent. Bobina înseriată cu arcul electric are un efect pozitiv şi asupra limitării curentului electric prin arc. 5.3. Reglarea automată a cuptoarelor electrice cu arc În timpul funcţionării cuptorului electric cu arc, pentru ca puterea dezvoltată în arc să aibă valoarea impusă, este necesar ca distanţa dintre electrozi şi încărcătura solidă sau baia de metal topit să fie menţinută constantă. Această distanţă şi deci lungimea arcului este impusă de tensiunea şi curentul prin arc, de temperatura şi gradul de ionizare al spaţiului de topire. Indicatorii energetici ai cuptoarelor cu arc depind în foarte mare măsură de curentul prin arc. Variaţiile acestui curent sunt produse de modificările regimului de funcţionare, care pot fi [5.6]: •lente, datorită arderii electrozilor, ridicării treptate a nivelului băii metalice, variaţiei temperaturii şi rezistenţei arcului la lungime constantă; •rapide, cauzate de surparea încărcăturii, care conduce la scurtcircuite sau întreruperi ale arcului; c) Fig.5.5.Sistemdereglareaputeriicuptoruluicuarcelectric, cuacţionareelectromecanică:a-amplidină;b- cu amplificator magnetic; c-cu tiristoare;TI- transformator de curent; 1- element de comparaţie; 2- regulator; 3- element deexecuţie;R- regulatordeimpedanţăaarcului;RT,RC- regulatoraltensiuniirespectivcurentuluimotorului electric de acţionare al electrozilor; DC- dispozitiv de comandă al tiristoarelor al redresoarelor montate în antiparalel Fig. 5.6 . Sistemul de reglare automată a puterii cuptorului cu arc electric, cu acţionare electrohidraulică, a -cu motor bifazat; b- cu electromagnet plonjor. 1- element de comparaţie,; 2- regulator; 3- element de execuţie. •foarte rapide şi oscilatorii datorate fierberii metalului din baie, fluctuaţiilor arcurilor datorate forţelor electrodinamice. Acţiunile care modifică lungimea arcului sunt [5.6]: -schimbarea condiţiilor de temperatură din cuptor prin creşterea temperaturii şarjei; -surparea încărcăturii care conduce la scurtcircuite şi la ruperea arcului; -deplasarea arcului sub acţiunea forţelor electrodinamice; -scurtarea electrozilor. După modul de acţionare al electrozilor sistemele de reglare automată sunt: electromecanice sau electrohidraulice – acestea din urmă prezentând performanţe superioare. În ambele sisteme măsurarea impedanţei arcului se realizează prin compararea adouătensiuni:k1Ua– proporţionalăcutensiuneaarculuimăsuratăcuuntransformatordetensiunesaudirectlabornele arcului şi k2Ia – proporţională cu curentul din arc măsurat cu un transformator de curent. ± ± Rezultatulcomparaţiei,adicădiferenţak 1 U a – k 2 I a estetransmisăregulatorului(amplidină,amplificatoaremagnetice, distribuitori hidraulici ), care acţionează asupra elementului de execuţie – motor de curent continuu, motor asincron trifazat sau coloană cu acţionare hidraulică, care determină deplasarea electrozilor în sensul anulării diferenţei k 1 U a – k 2 I a şi deci a restabilirii valorii impuse a impedanţei arcului. Eliminareaneajunsurilorlegatedereglajulautomataltemperaturii(variaţiaputeriicupătratulvariaţieitensiuniide alimentareceeaceducelascădereaimportantăaputeriiarcului;mărimeaşinumărulabaterilormărimiireglatefaţăde valoarea ei prescrisă; variaţia puterii cuptorului faţă de insensibilitatea regulatoarelor). Se obţine prin utilizarea sistemelo de conducere on-line şi control al temperaturii. Sistemul de reglare automată are rolul de a asigura pe cât posibil funcţionarea cuptorului la regimul optim, înlăturând rapid perturbaţiile menţionate. Cerinţele impuse sistemelor sunt: sensibilitatea suficientă, care să asigure regimul optim de funcţionare înlimite admise ale abaterilor ( 3...6% la topire şi 2...4 % la afânare); -rapiditate,caresăpermităînlăturareaperturbaţiilorextreme;încazcontrar,prinpătrundereaelectroduluiînbaiese produce carburarea metalului; -reducerea la minim a deplasărilor inutile ale electrozilor la perturbaţii trecatoare; -posibilitatea modificării puterii în arc cu o precizie de5% ; -aprindereaautomată aarcului ; -oprireaelectrozilor la dispariţia tensiunii de alimentare. ± Aceste cerinţe sunt îndeplinite de reglajul de impedanţa al cuptorului, conform relaţiei. Ua – A.I – B = 0 în care Ua, I sunt tensiunea, respectiv curentul arcului; A, B sunt constante ale sistemului de reglaj automat. Sistemul de reglare automat îndeplineşte următoarele cerinţe: •dacă Ua – A.I – B = 0 electrozii sunt imobili; •dacă Ua – AI – B > 0 electrozii sunt coborâţi, curentul creşte până la restabilirea egalităţii; •dacă: Ua – AI – B < 0 electrozii sunt coborâţi, curentul scade până la restabilirea egalităţii. Laconectareacuptorului,arculnuesteaprins,Ua estemaxim,iarI=0 şielectrodulcoboară;dacaUa este puţin mai mare decât B, se obţine că viteza de coborâre să nu fie prea mare; la scurtcircuit, Ua = 0 şi I este maxim, electrodul fiind ridicat. La dispariţia tensiunii de alimentare Ua =0 şi I = 0, - B < 0 şi electrozii sunt ridicaţi. Viteza maximă de deplasare a electrozilor este de 150 mm/s, adica 9m/minut, iar acceleraţia poate atinge 5m/s. Dupămoduldeacţionarealelectrozilor,sistemeledereglajautomatpotfielectromecanice(fig.5.5)sau electrohidraulice(fig.5.6)[5.2],acesteadinurmăprezentândperformanţesuperioare.Inambelesistememăsurarea impedanţei arcului se realizează prin compararea celor doua tensiuni U. Elementuldecomparaţieestereprezentatdebobineleunuireleudiferential,înfăşurareadecomandăaunei amplidine, înfăşurările decomandăaleunoramplificatoare magnetice,unamplificatorelectronic,înfăşurările statoriceale unui motor bifazat saubobina electromagnetului plonjor. Sistemele de reglare automată prezintă urmatoarele dezavantaje: • la variaţii ale tensiunii de alimentare, puterea cuptorului se modifică cu pătratul acestor variaţii, conducând la scăderea importantă a puterii arcului electric; • mărimea şi numărul abaterilor mărimii reglate faţă de valoarea ei prescrisă sunt în general diferite în cele două sensuri; • apar variaţii ale puterii cuptorului datorită insensibilităţii regulatoarelor. Aceste dezavantaje produc modificări ale puterii cuptorului, având repercursiuni importante asupra timpului de topire. 5.4. Cuptoare electrice cu arc şi rezistenţă Cuptoarelepentrureducereutilizeazăprocesetermochimicedeobţinereaferoaliajelor,fontei,aunor reducători,acarburiidecalciu,acorindonuluişiafosforului.Obţinereaferoaliajeloresteposibilăprinreducerea oxizilor metalici corespunzători, din minereuri, ala temperaturi înalte, în prezenţa unui reducător. Căldura necesară proceselor termochimice se produce în arcul electric şi în rezistenţa topiturii şi zgurei. Materialul (feroaliaj, etc.)secolecteazăînstaretopită pevatracuptoruluişiseevacueazăperiodicprin gurile de scurgere. Cuptoarele electrice cu arc şi rezistenţă se clasifică în: 1. Cuptoare pentru reducerea minereurilor la temperatură ridicată, în prezenţa carbonului, cantitatea de căldură necesarăprocesuluitermochimicproducându-seînarculelectric;Materialul(fontă,feroaliaj,etc)secolecteazăîn stare lichidă pe vatra cuptorului şi se evacuează periodic prin gurile de scurgere. 2. Cuptoare pentru grafitarea electrozilor şi obţinerea carborundului, în care căldura se dezvoltă în cea mai mare parte în rezistenţa încărcăturii. Dinpunctdevedereconstructivacestecuptoaresuntdescoperite (fig.5.7)[5.2]sauacoperite,încazul degajăriidegazenocive.Baia1acuptoruluiareformăcilindricăsauparalelipipedică,avândvatradecarbonşi pereţii din şamotă, electrozii 2 sunt aproape în exclusivitate de tip Sodreberg cu autocoacere, încărcarea cu minereau a cuptorului se realizează continuu din silozurile 3, iar gazele sunt captate prin sistemul de absorbţie 4. Alimentarea cuptorului se face de la transformatoare mono sau trifazate 5, prin intermediul reţelei scurte 6, conectată după schema triunghi nesimetric şiavând olungime mult mai redusă decâtîn cazul cuptoarelor cu arc pentru topit oţel, deoarece cuptoarele electrice pentru minereuri nu trebuiesc înclinate. Datorităregimuluiliniştitdefuncţionarealcuptoarelorcuarcşirezistenţă,bobinelepentrulimitarea curenţilordescurtcircuitnusuntnecesare.Rezultăcăinductivităţiletotalelaacestecuptoaresuntmaimici,iar factorul de putere este mai mare decât la cuptoarele de topit oţel. Fig. 5.7. Cuptorul electric cu arc şi rezistenţă de tip descoperit Tabelul 5.1. Caracteristicile unor cuptoare cu arc şi rezistenţă pentru reducerea minereurilor 3000 2300 2100 2100 1300 1200 Înălţimea băii, [mm] 8700 6700 5700 5200 2700 2700 Diametrul băii, [mm] 1500 1200 1000 900 450 450 Diametrul electrodului, [mm] 250…150 210…132 180…120 160…110 216…309 89…178 Tensiunea secundară a transformatorului, [V] 87 59 48,5 39 13 13 Curentul, [kA] 33000 16500 10500 7500 3500 2500 Puterea aparentă, [kVA] Puterea transformatorului de alimentare se determină conform relaţiei cos · · = Q p S [kVA] (5.6) în care: p - productivitatea cuptorului în t/h; QS– consumulspecificdeenergieînkWh/t(tabelul5.2);η- randamentul instalaţiei, cuprins între 0,75 şi 0,85; cosφ - factorul de putere, având în general valorile 0,87…0,93 [5.5]. Spredeosebiredecuptoarelecuarcpentrutopitoţel,undediametrulelectroduluisealegepebazadensităţiide curent admisibile, la cuptoarele pentru minereuri diametrul electrodului sealegeînprimul rând din considerente tehnologice;înunelecazuri,acestdiametrudeterminăvolumulspaţiuluidereacţiedinjurulelectrodului,care influenţează direct productivitatea cuptorului. Tabelul 5.2. Consumul specific de energie al cuptoarelor cu arc şi rezistenţă 8600…11500 4750 …6500 3550…8300 8700…12000 2900…5200 6300…9500 4300…7000 13000…16000 2500…2600 3200…4800 8000…9000 7000…8000 Ferosiliciu 75% Ferosiliciu 45% Ferocrom cu mult C Ferocrom cu puţin C Feromangan cu mult C Feromangan cu 1…2% C Silicomangan (circa 20% Si) Silicocalciu Fontă siderurgică Carbură de calciu Carborund Grafitare de electrozi Consum specific de energie kWh/t Material eleborat 5.5. Cuptoare electrice cu arc în vid Cuptoareleelectricecuarcînvidsuntcuptoarecuacţiunedirectă,carespredeosebiredecuptoarele obişnuitecuarcsaucuinducţie,permitelaborareametalelorgreufuzibileşiactivedinpunctdevederechimic: zirconiu, titan, molibden, oţeluri de calitate superioară, etc. Creuzetul folosit la aceste cuptoare este din cupru, răcit cu apă, ceea ce exclude reacţia metalului topit cu pereţiicreuzetului.Topireasefaceînvid,laopresiunede0,1…100torr(mmHg),ceeaceasigurăodegazare profundă a metalului şi protejarea sa contra aerului. uptoareleelectricecuarcînvidpotaveaelectrodulconsumabilsauneconsumabil,primelefiindmai răspândite în industrie. Cuptorul cu electrod consumabil (fig. 5.8) [5.2] are electrodul confecţionat din bare, vergele sau brichete alemetaluluice urmează afitopit. Arcul electricde curentcontinuu, careseformeazăîntreelectrodşimetalul din creuzet,topeşteelectrodul,făcândcametalulacestuiasăcurgăsubformădepicăturiîncreuzet.Înacestmodse produceodegazareintensăametaluluişivolatilizareaimpurităţilor,amplificatădeamestecareafazeilichidecu ajutorul unui agitator inductiv. Cristalizarea metalului are loc în contact cu pereţii răciţi cu apă ai creuzetului. Pentru mărirea zonei de topire, electrodul trebuie să aibă secţiune mare. Lungimea arcului, de ordinul a 10…20 mm, este menţinută constantă în tot timpul topirii cu ajutorul unui sistem de reglare automată a poziţiei electrodului; caracteristicile tensiune-curent ale arcului din cuptoarele electrice cu vid sunt date în figura 9, pentru diferite metale. Ca surse de alimentare pentru cuptoarele cu arc în vid se utilizează redresoarele cu siliciu sau seleniu, care spredeosebiredegeneratoareledecurentcontinuurotative,simplificădeservireainstalaţieişiaigurăalimentareaei economică. Pentru a mări gradul de puritate şi omogenitate a structurii metalului topit, lingoul obţinut după o primă topire este supus la o a doua topire; electrodul pentru a doua topire se confecţionează din lingoul de la prima topire. În tabelul 5.3 sunt indicate datele tehnice ale unor cuptoare electrice cu arc în vid. Tabelul 5.3. Date tehnice ale unor cuptoare electrice cu arc în vid - 0,67 6,85 4,93 0,91 4,10 Viteza de topire, kg/min 24 21 65 41 45 30 Tensiunea, V 10000 1650 6000 4450 850 9000 Curentul, A 229 38,1 228 228 127 254 Diametrul creuzetului, mm 152 12,8 56,8 56,8 50,4 152 Diametrul electrodului, mm Oţel W Mo Zr Fe Ti Metalul Fig. 5.8. Cuptor cu arc electric în vid cu electrod consumabil. 1- electrod; 2- faza lichidă a lingoului; 3- faza solidă a lingoului; 4- creuzet; 5- agitator inductiv; 6 apa de răcire. Fig. 5.9. Caracteristica tensiune – curent a arcului în cuptoarele electrice în vid 5.5.1 Caracteristicile electrice de funcţionare ale cuptoarelor cu arc electric Regimuloptimdefuncţionarealcuptoruluicuarcelectric(productivitatemaximă,consumspecificde energieelectricăminim)depinddevalorilemărimilorelectriceşimecanicealecuptorului,desoluţiatehnologică aleasă, lungimea (temperatura) arcului electric etc. Circuitul electric al cuptorului cu arc poate fi reprezentat printr-o schemă echivalentă simplificată, la care se neglijează pierderile in fier şi curentul de mers ingol altransformatorului în raport cu curentul de sarcina(Fig. 5.10) [5.6]. Inschema,dinFig.5.10,avem:U- tensiuneadefazaareţelei;R – rezistenţaechivalentăcarecuprinde rezistenţabobineiRb,rezistenţatransformatoruluiRt,şirezistenţalinieiscurteraportatălaprimar;X – reactanţa echivalentă, care cuprinde reactanţa bobinei Xb, reactanţa transformatorului Xt si reactanţaliniei Rl scurte raportată la primar; Ra – rezistenţa arcului (variabilă, la scurtcircuitul electrozilor cu şarja de valoare 0, iar la stingereaarcului – valoare infinită). Rezistenţele şi reactanţele echivalente sunt: R = Rb + Rt + Rl’ (5.7) X = Xb + Xt + Xl’ (5.8) Fig. 5.10. Schema electrică echivalentă a cuptorului şi diagrama cercului pentru determinarea caracteristicilor de funcţionare ale cuptoarelor cu arc Dacă se neglijează rezistenţa cuptorului şi reactanţa lui, curentul de scurtcircuit maxim (ideal) este: X U I SC = ' (5.9) care trebuie limitat la valoareadată de (5.10 ) n SC kI I = ' (5.10) unde:k este factor de multiplicitate a cutentului de scurtcircuit (k = 2,5…3,5); In , curentul nominal din reţea. Creştereacurentuluidescurtcircuitpestevaloareadin(5.10)provoacăinstabilitateaarculuişi suprasolicitarea instalaţiei electice. Din (5.9) si (5.10) rezultă valoarea relativă a reactanţei X, [%] 100 100 100 ' k I U kI U I U I U X N N N SC = = = (5.11) Considerind în schema echivalentă numai Ra variabil locul geometric al curentului I este un cerc, 2 2 ) ( X Ra R U I + + = (5.12) ce are diametrul: X U I SC = ' (fig. 5.10). Fig. 5.11, Variaţia rezistenţei R si reactanţei echivalente X, in funcţie de capacitatea cuptorului: 1 – curba de variaţie a rezistenţei; 2,3,4 – curba de variaţie a reactanţeipentru linia scurtă Curentul I poatevaria de la 0 (Ra = ∞), pâna la curentul de scurtcircuit real Isc (AB din figura 5.10, Ra = 0): 2 2 X R U I sc + = şi R X arctg sc = (5.13) Pentru o anumită valoare Ra, rezultă un anumit defazaj: Ra R X arctg + = (5.14) caruia îi corespunde un curent I (OC din figura 5.10). Dacă U este constant pentru un anumit curent I rezultă puterea activă absorbită de o fază, P = UIcosφ = U(CE), (5.15) deci segmental (CE) este proporţional cu această putere, din care Pu = U(CF), (5.16) este puterea utilă iar Pp reprezintă puterea pierdută, segmentul BG este proporţional cu pierderile electrice în cupru la scurtcircuit (Pu = 0) puterea utilă este Pp = U(FE) (5.17) In Figura 5.12 [5.6] sunt prezentate caracteristicile electrice de funcţionare ale cuptorului cu arc determinate cu ajutorul diagramei cercului din figura 5.10. Fig. 5.12 Caracteristicile electrice de funcţionare ale cuptorului cu arc determinate cu ajutorul diagramei cercului Aceste caracteristici se pot trasa şi din expresiile cunoscute pentru puterea absorbită pe faza Pa, puterea utilă a arcului Pu, pierderile electrice Pp, randamentul electric ηe , factorul de putere cos φ şi tensiunea pe arc Ua: 2 2 2 2 2 ) ( cos X I U I I R R UI P a ÷ = + = = (5.18) 2 2 2 2 2 2 2 RI X I U I RI P I R P a u ÷ ÷ = ÷ = · = (5.19) 2 RI Pu P Pp = ÷ = (5.20) a a p u e R R R P P P P P ÷ = ÷ = = (5.21) 2 2 2 1 cos U I X UI Pp Pu UI P ÷ = + = = (5.22) sau cu relaţiile 5.9 şi 5.10, în care I = In. 2 1 1 cos k ÷ = (5.23) RI I X U I Pu Ua ÷ ÷ = = 2 2 2 (5.24) Anulând derivata în raport cu I a expresiei (5.19) 0 ) ( 2 2 2 2 = ÷ ÷ = RI I X U I dI d dI dPu ) ( 1 2 2 2 X R R X U Io + ÷ = (5.25) şi valoarea maximă a puterii dezvoltate de arcul electric este: ) ( 2 2 0 2 2 0 max R X I U I P u ÷ ÷ = (5.26) Valoarea rezistenţei arcului pentru care sunt îndeplinite condiţiile (5.25) şi (5.26), se obţine din anularea derivatei puterii active Pu în raport cu Ra, 0 ] ) ( [ ) ( 2 2 2 2 = + + = = X Ra R U Ra dRa d RaI dRa d dRa dPu Se obţine valoarea optimă a rezistenţei arcului, 2 2 X R R a + = (5.27) şi deci valoarea optimă a curentului: 2 2 2 2 0 ) ( X X R R U I + + + = (5.28) şi puterea utilă maximă: . ) ( max 2 2 2 2 2 2 2 X X R R X R U Pu + + + + = (5.29) Expresiile (5.25) şi (5.28) sunt echivalente la fel şi (5.26) şi (5.29). Dacă factorul de multiplicitate al curentului de scurtcircuit (5.10), are valoareak = 2,5…3,5 din (5.23) se obţine: 95 , 0 ... 91 , 0 1 1 cos 2 = ÷ = k valoare la care se poate ajunge cu ajutorul unor baterii de condensatoare. Aceste condensatoare pot fi utilizate şi ca filtruelectricpentruatenuareaarmonicelorsuperioare(cuptoarelecuarcconţinînspecialarmonicaa3-a), contribuind astfel la diminuarea efectelor negative cauzate de regimul deformant al arcului electric. 5. 5.2 Calculul cuptoarelor electrice cu arc Fiindcunoscutecaracteristicilemetaluluidetopit,capacitatea “m” acuptorului,tempereturadetopire Өt, durata topiri (tt=1…2h pentru cuptoare cu capacitatea m sub 5t, tt = 1,5…2h pentru m=10…40t şi tt de la 2,5…3h pentrum=80…180t),durataafânăriita,duratapauzeideîncărcaretpsepoateefectua:dimensionareacuveide topire, calculul termic, alegerea transformatorului cuptorului şi determinarea diametrului electrozilor [5.6]. Tabelul 5.4. Variaţia înălţimii spaţiului de topire H t în funcţie de capacitatea cuptorului m şi de diametrul oblinzii metalului topit (0,45…0,4)D 40…180 (0,5…0,45)D 5…40 (0,6…0,5)D 0,5…5 Ht m(t) Fig. 5.13.Explicativa pentru dimensionarea cuvei cuptoarelor cu arc Dimensionarea cuvei (Fig. 5.13) se efectuează cu ajutorul unor relaţii empirice ce se referă la determinarea înălţimii spaţiului de topire Ht (tabelul 5.4) şi la determinarea diametrului oglinzii metalului topit din expresia 3 V C D = (5.30) în care: V – Volumul metalului topit, în (m³) C – un coeficient cu valoarea (5.31) pentru Hs=0.2H H D C 084 . 0 75 . 1 + = (5.31) sau: H D C 08 . 0 8 . 1 + = pentru Hs=0.25H (5.32) în care :H – înălţimea băii de metal; Hs – înalţimea porţiunii sferice a cuvei; ) exp ( 7 .... 4 erimentale valori H D = Grosimeastratuluirefractarşiaizolaţieitermicesepoateluaegalăcuînălţimeabăiidemetaltopit,H.Grosimeacăptuşelii pereţilorînclinaţiseadoptăînfuncţiedeputereacuptorului,între 0,35si0,65m.Grosimeacăptuşeliibolţii(fărăizolaţietermică)este egală cu înălţimea cărămizii refractare. Calculul termic se efectuează până la temperatura de topire θt, pentru perioada de încalzire a încărcăturii. La calculul pierderilor prinpereţii laterali şi prinboltă se va luaînconsideraredoar 75%din grosimea acestora,deoarecestratulrefractarrespectivsearde aproape 50% din cauza radiaţiei intense a arcului electric. Consumultotaldecăldurăreprezintăsumadintre:cantitateadecăldurăutilă,cantitateadecăldură pierdută Qp în timpul topirii Qt şi în timpul pauzei Qpp Q = Qu+Qpt+Qpp (5.33) sau în funcţie de fluxul termic Φpt din timpul topirii tt şi de fluxul termic Φpp din timpul pauzei tp Q = Qu + Φpt tt + Φpp tt. (5.34) Practic se poate consideraΦpp = 1,5 Φpt şi rezultă consumul total de căldură , Q = Qu + Φpt (tt + 1,5 tp) (5.35) Fig. 5.14. Variaţia timpului de topire a oţelului in cuptoare cu arc, in funcţie de capacitatea cuptorului Transformatorulcuptorului areoputereScaredepindede:consumultotaldecăldurăQ(5.35),timpulde topire tt (Fig. 5.14), factorul de putere cosφ (se adoptă cos φ = 0,85) şi randamentul electric ηe (practic ηe = 0,8…0,9) [5.6] Se obţin succesiv . cos cos cos e t e u t Q P P S = = = (5.36) Curentul de linie mininal al reţelei se calculează cu expresia: . 3 U S I = (5.37) Diametrulelectroduluid,sedeterminădinTabelul5.5.înfuncţiedecurentulI şidensitateadecurent admisibilă în electrodJ J I d 4 = (5.38) 10 10 10 10 9,5 9,5 9 ρ [Ωm]·10 -6 15 16 17 18 20 24 28 J[A/m²]·10 4 Grafit 45 45 45 42 42 42 - ρ [Ωm]·10 -6 7 8 8 9 10 11 - J[A/m²]·10 4 Carbune >0,4 0,4 0,35 0,3 0,25 0,15 0,1 Diametrul electrozilor, in m DensitateadecurentJ[A/m²] si rezistivitatea ρ [Ωm] Electrozi Tabelul 5.5. Valorile densităţii de curent si rezistivităţii electrozilor din cărbune si grafit, in funcţie de diametrul electrozilor este prezentat în tabelul 5.6. Cuptoare de încălzire cu plasmă Plasmaestestareadetrecereîntregazşifluidulionizat.Temperaturaplasmeidepindedegradulde ionizarealfluiduluiionizat(raportulîntredensitateadeioniînvolumşidensitateatuturorparticulelordinacelaşi volum). Dacă gradul de ionizare se aproprie de unitate, plasma are o temperatură ridicată, de mai multe milioane de grade Kelvin (de exemplu, în cazul fuziunii nucleare), iar dacă gradul de ionizare este mai mic de 10-4, plasma are o temperatură de 2000.....20000oK. acest tip de plasmă se utilizează în cuptoare pentru topit materiale greu fuzibile sau în instalaţii pentru sinteza unor produse chimice. Plasma este produsă de generatoare de plasmă, numite şi plasmatroane. Producerea plasmei se poate realiza în curent alternativ (fig.5.15.a) sau în curent continuu (fig. 5.15.b;c). La generarea plasmei cu ajutorul arcului electric de curent alternativ, arcul electric 1 se produce între electrozii2 conectaţi la o sursă de curent alternativ, iar jetul de plasmă 3 se obţine prin ionizarea gazului plasmogen 4 (argon, hidrogen, azot sau un amestec al acestora), fiind concentrat de ajutajul din cupru 5 (răcit cu apă care circulăprin camera6).Jetuldeplasmăpoateîncălzipiesa7.Lagenerareaplasmeicuajutorularculuielectricdecurent continuu, arcul electric1seproduceîntreelectrodul2şiajutajuldincupru5conectatlapolaritatea plusasursei prin intermediul rezistenţei R. Arcul electric 1 va ioniza gazul plasmogen 4 sub presiune şi va forma jetul de plasmă 3 (mişcarea dirijată a particulelor electrizate). Dacă spaţiul arcului este suficient de ionizat şi câmpul electric dintre duza 5 şi piesa de încălzit 7 este suficient de intens, arcul electric se va muta de pe duză pe piesă (fig.5.15;b); în caz contrar, va rămâne între electrod şi duză( fig.5.15;c). Schemeledinfig.5.15[5.6]:a;creprezintăgeneratoaredeplasmăcuarcnetransferat,iarschemadin fig.5.15: b cu arc transferat. Cuptoarele cu plasmă pot fi: •cu arc netransferat (putând topi deci şi materiale nemetalice); •cu anodul la piesă (la metalul topit aflat în creuzet); •cu catodul la piesă (având randament termic ridicat); •cu alimentare în curent continuu între anod (duză) şi catod (electrod) şi în curent alternativ între duză şi piesă (fig.5.16a) [5.6], unde C este catod, A este anod, P plasmă, M piesă metalică. Fig. 5.15: Principiul producerii plasmei: a – cu arc alternativ între doi electrozi; b – cu arc continuu între electrod şi piesa de încălzit; c – cu arc continuu între electrod şi un ajutaj din cupru răcit cu apă; 1 – arc electric; 2 – electrod; 3 – plasmă; 4 – gaz plasmogen; 5 – ajutaj; 6 – cameră prin care circulă apă rece; 7 – piesă de încălzit; R – rezistenţa de limitare; G – generator de curent alternativ. La cuptorul cu plasmă trifazat (cu creuzet sau cu lingotieră) din fig.5.16;b, curentul alternativ asigură o conducţie prin jeturile de plasmă, iar la intersecţia acestora se găseşte metalul topit M, la care se leagă conductorul denulalreţelei.Îngeneral,laacestetipuridecuptoare,putereapoatefireglatăcontinuu,atmosferadincuptor poateficontrolatăşimodificatădupănecesităţi,iarrepartiţiatemperaturiipoatefioptimizatăprinvariaţia înclinării jetului de plasmă. Orientativ,cuptoruldinfig.5.16;bpoateaveaoputerenecesarăde250kW,randamentul66....77%şi debitul de gaz plasmogen de 15...30 l/min pentru fiecare arzător. Există şi generatoare cu plasmă fară electrozi, la care transformarea energiei în plasmă se realizează prin efect Joule-Lenz cu curenţi de înaltă frecvenţă 1...30MHz, fig. 5.17 [5.6]. Acestea sunt construite dintr-un tub de cuarţ 1, în care se introduce gazul plasmogen 2şi o bobină inductoare 3. Cu cât diametrul tubului de cuarţ este mai mare, cu atât puterea necesară şi debitul gazului plasmogen sunt mai mari. Amorsarea plasmei se face cu argon lapresiunescăzută,înprezenţauneibaremetaliceîncălzităprininducţie;baradeterminăoanumitărepartiţiea câmpului electric, asigurând ionizarea necesară amorsării. Fig.5.16:Producereaplasmeiincuptoarelecuplasma:.a– principiul; b – schema cuptorului cu plasmă trifazat; A anod; C catod; P plasmă; M piesă metalică; G generator de curent alternativ Fig.5.17: Principiul producerii plasmei fară electrozi: 1 – tub de cuarţ; 2 – gaz plasmogen; 3 – bobină inductoare. Dupăamorsare,baraseîndepărtează,iarargonulpoatefiînlocuitcualtgazplasmogen.Bobina inductoare are2...8spireconstruite şiaşezateastfelîncâtsăasigureoanumităconcentrareacâmpuluiîntub. Atât bobina cât şi tubul sunt răcite permanent cu apă sau gaz. 5.7. Cuptoare cu fascicul de electroni Încălzireacufasciculdeelectroniconstăîntransformareaîncăldurăaenergieielectronilorcare bombardează suprafaţa corpului de încălzit , situat în vid înaintat 10-6....10-4 mm Hg. Se realizeazăcuptoare pentru topire (metale greu fuzibile şi puternic reactive: Zr, Be, Hf, Mo, Ta, V, W, etc şi aliaje greu fuzibile), pentru retopirea deşeurilor de laminare, pentru turnarea aliajelor greufuzibile şiametalelor demarepuritate(nichel, cupruşialte metaleneferoase)etc.Deasemenea,existăinstalaţiicifascicoldeelectronipentrusudare,metalizare,creşterea monocristalelor, precum şi pentru alte utilizări tehnice. Electronii necesari se extrag din catozi şi se accelerează spre anozi cu ajutorul unui câmp electric stabilit în vid cu otensiune electricăridicată 10...150kW. Dispozitivul pentru producerea fasciculului de electroni( numit şi tun electronic) este prezentat în fig.5.18, în care : 1 – este izolator; 2 – racord pentru pompa de vidare; 3 – catod; 5 – anod de accelerare; 6 – circulaţia apei de răcire; 7 – fascxiculul de electroni; 8 – lentile magnetice; 9 – tub; 10 – sistem dedeviereafascicoluluideelectroni.Întrecatodul3şianodul5seaplicătensiuneaînaltă,protecţiamecanicăa catodului fiind realizată de blocul 4. Reglând sistemul magnetic 10 se poate dirija direcţia dorită a fascicolului 7. Schemadeprincipiuauneiinstalaţiidetopirecufluxdeelectroniseprezintăînfig.5.19,încare:1 reprezintă alimentarea tunului la înaltă tensiune; 2 izolator; 3 vid în camera tunului electronic; 4 catodul şi 5 anodul tunului electronic; 6 sistemul de focalizare şi deplasare a fasciculului de electroni; 7 ghidajul fasciculului de electroni; 8vidîncameradetopire;9creuzetrăcitcuapă;10mecanismdeextracţiealingoului;11lingou,obţinutprin depunereadepicăturitopite decătrefasciculul deelectroni;12mecanismul deavansalbarei; 13baradinmetalul topit. Aceste instalaţii sunt utilizate în principal pentru avantajele lor: puritatea lingoului, posibilitatea alierilor dorite, omogenitatea lingoului, reglajul energiei în zona de topire. În fig.5.20 se prezintă schemele de principiu a două cuptoare de topit [5.6], cu două surse de electroni a şi cu deviere pronunţată a fasciculului b, în care: 1 este sursa de electroni; 2 electrod supus topirii; 3 creuzet de cupru, cu pereţi răciţi cu apă; 4 lingoul, rezultat din metalul topit 2; 5 spaţiu de focalizare a fasciculului de electroni; 6 anod de accelerare a electronilor; 7 piesă polară; 8 bobină. Fig.5.18: Dispozitiv pentru producerea fascicolului de electroni Fig. 5.19: Principiul topirii metalelor cu flux de electroni, produs de un tun electronic axial Fig.5.20:Principiul cuptoarelor de topit Puterea acestor cuptoare este de 1-2 MW, dar ea poate să crească prin utilizarea simultană a mai multor dispozitive pentru producerea fasciculului de electroni. Înafarădeinstalaţiiledetopirecuputerirelativmari,existăşiinstalaţiimodernedetopirezonală, creştereamonocristalelor,sinterizare,metalizare,sudarefină,careau,îngeneral,puterimicişisuntdotatecu mecanisme auxiliare de reglare a poziţiilor relative ale piesei de încălzit şi sursei de electroni.