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 utilizareDin 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 rezistenţă4. 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/tPrincipalele 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 atinge 90 -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.

5.2 Arcul 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 electricCaracteristicile tensiunii arcului în funcţie de curentul electric prin el pot fi statice şi dinamice.Caracteristica statică a arcului Ua = f (Ia), reprezintă totalitatea punctelor de echilibru staţionar pe care le poate

lua descărcarea în arc, se referă la arcul de curent continuu şi are o alură descrescătoare (fig. 1a); în curent alternativ , 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 Ua = f (ia), 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 Uap şi se stinge la valoarea Ust, de 2f ori pe secundă, f (în Hz) fiind frecvenţa tensiunii de alimentare.arcul electric reprezintă o rezistenţă neliniară, ceea ce determină variaţia nesinusoidală în timp a tensiunii şi curentului.

a) b)

Fig. 5.1.Caracteristicile tensiune curent ale arcului electric: a-statică, b-dinamică

5.2.2. Stabilitatea arcului electric Prin stabilitatea arcului electric se înţelege aprinderea acestuia după trecerea curentului electric prin zero şi

limitarea creşterii curentului datorită alurii descrescătoare a caracteristicii statice a arcului. La trecerea curentului prin 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.

us Uap(5.1)

Dacă această condiţie este îndeplinită în momentul stingerii arcului, aceasta se va reapride imediat, în caz 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 rezistorArcul 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]:

us = Ri + ua (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 LEcuaţia circuitului din fig. 3a este dată de ec. (5.3):

as udt

diLu

(5.3)

Datorită inductivităţii L a bobinei, curentul prin arc este defazat în urma tensiunii dealimentare us cu unghiul

(fig. 5.3b).

a b

Fig. 5 3. Arcul electric în serie cu o bobină

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]:

as udt

diLiRu (5.4)

În figurile 5.4a şi 5.4b, se observă influenţa pozitivă a bobinei asupra stabilităţii arderii arcului electric şi cea negativă a 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

Se demonstrează că trecerea continuă a curentului printr-un arc electric este posibilă printr-un factor de

putere cos 0,85, corespunzător unei tensiuni a sursei (în valoare eficace),

asM

s UU

U 4,12

(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 arcÎn 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. Sistem de reglare a puterii cuptorului cu arc electric, cu acţionare electromecanică: a- amplidină; b- cu amplificator magnetic; c-cu tiristoare;TI- transformator de curent; 1- element de comparaţie; 2- regulator; 3- element de execuţie; R- regulator de impedanţă a arcului; RT, RC- regulator al tensiunii respectiv curentului motorului 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 a două tensiuni: k1Ua – proporţională cu tensiunea arcului măsurată cu un transformator de tensiune sau direct la bornele arcului şi k2Ia – proporţională cu curentul din arc măsurat cu un transformator de curent.

Rezultatul comparaţiei, adică diferenţa k1Ua – k2Ia este transmisă regulatorului (amplidină, amplificatoare magnetice, 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 k1Ua – k2Ia şi deci a restabilirii valorii impuse a impedanţei arcului.Eliminarea neajunsurilor legate de reglajul automat al temperaturii (variaţia puterii cu pătratul variaţiei tensiunii de alimentare ceea ce duce la scăderea importantă a puterii arcului; mărimea şi numărul abaterilor mărimii reglate faţă de 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 în limite admise ale abaterilor ( 3...6% latopire şi 2...4 % la afânare);-rapiditate, care să permită înlăturarea perturbaţiilor extreme; în caz contrar, prin pătrunderea electrodului în baie se produce carburarea metalului;-reducerea la minim a deplasărilor inutile ale electrozilor la perturbaţii trecatoare;-posibilitatea modificării puterii în arc cu o precizie de 5% ;

-aprinderea automată a arcului ;-oprirea electrozilor 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.

La conectarea cuptorului, arcul nu este aprins, Ua este maxim, iar I = 0 şi electrodul coboară; daca Ua 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.După modul de acţionare al electrozilor, sistemele de reglaj automat pot fi electromecanice (fig.5.5) sau

electrohidraulice (fig. 5.6) [5.2], acestea din urmă prezentând performanţe superioare. In ambele sisteme măsurarea impedanţei arcului se realizează prin compararea celor doua tensiuni U.

Elementul de comparaţie este reprezentat de bobinele unui releu diferential, înfăşurarea de comandă a unei amplidine, înfăşurările de comandă ale unor amplificatoare magnetice, un amplificator electronic, înfăşurările statorice ale unui motor bifazat sau bobina 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

Cuptoarele pentru reducere utilizează procese termochimice de obţinere a feroaliajelor, fontei, a unor reducători, a carburii de calciu, a corindonului şi a fosforului. Obţinerea feroaliajelor este posibilă prin reducerea 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.) se colectează în stare topită pe vatra cuptorului şi se evacuează periodic prin 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 necesară procesului termochimic producându-se în arcul electric; Materialul (fontă, feroaliaj, etc) se colectează în 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.

Din punct de vedere constructiv aceste cuptoare sunt descoperite (fig. 5.7) [5.2] sau acoperite, în cazul degajării de gaze nocive. Baia 1 a cuptorului are formă cilindrică sau paralelipipedică, având vatra de carbon şi 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 şi având o lungime mult mai redusă decât în cazul cuptoarelor cu arc pentru topit oţel, deoarece cuptoarele electrice pentru minereuri nu trebuiesc înclinate.

Datorită regimului liniştit de funcţionare al cuptoarelor cu arc şi rezistenţă, bobinele pentru limitarea curenţilor de scurtcircuit nu sunt necesare. Rezultă că inductivităţile totale la aceste cuptoare sunt mai mici, 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

300023002100210013001200Înălţimea băii, [mm]

870067005700520027002700Diametrul băii, [mm]

150012001000900450450Diametrul electrodului, [mm]

250…150210…132180…120160…110216…30989…178Tensiunea secundară a transformatorului, [V]

875948,5391313Curentul, [kA]

330001650010500750035002500Puterea aparentă, [kVA]

Puterea transformatorului de alimentare se determină conform relaţiei

cos

Qp

S [kVA] (5.6)

în care: p - productivitatea cuptorului în t/h; QS – consumul specific de energie în kWh/t (tabelul 5.2); η-randamentul instalaţiei, cuprins între 0,75 şi 0,85; cosφ - factorul de putere, având în general valorile 0,87…0,93 [5.5].

Spre deosebire de cuptoarele cu arc pentru topit oţel, unde diametrul electrodului se alege pe baza densităţii de curent admisibile, la cuptoarele pentru minereuri diametrul electrodului se alege în primul rând din considerente tehnologice; în unele cazuri, acest diametru determină volumul spaţiului de reacţie din jurul electrodului, care influenţează direct productivitatea cuptorului.

Tabelul 5.2. Consumul specific de energie al cuptoarelor cu arc şi rezistenţă

8600…115004750 … 65003550…83008700…120002900…52006300…95004300…700013000…160002500…26003200…48008000…90007000…8000

Ferosiliciu 75%Ferosiliciu 45%Ferocrom cu mult CFerocrom cu puţin CFeromangan cu mult CFeromangan cu 1…2% CSilicomangan (circa 20% Si)SilicocalciuFontă siderurgicăCarbură de calciuCarborundGrafitare de electrozi

Consum specific de energie kWh/tMaterial eleborat

5.5. Cuptoare electrice cu arc în vid

Cuptoarele electrice cu arc în vid sunt cuptoare cu acţiune directă, care spre deosebire de cuptoarele obişnuite cu arc sau cu inducţie, permit elaborarea metalelor greu fuzibile şi active din punct de vedere chimic: 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 pereţii creuzetului. Topirea se face în vid, la o presiune de 0,1…100 torr (mm Hg), ceea ce asigură o degazare profundă a metalului şi protejarea sa contra aerului.

uptoarele electrice cu arc în vid pot avea electrodul consumabil sau neconsumabil, primele fiind mai răspândite în industrie.

Cuptorul cu electrod consumabil (fig. 5.8) [5.2] are electrodul confecţionat din bare, vergele sau brichete ale metalului ce urmează a fi topit. Arcul electric de curent continuu, care se formează între electrod şi metalul din creuzet, topeşte electrodul, făcând ca metalul acestuia să curgă sub formă de picături în creuzet. În acest mod se produce o degazare intensă a metalului şi volatilizarea impurităţilor, amplificată de amestecarea fazei lichide cu 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 spre deosebire de generatoarele de curent continuu rotative, simplifică deservirea instalaţiei şi aigură alimentarea ei 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

-0,676,854,930,914,10Viteza de topire, kg/min

242165414530Tensiunea, V

100001650600044508509000Curentul, A

22938,1228228127254Diametrul creuzetului, mm

15212,856,856,850,4152Diametrul electrodului, mm

OţelWMoZrFeTiMetalul

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 electricRegimul optim de funcţionare al cuptorului cu arc electric (productivitate maximă, consum specific de

energie electrică minim) depind de valorile mărimilor electrice şi mecanice ale cuptorului, de soluţia tehnologică 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 in gol al transformatorului în raport cu curentul de sarcina (Fig. 5.10) [5.6].

In schema, din Fig. 5.10, avem: U- tensiunea de faza a reţelei; R – rezistenţa echivalentă care cuprinde rezistenţa bobinei Rb, rezistenţa transformatorului Rt, şi rezistenţa liniei scurte raportată la primar; X – reactanţa echivalentă, care cuprinde reactanţa bobinei Xb, reactanţa transformatorului Xt si reactanţa liniei Rl scurte raportată la primar; Ra – rezistenţa arcului (variabilă, la scurtcircuitul electrozilor cu şarja de valoare 0, iar la stingerea arcului – 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

UI SC ' (5.9)

care trebuie limitat la valoarea dată de (5.10 )

nSC kII ' (5.10)

unde: k este factor de multiplicitate a cutentului de scurtcircuit (k = 2,5…3,5);In , curentul nominal din reţea.Creşterea curentului de scurtcircuit peste valoarea din (5.10) provoacă instabilitatea arcului şi

suprasolicitarea instalaţiei electice.Din (5.9) si (5.10) rezultă valoarea relativă a reactanţei X,

[%]100

100100'

kIUkIU

IU

IU

X

N

N

N

SC (5.11)

Considerind în schema echivalentă numai Ra variabil locul geometric al curentului I este un cerc,

22)( XRaR

UI

(5.12)

ce are diametrul:X

UI 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 reactanţei pentru

linia scurtă

Curentul I poate varia de la 0 (Ra = ∞), pâna la curentul de scurtcircuit real Isc (AB din figura 5.10, Ra = 0):

22 XR

UI sc

şi

R

Xarctgsc (5.13)

Pentru o anumită valoare Ra, rezultă un anumit defazaj:

RaR

Xarctg

(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:

22

222)(cos X

I

UIIRRUIP a (5.18)

222

2222 RIX

I

UIRIPIRP au (5.19)

2RIPuPPp (5.20)

a

apue RR

R

P

PP

P

P

(5.21)

2

22

1cosU

IX

UI

PpPu

UI

P

(5.22)

sau cu relaţiile 5.9 şi 5.10, în care I = In.

2

11cos

k (5.23)

RIIXUI

PuUa 222 (5.24)

Anulând derivata în raport cu I a expresiei (5.19)

0)( 2222 RIIXUIdI

d

dI

dPu

)(1

2 22 XR

R

X

UIo

(5.25)

şi valoarea maximă a puterii dezvoltate de arcul electric este:

)( 220

220max RX

I

UIPu (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])(

[)(22

22

XRaR

URa

dRa

dRaI

dRa

d

dRa

dPu

Se obţine valoarea optimă a rezistenţei arcului,

22 XRRa (5.27)

şi deci valoarea optimă a curentului:

22220

)( XXRR

UI

(5.28)

şi puterea utilă maximă:

.)(

max2222

222

XXRR

XRUPu

(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 valoarea k = 2,5…3,5 din (5.23) se obţine:

95,0...91,01

1cos2

k

valoare la care se poate ajunge cu ajutorul unor baterii de condensatoare. Aceste condensatoare pot fi utilizate şi ca filtru electric pentru atenuarea armonicelor superioare (cuptoarele cu arc conţin în special armonica a 3-a), contribuind astfel la diminuarea efectelor negative cauzate de regimul deformant al arcului electric.

5. 5.2 Calculul cuptoarelor electrice cu arcFiind cunoscute caracteristicile metalului de topit, capacitatea “m” a cuptorului, temperetura de topire

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 pentru m = 80…180t), durata afânării ta, durata pauzei de încărcare tp se poate efectua: dimensionarea cuvei de topire, calculul termic, alegerea transformatorului cuptorului şi determinarea diametrului electrozilor [5.6].

Tabelul 5.4. Variaţia înălţimii spaţiului de topire Ht în funcţie de capacitatea cuptorului m şi de diametrul oblinzii metalului

topit

(0,45…0,4)D40…180

(0,5…0,45)D5…40

(0,6…0,5)D0,5…5

Htm(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 VCD (5.30)

în care: V – Volumul metalului topit, în (m³)C – un coeficient cu valoarea (5.31) pentru Hs=0.2H

H

DC 084.075.1 (5.31)

sau:

H

DC 08.08.1 pentru Hs=0.25H (5.32)

în care :H – înălţimea băii de metal;Hs – înalţimea porţiunii sferice a cuvei;

)exp(7....4 erimentalevaloriHD

Grosimea stratului refractar şi a izolaţiei termice se poate lua egală cu înălţimea băii de metal topit, H. Grosimea căptuşelii pereţilor înclinaţi se adoptă în funcţie de puterea cuptorului, între 0,35 si 0,65m. Grosimea căptuşelii bolţii (fără izolaţie termică) 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 prin pereţii laterali şi prin boltă se va lua în considerare doar 75% din grosimea acestora, deoarece stratul refractar respectiv se arde aproape 50% din cauza radiaţiei intense a arcului electric.

Consumul total de căldură reprezintă suma dintre: cantitatea de căldură utilă, cantitatea de căldură 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 considera Φpp = 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

Transformatorul cuptorului are o putere S care depinde de: consumul total de căldură Q (5.35), timpul de 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 .coscoscos ete

u

t

QPPS (5.36)

Curentul de linie mininal al reţelei se calculează cu expresia:

.3U

SI (5.37)

Diametrul electrodului d, se determină din Tabelul 5.5. în funcţie de curentul I şi densitatea de curent admisibilă în electrod J

J

Id

4

(5.38)

101010109,59,59ρ [Ωm]·10-6

15161718202428J[A/m²]·104

Grafit

454545424242-ρ [Ωm]·10-6

78891011-J[A/m²]·104

Carbune

>0,40,40,350,30,250,150,1

Diametrul electrozilor, in mDensitatea de curent J[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 plasmăPlasma este starea de trecere între gaz şi fluidul ionizat. Temperatura plasmei depinde de gradul de

ionizare al fluidului ionizat( raportul între densitatea de ioni în volum şi densitatea tuturor particulelor din acelaşi 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 electrozii 2 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 circulă prin camera 6). Jetul de plasmă poate încălzi piesa 7. La generarea plasmei cu ajutorul arcului electric de curent continuu, arcul electric 1 se produce între electrodul 2 şi ajutajul din cupru 5 conectat la polaritatea plus a sursei 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).

Schemele din fig.5.15 [5.6]: a;c reprezintă generatoare de plasmă cu arc netransferat, iar schema din 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 de nul al reţelei. În general, la aceste tipuri de cuptoare, puterea poate fi reglată continuu, atmosfera din cuptor poate fi controlată şi modificată după necesităţi, iar repartiţia temperaturii poate fi optimizată prin variaţia înclinării jetului de plasmă.

Orientativ, cuptorul din fig.5.16;b poate avea o putere necesară de 250kW, randamentul 66....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 2 şi 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 la presiune scăzută, în prezenţa unei bare metalice încălzită prin inducţie; bara determină o anumită repartiţie a câmpului electric, asigurând ionizarea necesară amorsării.

Fig.5.16: Producerea plasmei in cuptoarele cu plasma:. 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.

După amorsare, bara se îndepărtează, iar argonul poate fi înlocuit cu alt gaz plasmogen. Bobina inductoare are 2...8 spire construite şi aşezate astfel încât să asigure o anumită concentrare a câmpului în tub. Atât bobina cât şi tubul sunt răcite permanent cu apă sau gaz.

5.7. Cuptoare cu fascicul de electroni

Încălzirea cu fascicul de electroni constă în transformarea în căldură a energiei electronilor care 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 greu fuzibile şi a metalelor de mare puritate (nichel, cupru şi alte metale neferoase)etc. Deasemenea, există instalaţii ci fascicol de electroni pentru sudare, 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 o tensiune electrică ridicată 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 de deviere a fascicolului de electroni. Între catodul 3 şi anodul 5 se aplică tensiunea înaltă, protecţia mecanică a catodului fiind realizată de blocul 4. Reglând sistemul magnetic 10 se poate dirija direcţia dorită a fascicolului 7.

Schema de principiu a unei instalaţii de topire cu flux de electroni se prezintă în fig.5.19, în care: 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; 8 vid în camera de topire; 9 creuzet răcit cu apă ; 10 mecanism de extracţie a lingoului; 11 lingou, obţinut prin depunerea de picături topite de către fasciculul de electroni; 12 mecanismul de avans al barei; 13 bara din metalul 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 pentruproducerea fascicolului de

electroni

Fig. 5.19: Principiul topiriimetalelor 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.

În afară de instalaţiile de topire cu puteri relativ mari, există şi instalaţii moderne de topire zonală, creşterea monocristalelor, sinterizare, metalizare, sudare fină, care au, în general, puteri mici şi sunt dotate cu mecanisme auxiliare de reglare a poziţiilor relative ale piesei de încălzit şi sursei de electroni.