Încalzirea cu arc electric

Încalzirea cu arc electric

Arcul electric reprezinta o descarcare electrica autonoma, cu o mare densitate de curent, care se stabileste la valori reduse ale tensiunii electrice. Temperatura coloanei de arc electric este de cca. 6000 K si creste cu presiunea, iar temperatura electrolizilor atinge (3000 ÷ 5000) K. Caldura dezvoltata de arcul electric este transmisa mediului, preponderent prin radiatie termica si sta la baza functionarii cuptoarelor cu arc electric.

1. Clasificarea cuptoarelor cu arc electric

Dupa domeniul de utilizare, cuptoarele cu arc electric se clasifica in:

• Cuptoare pentru elaborarea otelurilor - alimentate in curent alternativ trifazat, arcul electric stabilindu-se intre electrozi si incarcatura formata din bucati de otel, fier vechi, deseuri de fier etc.;
• Cuptoare cu arc electric in vid - alimentate, in special, in curent continuu si utilizate pentru obtinerea unor metale de mare puritate;
• Cuptoare pentru reducere cu arc si rezistenta - alimentate in curent alternativ si utilizate la obtinerea fero-aliajelor, materialelor nemetalice greu fuzibile (carbura de siliciu, carbura de calciu etc.) si pentru elaborarea fontei. La aceste cuptoare, arcul electric este acoperit de incarcatura.
• Cuptoare pentru topire sub strat de flux - alimentate in curent alternativ si folosite la obtinerea otelurilor aliate si a altor aliaje metalice de inalta calitate.

2. Cuptoare cu arc electric pentru elaborarea otelurilor

Din punct de vedere electric, aceste cuptoare reprezinta consumatori trifazati cu conexiunea in stea si neutrul izolat, arcul electric stabilindu-se intre cei trei electrozi ai fazelor si incarcatura metalica.

Aceste cuptoare se utilizeaza la elaborarea otelurilor (in special din fier vechi si deseuri de fier) prin doua procedee: de topire si de retopire.

Procedeul de topire cuprinde trei faze:

- topirea propriu-zisa;

- afinarea;

- reducerea (dezoxidarea sau alierea).

În faza de topire, bucatile de fier vechi si deseurile de fier sunt topite de caldura radiata de arcul electric, cuptorul functionand la puterea maxima;

În faza de afinare, dupa topirea completa a incarcaturii se insufla oxigen sau se adauga minereu de fier modificandu-se continutul de carbon, mangan si fosfor in functie de calitatea prescrisa a otelului. Se produce zgura pe baza de calcar, care se ridica la suprafata baii de metal topit si este evacuata din cuptor prin bascularea cuvei acestuia;

În faza de reducere, care incepe dupa evacuarea zgurei, se procedeaza la reducerea continutului de oxigen, de oxizi si de sulf prin adaugarea de siliciu si introducerea elementelor de aliere necesare retetei otelului. La atingerea temperaturii de golire se adauga, din nou, aluminiu sau siliciu pentru dezoxidarea completa.

Procedeul de retopire - este practicat pentru obtinerea otelurilor inalt aliate. Pentru aceasta se aleg deseurile de otel care sa aiba, aproximativ, compozitia finala a otelului ce urmeaza a se elabora si se introduc in cuptor. În procesul tehnologic de producere a otelului se elimina faza de afinare si se scurteaza faza de reducere.

Cuptoarele cu arc electric pentru elaborarea otelurilor au urmatoarele avantaje fata de celelalte tipuri de cuptoare:

• permit utilizarea deseurilor de fier vechi;
• se pot obtine aliaje speciale de oteluri cu crom, nichel, vanadiu si wolfram;
• au capacitate foarte mare, de pana la 400 tone si puteri unitare mari (pana la 150 MVA);
• permit reglajul automat si conducerea proceselor tehnologice cu calculatorul.

Dezavantajele cuptoarelor cu arc electric sunt:

• solicitare termica foarte puternica a peretilor si boltei incintei, datorita radiatiei arcului electric;
• variatii mari de putere intre faza de topire si faza de afinare;
• reprezinta un consumator dezechilibrat si o sursa puternica de regim deformant, generand armonicele 3 si 5;
• functionarea lor este insotita de zgomot puternic (pana la 120 dB) in faza de topire si de producerea si raspandirea unei mari cantitati de praf in faza de afinare.

2.1. Elemente constructive ale cuptorului cu arc electric pentru elaborarea otelurilor

Principalele elemente constructive ale cuptorului cu arc electric sunt:

• cuva de topire;
• mecanismul de basculare al cuvei;
• electrozii si portelectrozii cu mecanismul de deplasare;
• reteaua scurta;
• mecanismul de incarcare al cuptorului.

Toate elementele constructive sunt reprezentate schematic in figura 5.14 impreuna cu transformatorul de alimentare cu energie electrica.

Fig.5.14. Reprezentare schematica, in sectiune, a elementelor componente

ale cuptorului cu arc electric pentru elaborarea otelurilor.

Cuva cuptorului, 1, are forma cilindrica cu baia de topire de forma sfero-tronconica, cu peretii din caramizi de silita sau din magnezita in functie de procedeul acid, respectiv bazic, in care lucreaza cuptorul. Vatra cuptorului este realizata din caramizi de samota sau magnezita peste care se aseaza un praf stampat si sinterizat de nisip legat cu silita solubila (la procedeul acid) sau din granule de magnezita legate cu smoala sau gudron (la procedeul bazic). Cuptorul este invelit la exterior de o carcasa metalica, iar intre peretii cuvei si carcasa se intercaleaza un strat termoizolant din praf de samota sau de diatomita sau chiar din foi de azbest. Peretele cilindric al cuvei are doua orificii, unul pentru amplasarea jgheabului de turnare si celalalt, numit "gura de lucru" pentru scoaterea zgurei si asigurarea accesului in cuptor a materialelor de adaus pentru corectarea procesului tehnologic.

Bolta cuptorului se realizeaza din caramizi fasonate de silita sau de crom-magnezita, fixate pe un inel portant de otel prin interiorul caruia circula apa de racire. Bolta este prevazuta cu patru orificii, dintre care: trei orificii pentru patrunderea electrozilor celor trei faze ale retelei electrice de alimentare si un orificiu pentru evacuarea prafului. Bolta se poate ridica si roti.

Electrozii 3, sunt plasati in varfurile unui triunghi echilateral si strapung bolta prin cele trei orificii ale acesteia. Electrozii sunt confectionati din carbune sau din grafit. Electrozii de grafit se obtin prin incalzirea electrozilor de carbune in cuptoare speciale, la 2500⁰C, ei fiind superiori din punct de vedere mecanic si electric. Ei se consuma mult mai incet. Electrozii au lungimi de (1-3)m si diametre de (100-1000) mm.

Portelectrozii 5 , fixeaza electrozii prin suportii de prindere, 4, si ii alimenteaza cu energie electrica prin intrermediul tevilor portelectrod, 6, realizate din tevi de cupru racite cu apa.

Reteaua scurta, 8 , asigura legatura intre portelectrozi si barele secundare, 10, ale transformatorului de alimentare, fiind realizate din cabluri flexibile din cupru, cu lungimi de m, care sunt parcurse de curenti foarte mari, de peste 100 kA. Cablurile au o constructie speciala din conductoare multifilare de cupru amplasate in jurul unui tub de cauciuc si introduse intr-o manta dubla de cauciuc panzat, intre peretii careia circula apa de racire. Cablurile flexibile sunt de sectiuni mari mm² pe faza, utilizandu-se maximum cate patru cabluri pe faza, in cazul cuptoarelor mari (peste 100 t).

Transformatorul, 11, este de constructie speciala pentru a permite alimentarea cuptorului cu putere variabila in limitele . El se amplaseaza intr-o incinta separata de cuptor printr-un zid de caramida sau beton.

Mecanismul de deplasare pe verticala a electrozilor 7, poate fi de doua tipuri: cu actionare electromecanica (un carucior care se deplaseaza pe un stalp fix) sau cu actionare electrohidraulica (un stalp care poarta portelectrodul si se deplaseaza pe verticala intr-un ghidaj telescopic). Cursa suportului portelectrod poate ajunge pana la 2 m, fiind limitata de niste limitatoare de cursa.

Mecanismul de basculare a cuvei, 2, poate fi actionat electromecanic sau hidraulic. El permite inclinarea cuptorului cu un unghi de (40-45)⁰ inspre partea de golire si cu un unghi de (10-12)⁰ inspre partea de evacuare a zgurei (gura de lucru).

Coloana de pivotare, 9 , actionata hidraulic, asigura ridicarea boltei cuptorului impreuna cu electrozii, cu cca (150-200)mm si rotirea ansamblului cu cca 80⁰ pentru incarcarea cuvei cu material pentru topire.

2.2. Echipamentul electric al cuptorului cu arc

Acesta asigura alimentarea optima cu energie electrica a cuptorului stiind ca in faze diferite ale procesului tehnologic (topire, afinare, reducere), dar si in cadrul unei faze, cuptorul necesita puteri diferite.

Schema electrica monofilara, de principiu, a alimentarii unui cuptor cu arc electric pentru elaborarea otelului este data in figura 5.15.

Fig.5.15. Schema electrica monofilara de alimentare a cuptorului

cu arc electric.

Alimentarea cu energie electrica a cuptorului cu arc electric se realizeaza de la reteaua electrica de medie sau de inalta tensiune prin intermediul unui transformator, , de constructie speciala, care are in secundar tensiunea de si curentul de pana la 160 kA. Tensiunea in secundar se regleaza cu ajutorul a () de prize plasate in infasurarea primara, cu reglaj sub sarcina.

Bobina, , plasata in amonte de transformator, are rolul de a limita valoarea curentilor de scurtcircuit, care apar in faza de topire. Constructiv, bobina se introduce in aceeasi cuva cu transformatorul. La cuptoarele cu capacitate mai mare de 10 tone, bobina nu mai este necesara.

Legatura electrica dintre transformatorul, , si cuptorul, , este asigurata de reteaua scurta, , formata dintr-un sistem trifazat de conductoare a caror mod de conectare influenteaza puternic randamentul si factorul de putere ale cuptorului. Fazele retelei scurte pot fi legate in stea, in triunghi nesimetric sau in triunghi simetric.

Conexiunea in stea se foloseste la cuptoarele de mica capacitate (sub 10 tone) avand avantajul simplitatii constructive si consumului redus de cupru, dar are dezavantajul producerii de regimurilor nesimetrice, prin incarcarea nesimetrica a fazelor datorita impedantelor diferite ale celor 3 faze.

Conexiunea in triunghi nesimetric se utilizeaza la cuptoare de capacitate medie, de tone.

Conexiunea in triunghi simetric se practica la cuptoarele de mare capacitate, de peste 100 tone.

Încarcarea nesimetrica a fazelor retelei scurte produce dezechilibrul puterilor pe faze astfel incat faza cu impedanta cea mai mica va absorbi putere de la faza cu impedanta cea mai mare. Circulatia puterilor intre faze determina cresterea puterii fazei de impedanta minima, care va deveni "faza tare" si micsorarea puterii fazei de impedanta maxima, care va deveni "faza slaba". Acest fenomen are ca efect erodarea mai rapida a captuselii peretelui cuvei in dreptul fazei tari si scaderea productivitatii cuptorului, deoarece micsorarea puterii fazei slabe este mai accentuata decat marirea puterii fazei tari.

Pentru cuptoarele cu arc electric avand capacitatea de peste 15 tone se utilizeaza agitatorul inductiv, , montat sub cuva de topire, in scopul amestecarii, in profunzime, prin inductie electromagnetica, a baii de metal topit. Se obtine, astfel, omogenizarea temperaturii si compozitiei chimice a sarjei, accelerarea reactiilor chimice de oxido-reducere si a topirii adausurilor de aliere, insa apare si fenomenul de erodare rapida a vetrei cuptorului. De aceea, la cuptoarele de mare capacitate (peste 100 t) se renunta la agitatorul inductiv.

Datorita factorului de putere redus in faza de afinare, cuptorul este prevazut cu o instalatie de compensare a necesarului de putere reactiva, formata din bateria de condensatoare, C.

Cuptorul cu arc electric fiind si o sursa de regim deformant (in special pentru armonicele 3 si 5) trebuie echipat si cu filtre absorbante de armonice acordate pe armonicele 3 si 5.

3. Sudarea cu arc electric

La sudarea cu arc electric, arcul se stabileste intre un electrod si piesele care urmeaza a fi imbinate. Electrodul, format dintr-o vergea metalica intr-un invelis din material de protejare a spatiului de arc, se topeste la temperatura arcului si se combina cu materialul pieselor, topit local din cauza temperaturii arcului electric. Se formeaza astfel, dupa racire, o imbinare nedemontabila.

Sudarea se poate realiza cu arc deschis (neprotejat) sau cu arc acoperit de un strat de material protector numit flux, precum si cu arc protejat care arde intr-o atmosfera de argon, heliu, dioxid de carbon sau alte gaze protectoare.

Sursele de sudare se aleg in functie de curentul prin arc, I_a si de tensiunea la bornele arcului, U_a. Caracteristica externa a surselor este puternic cazatoare, sursele avand urmatoarele conditii:

tensiunea de mers in gol , unde , pentru amorsarea arcului electric;

curentul de scurtcircuit ; valorile mai mici decat plaja prescrisa fac dificila aprinderea arcului, iar valorile mai mari duc la improscarea materialului sudurii;

sa permita reglarea regimului de sudare fie prin modificarea tensiunii de mers in gol (fig.5.18,a), fie prin modificarea inductivitatii L a sursei (fig.5.18,b), fie utilizandu-se o metoda combinata (fig.5.18,c).

Sursele de curent alternativ cele mai utilizate pentru sudare sunt transformatoarele de sudura care sunt transformatoare speciale la care alura cazatoare a caracteristicii externe se obtine marind reactanta de scurtcircuit fie cu ajutorul unei bobine suplimentare montata pe un miez feromagnetic separat sau in comun cu cel al transformatorului, fie utilizand sunturi magnetice.

Pentru sudarea in curent continuu se utilizeaza, ca surse, generatoarele de sudura, care pot fi rotative (grupuri electrogene formate din motor de antrenare si generator de sudare) sau statice (redresoare de sudare).

Energia electrica necesara in procesul de sudare se poate determina cunoscand parametrii procesului, si anume: durata efectiva a procesului de sudare, si timpul de mers in gol, , a utilajului, necesar pentru schimbarea electrozilor si pentru reglaje.

Energia electrica utilizata rezulta din relatia:

(5.112)

unde este puterea absorbita de echipamentul de sudura pe durata, , efectiva a procesului, iar este puterea absorbita de echipamentul de sudura la mersul in gol. Daca echipamentul de sudura are sistem automat de deconectare mersul in gol, rezulta: .

Puterea activa necesara echipamentului de sudare pe durata efectiva a procesului este:

(5.113)

unde este randamentul circuitului de alimentare (pierderi inclusiv in arcul electric).

Relatia energiei electrice utilizate se mai poate scrie si sub forma:

(5.114)

unde coeficientul caracterizeaza duratele de pauza ale procesului.

Durata efectiva a procesului, , se poate calcula in functie de cantitatea de material care urmeaza a fi depusa in cusatura de sudura:

(5.115)

unde:- raportul dintre materialul efectiv depus in cusatura si masa teoretica a materialului  necesar imbinarii;

- lungimea cordonului de sudura;

- aria transversala a rostului dintre materialul de imbinat (aria din interiorul materialului);

g - densitatea materialului;

- cantitatea de material depusa in unitatea de timp.

Coeficientul este supraunitar pentru ca masa reala depusa depaseste masa teoretica din cauza suprainaltarii cusaturii, vaporizarii unei parti din material, aruncarea de stropi etc.

Consumul de energie electrica in procesele de sudare poate fi limitat si prin controlul duratei de mers in gol a surselor de alimentare.

Deoarece arcul electric este o sarcina neliniara, variabila in timp, aceasta determina in reteaua electrica de alimentare perturbatii importante sub forma de armonici de curent.

Spectrul armonicelor produse de sudare electrica cu arc poate fi determinat, intr-o prima aproximatie, cu relatiile:

instalatii de sudura la tensiune alternativa (alimentate intre doua faze):

(5.122)

instalatii de sudura la tensiune continua (redresare cu 6 pulsuri):

(5.123)

În aceste relatii, marimile fizice au urmatoarea semnificatie: - puterea aparenta nominala a instalatiei de sudura; - coeficientul de incarcare a sursei (k_s = S_r/S_n,, unde S_r - puterea aparenta reala absorbita de instalatia de sudare; - durata relativa de actionare; - rangul armonicei - tensiunea nominala la barele de alimentare.

Pentru reducerea nivelului perturbatiilor sub forma de armonici, pana la valorile impuse de normative se utilizeaza diferite solutii de filtrare (filtre pasive, filtre active si filtre mixte). În toate cazurile, solutia de filtrare trebuie analizata in corelare cu solutia privind compensarea factorului de putere.

Uzual, rezolvarea problemelor legate de perturbatiile sub forma de armonici si compensarea factorului de putere se face la barele de alimentare a intreprinderii, deoarece acolo are loc sumarea tuturor perturbatiilor produse la receptoarele electrice neliniare.

În intreprinderile cu pondere importanta a procedeelor manuale de sudare, apare si fenomenul de flicker, determinat de instabilitatea arcului electric.

În general, pentru a nu se afecta functionarea receptoarelor sensibile la perturbatii, alimentarea cu energie electrica a instalatiilor de sudare cu arc electric se face de la bare separate, iar daca este necesar, se adopta si masuri specifice de limitare a fenomenului de flicker.