CUPTOARE CU ARC ELECTRIC

Cuptoarele cu arc electric folosesc căldura dezvoltată în canalul arcului electric,

pentru încălzirea şi topirea metalelor.

1. TIPURI DE CUPTOARE CU ARC ELECTRIC

a) Clasificarea cuptoarelor cu arc electric funcţie de modul de transfer a

energiei termice spre materialele de încălzit:

cuptoare cu acţiune directă (arcul electric se dezvoltă între electroni şi material);

(a)

cu acţiune indirectă (arcul electric se dezvoltă între 2 electrozi, iar căldura se

transmite spre materialul procesat în special prin radiaţie); (b)

cu acţiune mixtă, arc electric şi rezistenţă (are loc o disipare a căldurii atât în arcul

electric, cât şi în rezistenţa electrică a materialului . (c)

Tipuri de cuptoare cu arc electric.

b) Clasificarea cuptoarelor cu arc electric după domeniul de utilizare:

1. cuptoare pentru elaborarea oţelurilor , în construcţie 3f, cu acţiune indirectă (arcul

se stabileşte între electrozii conectaţi în triunghi) sau cu acţiune directă (arc electric

între electrozi - metal)

- capacitate: 400 tone

- puteri unitare: 120 MVA ... 80 MW (consum specific de energie electrică:

500...640 KWh/t)

( a ) ( b ) ( c )

- căptuşeală bazică ( datorită procesului metalurgic )

2. cuptoare pentru afinare şi aliere (asemănătoare cu cele de la (1), cu puteri unitare

sub 4 MVA)

3. cuptoare pentru reducere cu arc şi rezistenţă electrică (producere feroaliaje şi

materiale obţinute din oxizi)

- electrozii sunt introduşi în interiorul materialului topit (arcul se stabileşte în

interiorul încărcăturii).

- se foloseşte pentru reducerea minereurilor în prezenţa cărbunelui reducător,

la temperaturi ridicate şi pentru grafitare.

4. cuptoare cu arc electric sub vid, cu acţiune directă, alimentate în special la

tensiune continuă (producerea elementelor greu fuzibile şi active chimic Mo, Zr, T şi

oţeluri de calitate superioară).

2. STABILITATEA ARCULUI ELECTRIC

Prin stabilitatea arcului electric se înţelege aprinderea acestuia după trecerea

curentului prin zero şi limitarea creşterii curentului electric datorită alurii negative a

caracteristicii statice a arcului.

La trecerea prin zero a curentului electric, temperatura spaţiului arcului scade

şi are loc deionizarea arcului. Pentru reaprinderea arcului se impune ca valoarea

tensiunii de alimentare să fie mai mare decât tensiunea de aprindere U > Uap

(tensiunea de aprindere se mai numeste tensiune de amorsare, Uam).

Dacă condiţia U > Uap este realizată în momentul stingerii arcului electric, se

produce reaprindere imediată a arcului (în caz contrar apare "pauza de curent ").

Dacă pauza de curent este prea mare, tensiunea de amorsare a arcului creşte

peste valoarea pe care o poate furniza sursa (Usursa < Uap) şi are loc stingere definitivă

a arcului.

M

i

U

UA

ISC

2

1αa

αs

N

0 I

1 – caracteristica arcului electric;

2 – caracteristica externă a sursei

de alimentare;

M – punct de ardere stabilă a arculuielectric.

Punctul de funcţionare a arcului electric.

Observaţie: La variaţia sarcinii, revenirea în punctul stabil M este cu atât mai rapidă

cu cât panta caracteristicii externe a sursei este mai mare.

Reamorsarea arcului electric după trecerea prin zero a curentului electric în

circuit depinde în mare măsură de parametrii circuitului.

3.TIPURI DE ALIMENTARE

Caz I: Circuit de alimentare cu caracter rezistiv

Pe durata arderii arcului electric alimentat cu tensiunea alternativă, schema

echivalentă a circuitului de alimentare este:

În figura anterioară R, L sunt parametrii echivalenţi ai circuitului de alimentare,

iar RA este rezistenţa electrică (variabilă) a arcului electric.

Dacă L 0 (caracter rezistiv) us = Ri + ua iu uR

s a=-

t1 – momentul amorsării arcului electric ( Us = Uam) ;

t2 – momentul stingerii arcului electric ( Us = Ust) 

Amorsarea arcului într-un circuit rezistiv

t

i, u

Uam

0

uA

tti

t3

t2t1

uS

Ust

US

R

UARAuS

În cazul uzual al cuptoarelor de putere mare se poate considera într-o primă

aproximaţie:

Uam Ust UA

ISC - amplitudinea curentului de scurtcircuit.

pauza de curent va fi:

t =

Arderea arcului electric cu " pauza de curent " determină o funcţionare instabilă a

acestuia, iar curba curentului electric este puternic deformată.

Caz II: Circuit de alimentare cu caracter inductiv (R 0)

Amorsarea arcului într-un circuit cu caracter inductiv

us =

condiţia ca arcul electric să ardă fară pauze este:

Us sin Uam

sau sin

Se poate demonstra că pentru a avea curent neântrerupt trebuie ca:

0.54 US ( tensiunea de alimentare trebuie aleasă astfel încat să

existe relaţia ).

sau : cos /2*0.54=0.85

UARA

L

uS

cos =

Concluzie: Pentru a exista un curent neîntrerupt trebuie

aleasă inductivitatea L astfel încât să se asigure un defazaj corespunzător între

curbele de tensiune şi curentul electric (pentru ca la trecerea prin zero a curentului

electric tensiunea sursei să fie suficient de mare încât să determine reamorsarea

practic instantanee a arcului electric.)

- defazajul dintre i şi us.

Lipsa pauzei de curent se explică prin aceea că la trecerea tensiunii us prin

zero, curentul prin arc e menţinut datorită tensiunii de autoinducţie care apare pe

bobină ( este > Uap )

Caz III: Cazul general ( R 0, L 0)

După amorsarea arcului electric este valabilă relaţia:

Se constată că pentru a obţine o ardere eficientă a arcului electric ( curent

neântrerupt ) este necesar ca instalaţia să funcţioneze cu un factor de putere natural

sub 0,85 ( cos 0,85 ), sau altfel spus, tensiunea de alimentare să fie suficient de

mare pentru a fi îndeplinită condiţia:

uS

ωt

i

Πφ

u, i

0

R

UARA

Li

uS

Us Us 1,4 UA

Arcul trifazat prezintă avantajul echilibrării încărcării reţelei de alimentare.

În cuptorul cu arc electric (sistem trifazat cu neutru izolat) reaprinderea arcului

stins a uneia dintre faze se face mai rapid decât în cazul arcului monofazat datorită

creşterii tensiunii pe faza stinsă (creşte stabilitatea arcului electric ).

În cazul cuptoarelor de putere mare, arderea stabilă are loc şi pentru cos >

0,85, datorită temperaturii ridicate a electrozilor şi a inerţiei termice a acestora.

În practică, pentru a asigura stabilitatea arcului electric se conectează o bobină

în serie cu circuitul de alimentare. În cazul cuptoarelor de putere mare, inductivitatea

proprie a circuitului de alimentare este suficientă pentru a asigura stabilizarea arcului

electric.

uS

ωt

i

Πφ

u, i

0