Instalatii cu rezistenta electrica cu incalzire directa

Instalatii cu rezistenta electrica cu incalzire directa

1. Instalatii pentru incalzirea directa a semifabricatelor

Incalzirea semifabricatelor pentru prelucrarea lor ulterioara la cald sau pentru realizarea unor tratamente termice utilizand in acest scop curentul electric, in functie de procesul tehnologic si de tipul materialului care urmeaza a fi incalzit, se face in instalatii cu actiune discontinua sau in instalatii cu actiune continua.

1.1. Instalatii de incalzire electrica cu actiune discontinua

Incalzirea semifabricatelor pentru prelucrarea lor prin forjare sau matritare, in industria moderna, se realizeaza prin trecerea unui curent electric prin semifabricat si aducerea lui la temperatura de prelucare.

Schema de alimentare cu energie electrica a unei instalatii cu incalzire directa este indicata in fig.3.8.

Semifabricatul 1 este conectat in circuit prin inter­mediul electrozilor 2.1 si 2.2, alimentati de la transfor­ma­to­rul de curent intens 3. Circuitul dintre transformatorul 3 si electrozii 2.1 si 2.2, dimensionat pentru curen­tul intens din circuit, este numit in mod uzual “retea scurta” 4.

Instalatiile de incalzire directa au in general puteri unitare relativ mari, astfel ca pentru a evita introducerea in reteaua electrica de alimentare a unor nesimetrii importante, peste cele admisibile, conectarea la reteaua uzinala se face prin intermediul unei scheme de simetrizare 5. Pentru compensarea locala a factorului de putere, este conectata bateria de condensatoare 6.

Reglarea tensiunii la bornele electrozilor si deci reglarea intensitatii curentului electric prin semifabricat se face in primarul transformatorului de alimentare (circuit de curent relativ redus).

In fig.3.9 [4.4] sunt indicate curbele de incazire ale unui semifabricat din otel (OLC), de sectiune patrata, cu latura de 4,2 cm, pentru diferite valori ale curentului electric care parcurge semifabricatul (determinand durate diferite ale procesului de incalzire).

Pentru temperaturi sub punctul Curie, cea mai mare parte a caldurii se disipa in stratul superficial al semifabricatului deoarece adancimea de patrundere d in material este relativ mica (permeabilitatea magnetica este mare) si deci temperatura suprafetei exterioare este superioara temperaturii in axul semifabricatului.

Pentru temperaturi peste punctul Curie, adancimea de patrundere d creste (permeabilitatea magnetica relativa devine practic unitara), apare o degajare intensa de caldura si in profunzimea materialului iar datorita pierderilor termice prin suprafata exterioara, temperatura acesteia este mai redusa decat in axul semifabricatului.

Intensitatea curentului electric I₂ care parcurge semifabricatul poate fi calculata din relatia:

(3.28)

in care R’_s este rezistenta electrica a semifabricatului incluzand rezistenta de contact intre electrozii 2.1 si 2.2 si semifabricat, R_rs este rezistenta electrica a retelei scurte iar X_s si X_rs sunt reactantele corespunzatoare.

Impedanta retelei scurte depinde in mare masura de configuratia geometrica a acesteia iar determinarea sa se face analitic sau, de cele mai multe ori, experimental, pentru fiecare constructie concreta.

Impedanta semifabricatului din material feromagnetic sau nemagnetic, se determina in functie de valoarea corespunzatoare masurata la tensiune continua (fig. 3.10) [3.4].

In fig.3.10, raza r a semifabricatului cilindric este raportata la adancimea de patrundere d in material.

Curbele din fig. 3.10 pot fi folosite si pentru semifabricate cu o alta forma a sectiunii transversale daca variabila r se inlocuieste cu variabila 2 A p unde A este aria sectiunii transversale, iar p este perimetrul acesteia.

Permeabilitatea magnetica m m m_r depinde de intensitatea curentului electric in  circuit, de temperatura semifabricatului precum si de caracteristicile de material ale acestuia.

Variatia cu temperatura a permeabilitatii magnetice relative m_r a materialelor feromagnetice poate fi determinata pe baza unei relatii de forma:

(3.29)

In relatia (3.29), c_m este susceptivitatea magnetica a materialului (valori indicate in fig. 3.11) pentru diferite materiale si pentru diferite intensitati ale campului magnetic) iar j q) este o functie adimensionala dependenta de temperatura (fig. 3.12).

Puterea activa P absorbita de instalatia de incalzire din reteaua electrica de alimentare rezulta:   

(3.30)

in care

DP este puterea activa absorbita de transformatorul de curent intens, la functionarea in gol,

DP_tr  pierderile active in infasurarea transformatorului la functionarea in sarcina,

DP_rs  pierderile active in reteaua scurta,

DP_c  pierderile active in contactele cu semifabricatul de incalzit,

P_u  puterea activa disipata in semifabricat.

Randamentul electric h_e al instalatiei se determina din relatia:

. (3.31)

Randamentul total h_t al instalatiei rezulta:

(3.32)

Randamentul termic h_termic este raportul dintre cantitatea de caldura Q_u utilizata pentru incalzirea semifabricatului si cantitatea de caldura Q degajata in semifabricat (corespunzatoare puterii disipate P_u):

Proiect: Echipamente si instalatii de stingere a incendiului - prescriptii generale Eseu: Specificatie tehnica - fitinguri canalizare sudate din pvc

(3.33)

in care DQ sunt pierderile de caldura prin suprafata laterala a semifabricatului.

Pentru cazul concret al incalzirii electrice a unei bare, in fig. 3.13 este indicat bilantul energetic ale procesului. Se observa faptul ca randamentul electric este practic 90,5% iar randamentul termic este circa 87,5%.

Randamentul energetic al procesului este de aproximativ 26,5%, avand in vedere si randamentul de obtinere a energiei electrice in centralele electrice (circa 34%).

Factorul de putere l din primarul transformatorului de curent intens (pe barele de alimentare) este practic egal cu factorul de putere l din secundarul acestuia,

. (3.34)

In instalatiile uzuale, tensiunea din secundarul transformatorului are valori de 5 150 V, puterea transformatorului de curent intens poate fi de 0,1 10 MVA, curentul electric I₂ poate atinge 40 kA, iar factorul de putere l poate avea valori de 0,3

Pentru cazul cel mai intalnit al incalzirii semifabricatelor din otel, consumul specific de energie electrica este de 200 350 kWh t.

Productivitatea D a procesului de incalzire rezulta ca raportul dintre masa m a produsului si durata totala a procesului

. (3.35)

Durata totala t cuprinde durata t_i a procesului de incalzire a semifabricatului pana la temperatura prescrisa si durata t_p a pauzei dintre doua procese succesive de incalzire.

Durata pauzei cuprinde intervalele de introducere a semifabricatului in proces si de scoatere a acestuia din instalatie.

Durata t_p este o marime specifica fiecarei instalatii si este determinata, in general, pe cale experimentala.

Durata de incalzire t_i poate fi determinata analitic ca suma a unor intervale de timp Dt_ik, pe fiecare interval k fiind posibila aproximarea printr-o valoare constanta a coeficientului a de transmisie termica (a se vedea  relatia 3.4) si a caldurii masice c

. (3.36)

Durata t_i a procesului de incalzire rezulta:

. (3.37)

In relatia (3.37) s-a considerat ca procesul de incalzire a fost analizat pe n intervale.

In instalatiile reale, durata t_i a procesului de incalzire este de 20 180 s, iar durata t_p, in instalatiile de productivitate ridicata, poate fi redusa pana la cateva secunde.

Eficienta procesului de incalzire directa a semifabricatelor depinde intr-o masura importanta de realizarea contactului electric cu materialul semifabricatului. Contactele pot fi de tipul lateral, frontal sau mixt (fig. 3.14). In mod uzual sunt utilizate contacte frontale si doua sau mai multe contacte laterale tip deget (fig. 3.14 a) si fig. 3.14 c)).

Pentru semifabricate de lungime redusa (limitata de flambarea la temperatura de lucru) pot fi luate in consideratie si solutii numai cu contacte frontale (fig. 3.14 b)). Pentru incalzirea numai a unei portiuni dintr-un semifabricat pot fi folosite contacte tip bac (fig. 3.14 d)).

Contactele trebuie sa fie realizate din materiale cu conductivitate electrica ridicata, conductivitate termica redusa si rezistenta mecanica ridicata. Contactele se realizeaza din cupru sau bronz si se asigura racirea lor cu apa. Numarul contactelor se alege in functie de configuratia specifica si de valoarea curentului electric din circuit. In mod uzual, un contact permite trecerea unui curent electric de cel mult 10 kA.

Ca exemplu, in fig. 3.15 este indicata schema de realizare a supapelor auto prin matritare. Semifabricatul cilindric 1 este plasat intre suportul 2 si elementul 3.1 care are rol si de contact frontal. Tensiunea din secundarul transformatorului 4 se aplica intre contactul frontal 3.1 si contactul 3.2 sub forma de bac. Dupa incalzirea portiunii dintre cele doua contacte, electrodul 3.1 este actionat cu forta F iar materialul ocupa spatiul impus de matrita 5. Se obtine astfel forma dorita a produsului.

Procedeul permite obtinerea de produse in serie mare, cu mare productivitate, intreg procesul fiind controlat de un sistem automat. Parametrul principal controlat este temperatura materialului in zona care urmeaza a fi deformata. In acest sens, sunt controlate intensitatea curentului electric din circuit ca si durata sa de trecere.

1.2. Instalatii de incalzire cu actiune continua

Instalatiile de incalzire directa cu actiune continua sunt utilizate la incalzirea semifabricatelor sub forma de sarma, banda, tabla. Acestea se deplaseaza cu viteza constanta iar prin intermediul unor contacte alunecatoare, portiunea din semifabricat cuprinsa intre cele doua sisteme de contacte este incalzita datorita trecerii curentului electric.

Ca exemplu, in fig.3.1­6 este indicata schema de principiu a unei instalatii pentru acoperirea cu strat din plumb, la cald a sarmelor din fier.

Sarma 1 care urmeaza a fi acoperita cu plumb este parcursa de curent electric, intre cuvele 2.1 si 2.2 care contin plumb topit. Cele doua cuve sunt izolate fata de pamant cu ajutorul izolatoarelor suport 3. Alimentarea cu energie electrica se poate face la tensiune alternativa sau la tensiune continua. In ultimul caz, sursa 5 asigura atat simetrizarea sarcinii cat si posibilitatea controlului eficient al procesului de incalzire prin reglarea valorii medii a curentului electric prin sarma incalzita (prin comanda tiristoarelor din schema). Controlul procesului de incalzire este posibil si prin reglarea vitezei de antrenare a sarmei sau prin modificarea lungimii sale intre cuvele 2.1 si 2.2 (prin modificarea pozitiei in plan vertical a rolei 4).

Viteza de antrenare a sarmei nu depaseste 8 m s iar temperatura acesteia poate atinge 1000 C. In functie de diametrul sarmei, instalatiile de acest tip pot avea puteri unitare pana la 1 MVA.

2. Cuptoare industriale cu incalzire directa

Cuptoarele electrice cu incalzire directa sunt utilizate pentru grafitare, pentru producerea carborundului, pentru mentinerea in stare topita a sticlei, pentru realizarea de tratamente termice in bai de tratare ca si pentru incalzirea apei.

Cuptoarele pentru grafitare (fig. 3.17) sunt realizate ca o incinta C din samota, la capetele careia sunt introdusi electrozii E din carbune. In interiorul incintei sunt introduse piesele M care urmeaza a fi grafitate (perii si electrozi din carbune tehnic) si o masa B care cuprinde blocuri din grafit si cocs. Grafitarea are loc prin incalzirea lenta pana la 2400 C, la trecerea curentului electric intre electrozii E. Urmeaza apoi o racire lenta a cuptorului. Un ciclu de productie dureaza 7 13 zile.        Alimentarea cuptorului se face de la un transformator T cu prize, pentru a fi posibila reglarea temperaturii in cuptor.

Puterea unitara a instalatiei poate atinge 10 MVA, tensiunea secundara a transformatorului este de 5 150 V iar factorul natural de putere, la barele de alimentare, este de circa 0,5. Consumul specific de energie electrica este de 4000 6000 kWh t.

Cuptorul pentru producerea carborundului are o forma asemana­toare celui pentru grafitare. In interiorul incintei realizata din samota se introduce cocs si nisip silicios. Prin incalzirea amestecului pana la 2700 C, datorita trecerii curentului electric prin incinta, are loc reactia de combinare a carbonului cu siliciul.

Puterea unitara a instalatiei poate ajunge la 3 MVA iar tensiunea in secundarul transformatorului de alimentare este de 200 350 V. Consumul specific de energie este de 6500 7500 kWh t.

Incalzirea sticlei in cuptoarele electrice (fig. 3.18) se bazeaza pe faptul ca la temperaturi peste 200 C sticla devine conductoare (r Wm).

Electrozii 4 introdusi in camera de topire 1 ca si in camera de tragere 2 asigura temperatura necesara dispozitivului de tragere 5 pentru obtinerea sticlei 6 sub forma de foi.

Transformatorul 7, cu prize reglabile, permite controlul temperaturii in interiorul cuptorului. Prin gura de incarcare 3 se asigura introducerea materialelor necesare realizarii compozitiei necesare.

Puterea unitara a instalatiei este de 50 1500 kVA iar consumul specific de energie este de 2300 2600 kWh t.

In categoria instalatiilor de incalzire directa intra si cuptoarele electrice pentru tratamente termice (fig. 3.19). Incalzirea baii de tratare, in care sunt introduse piesele care urmeaza a fi supuse tratamentului termic, se face prin trecerea curentului electric prin solutia, convenabil aleasa, aflata in stare lichida in interiorul baii B. Initial, solutia este adusa in stare topita prin incalzire cu ajutorul rezistorului R. Acesta este deconectat cu ajutorul intreruptorului I dupa ce solutia a ajuns la temperatura de lucru. In continuare, temperatura baii este mentinuta prin trecerea curentului electric intre cei doi electrozi E₁ si E₂ prin solutia in stare lichida.

Intre electrozii E₁ si E₂, conectati la iesirea transformatorului T este o tensiune de 8 15 V, reglabila in functie de temperatura necesara in baie.

Solutia din interiorul baii se alege in functie de temperatura care trebuie obtinuta si in functie de tratamentul termic realizat. Astfel, azotatul de sodiu (NaNO₃) are temperatura de lucru de 308 C, clorura de sodiu (NaCl) o temperatura de lucru de 776 C iar amestecul de clorura de sodiu si clorura de kaliu (44% NaCl si 56% KCl) are temperatura de lucru de 640   C.

Temperatura din interiorul baii poate fi mentinuta cu o abatere de maxim 3% fata de valorile prestabilite.

Incalzirea apei poate fi realizata in boilere de constructie speciala (fig. 3.20) in care caldura rezulta la trecerea curentului electric prin apa de incalzit.

In interiorul recipientului metalic 1 este plasat electrodul fix 6, compus din trei portiuni izolate electric 6.1, 6.2 si 6.3 la care se conecteaza cele trei faze ale retelei electrice de alimentare si electrodul mobil 4 aflat la potentialul pamantului si actionat de dispozitivul 5. Electrozii ficsi 6.1, 6.2 si 6.3 sunt plasati pe izolatoarele de trecere 7.1, 7.2 si respectiv 7.3.    Apa rece patrunde prin orificiul 2 si, dupa incalzire intre electrozii 6 si 4, iese prin orificiul 3 la temperatura impusa.

Temperatura apei se regleaza prin modificarea pozitiei electrodului mobil 4. Cu cat electrodul mobil 4 este mai jos cu atat apa parcurge un traseu mai lung de incalzire si deci temperatura medie este mai mare. Reglarea temperaturii apei poate fi realizata si prin modificarea valorii curentului electric in circuit la modificarea tensiunii aplicate, prin modificarea vitezei de circulatie a apei dar si prin modificarea rezistivitatii apei prin adaugare de saruri intr-o cantitate controlata (de exemplu, prin intro­du­ce­rea de sulfit de sodiu Na₂SO₃).

In mod asemanator pot fi realizate cazane pentru abur tehnologic, la presiuni pana la 4 MPa, cu puteri absorbite pana la 20 MW si tensiuni de alimentare de 10 30 kV.

3.  Cuptoare electrice de topire 

sub zgura

Metodele actuale de obtinere a otelurilor superioare cuprind doua stadii. In prima etapa, in cuptoare industriale (cuptoare cu arc electric, cuptoare Martin, cuptoare cu inductie electro­magnetica) se elaboreaza otelul plecand de la fier vechi si fonta. In procesul de preparare, metalul lichid in contact cu zidaria refractara reactioneaza chimic sau include particule din aceasta zidarie. In acest fel, in metalul lichid pot aparea incluziuni nemetalice. De asemenea, incluziunile nemetalice pot aparea datorita reactiilor chimice dintre metalul topit si gazele absorbite de acesta din atmosfera cuptorului.

La turnarea din cuptor a metalului lichid, are loc un proces de oxidare si absorbtie de azot. De asemenea, in procesul de racire a lingourilor pot aparea fisuri, pori, bule cu gaz.

Metalul obtinut in aceasta etapa are, de cele mai multe ori, caracteristici fizice si mecanice neperformante. Din acest motiv, obtinerea unui material de calitate superioara necesita rafinarea metalului primar.

Rafinarea se poate face in instalatii de topire in vid (cuptoare cu plasma, cuptoare cu fascicul de electroni, cuptoare cu inductie electromagnetica in vid) in care se obtine, in primul rand, degazarea si omogenizarea sau in cuptoare electrice cu topire sub zgura [3.5]. Cuptoarele electrice cu topire sub zgura (fig.3.21) sunt utilizate atat pentru obtinerea de oteluri de calitate superioara dar si a unor materiale metalice rare, plecand de la aglomerate sub forma de electrozi.

Electrodul consumabil 1 (fig. 3.21) realizat din materialul care urmeaza a fi rafinat este introdus in zgura conductoare 2 aflata in stare lichida. Creuzetul metalic 3 ca si suportul din cupru 4 sunt racite cu apa.

Curentul electric din circuit (2 50 kA), trecand prin zgura conductoare, conduce la mentinerea acesteia la temperatura ridicata (1600 C). Caldura din baia de zgura se transmite si electrodului 1 astfel ca varful acestuia incepe sa se topeasca.

Picaturile metalice care cad din varful electrodului traverseaza baia lichida de zgura si se depun in cristalizatorul 3 sub forma de lingou 5, la suprafata caruia ramane o lentila cu metal lichid.

In procesul de solidificare, pe partea laterala a lingoului, se depune un strat din zgura (1 3 mm) care asigura o izolatie naturala, electrica si termica, a lingoului fata de creuzet.

Metalul obtinut in aceste cuptoare se caracterizeaza printr-un continut redus de gaze si incluziuni nemetalice, densitate ridicata si calitati mecanice si fizice superioare. Calitatile deosebite ale materialului obtinut sunt datorate si trecerii picaturilor metalice prin zgura activa chimic si apoi solidificarii rapide in cristalizatorul racit cu apa.

Pentru realizarea zgurii topite, initial pe suportul 4 se plaseaza o placa din otel care are rolul de a proteja suportul din cupru la actiunea arcului electric. Pe placa din otel se plaseaza pilitura din fier si componentele in stare solida care vor forma zgura electroconductoare.

La aplicarea tensiunii, intre electrodul 1 si placa din otel apare un arc electric care asigura formarea baii lichide. Dupa formarea baii lichide, arcul electric se stinge iar temperatura baii se mentine datorita caldurii degajate la trecerea curentului electric prin baie. Etapa initiala de formare a baii lichide poate fi evitata prin aducerea din exterior de zgura in stare lichida.

Lingoul format in interiorul cristalizatorului poate avea lungimi relativ mari deoarece electrodul 1 si cristalizatorul 3 pot fi translatate in sus cu o viteza dependenta de viteza de depunere a metalului.

Zgura electroconductoare poate contine fluorura de calciu, var, oxid de magneziu, bioxid de siliciu etc. Modificarea compozitiei zgurii topite asigura modificarea temperaturii de topire, a conductivitatii electrice ca si a vascozitatii materialului din baie.

Alegerea corespunzatoare a compozitiei zgurii asigura modificarile dorite in compozitia lingoului elaborat. Astfel, este posibila reducerea cantitatii de sulf ca si inlaturarea incluziunilor nemetalice (prin flotatie sau reactii chimice cu baia de zgura).

Principalele caracteristici ale acestei metode de elaborare a metalelor sunt:

cost redus al instalatiei avand in vedere lipsa echipamentelor necesare realizarii vidului,

posibilitatea de a actiona asupra caracteristicilor metalului elaborat prin utilizarea de zgura cu diferite proprietati chimice,

calitatea suprafetei exterioare a lingoului scos din cristalizator permite renuntarea la ebosare (finisare),

pot fi obtinute lingouri de dimensiuni relativ mari.

Raportul dintre diametrul electrodului si al creuzetului este in mod uzual de 0,4 0,6. Diametrul creuzetului este de 200 1000 mm. Pot fi obtinute lingouri pana la 200 tone.

Alegerea corespunzatoare a formei cristalizatorului permite si obtinerea de piese de diferite forme (vase de inalta presiune, corpuri de robineti etc).

Schema electrica de alimentare este in mod obisnuit monofazata, cu un singur electrod (fig.3.22).

Puterea unitara a acestor instalatii de topire este de 1 10 MVA, ceea ce impune analiza problemelor de simetrizare a sarcinii (in fig. 3.22 este indicata instalatia de simetrizare S). La barele de alimentare, este conectat filtrul de armonice F.

Utilizarea tensiunii continue pentru alimentarea instalatiei de topire are principalul dezavantaj ca, datorita campurilor magnetice foarte intense din zona, poate fi afectat procesul de depunere a masei lichide. De asemenea, campurile magnetice conduc la magnetizarea pieselor metalice din zona, cu efecte negative asupra controlului proceselor din cuptor. In acelasi timp, campurile magnetice intense din zona de lucru au efecte negative asupra personalului de exploatare.

In mod uzual, alimentarea electrodului E se face de la transformatorul monofazat T, prin intermediul retelei scurte RS. Reteaua scurta RS, parcursa de curent intens, are un rol deosebit de important in stabilirea performantelor energetice ale instalatiei.

Pentru a reduce influenta reactantei circuitului care limiteaza valoarea curentului din circuit, instalatiile moderne utilizeaza ca sursa de alimentare convertizoare de joasa frecventa (3 10 Hz).

Consumul specific de energie electrica la aceste cuptoare este de 1200 1600 kWh t [4.6] iar factorul de putere natural este de 0,6