1 | P a g e - S i s t e m e d e c o n v e r s i e e l e c t r o t e r m i c a

CURS 3

CUPTOARE CU ARC ELECTRIC

Cuptoarele cu arc electric folosesc cldura dezvoltat n canalul arcului electric, pentru

nclzirea i topirea metalelor.

3.1 TIPURI DE CUPTOARE CU ARC ELECTRIC

a) Clasificarea cuptoarelor cu arc electric funcie de modul de transfer a energiei termice spre

materialele de nclzit:

cuptoare cu aciune direct (arcul electric se dezvolt ntre electroni i material); (a)

cu aciune indirect (arcul electric se dezvolt ntre 2 electrozi, iar cldura se transmite spre

materialul procesat n special prin radiaie); (b)

cu aciune mixt, arc electric i rezisten (are loc o disipare a cldurii att n arcul electric, ct i

n rezistena electric a materialului . (c)

Fig. 3.1 Tipuri de cuptoare cu arc electric.

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

1. cuptoare pentru elaborarea oelurilor, n construcie 3f, cu aciune indirect (arcul se stabilete

ntre electrozii conectai n triunghi) sau cu aciune direct (arc electric ntre electrozi - metal)

- capacitate: 400 tone

- puteri unitare: 120 MVA ... 80 MW (consum specific de energie electric: 500...640 KWh/t)

- cptueal bazic ( datorit procesului metalurgic )

2. cuptoare pentru afinare i aliere (asemntoare cu cele de la (1), cu puteri unitare sub 4 MVA)

( a ) ( b )

( c )

2 | P a g e - S i s t e m e d e c o n v e r s i e e l e c t r o t e r m i c a

3. cuptoare pentru reducere cu arc i rezisten electric (producere feroaliaje i materiale obinute

din oxizi)

- electrozii sunt introdui n interiorul materialului topit (arcul se stabilete n interiorul

ncrcturii).

- se folosete pentru reducerea minereurilor n prezena crbunelui reductor, la temperaturi

ridicate i pentru grafitare.

4. cuptoare cu arc electric sub vid, cu aciune direct, alimentate n special la tensiune continu

(producerea elementelor greu fuzibile i active chimic Mo, Zr, T i oeluri de calitate superioar).

3.2 STABILITATEA ARCULUI ELECTRIC

Prin stabilitatea arcului electric se nelege aprinderea acestuia dup trecerea curentului prin

zero i limitarea creterii curentului electric datorit alurii negative a caracteristicii statice a arcului.

La trecerea prin zero a curentului electric, temperatura spaiului arcului scade i are loc

deionizarea arcului. Pentru reaprinderea arcului se impune ca valoarea tensiunii de alimentare s fie

mai mare dect tensiunea de aprindere U > Uap (tensiunea de aprindere se mai numeste tensiune de

amorsare, Uam).

Dac condiia U > Uap este realizat n momentul stingerii arcului electric, se produce

reaprindere imediat a arcului (n caz contrar apare "pauza de curent ").

Dac pauza de curent este prea mare, tensiunea de amorsare a arcului crete peste valoarea

pe care o poate furniza sursa (Usursa < Uap) i are loc stingere definitiv a arcului.

M

i

U

UA

ISC

2

1 a

s

N

0 I

1 caracteristica arcului electric;

2 caracteristica extern a sursei de

alimentare;

M punct de ardere stabil a arcului

electric.

3 | P a g e - S i s t e m e d e c o n v e r s i e e l e c t r o t e r m i c a

Fig. 3.2 Punctul de funcionare a arcului electric.

Observaie: La variaia sarcinii, revenirea n punctul stabil M este cu att mai rapid cu ct panta

caracteristicii externe a sursei este mai mare.

Reamorsarea arcului electric dup trecerea prin zero a curentului electric n circuit depinde n

mare msur de parametrii circuitului.

Caz I: Circuit de alimentare cu caracter rezitiv

Pe durata arderii arcului electric alimentat cu tensiunea alternativ, schema echivalent a

circuitului de alimentare este:

Fig. 3.3

n figura anterioar R, L sunt parametrii echivaleni ai circuitului de alimentare, iar RA este

rezistena electric (variabil) a arcului electric.

Dac L 0 (caracter rezistiv) us = Ri + ua iu u

Rs a=-

t1 momentul amorsrii arcului electric ( Us = Uam) ;

t2 momentul stingerii arcului electric ( Us = Ust)

Fig. 3.4 Amorsarea arcului ntr-un circuit rezistiv

n cazul uzual al cuptoarelor de putere mare se poate considera ntr-o prim aproximaie:

t

i, u

Uam

0

uA

t ti

t3 t2 t1

uS

Ust

US

R

UA RA uS

4 | P a g e - S i s t e m e d e c o n v e r s i e e l e c t r o t e r m i c a

2sst

1sam

tsinUU

tsinUU

Uam Ust UA

R

UI

)tsint(sinI)tsint(sinR

U=i

SSC

1SC1s

ISC - amplitudinea curentului de scurtcircuit.

pauza de curent va fi:

t = S

A

U

Uarcsinf

1

Arderea arcului electric cu " pauza de curent " determin o funcionare instabil a acestuia, iar curba

curentului electric este puternic deformat.

Caz II: Circuit de alimentare cu caracter inductiv (R0)

Fig. 3.5 Amorsarea arcului ntr-un circuit cu caracter inductiv

us = Audt

diL

condiia ca arcul electric s ard far pauze este:

Us sin Uam

sau UU

A

S

sin 2cos1

Se poate demonstra c pentru a avea curent nentrerupt trebuie ca:

U

UA

S

0.54 US 54.0

U A ( tensiunea de alimentare trebuie aleas astfel ncat s existe relaia ).

sau : cos /2*0.54=0.85

cos = 2U

U

S

A

UA RA

L

uS

5 | P a g e - S i s t e m e d e c o n v e r s i e e l e c t r o t e r m i c a

Concluzie: Pentru a exista un curent nentrerupt trebuie aleas inductivitatea L astfel nct s se

asigure un defazaj corespunztor ntre curbele de tensiune i curentul electric (pentru ca la trecerea

prin zero a curentului electric tensiunea sursei s fie suficient de mare nct s determine reamorsarea

practic instantanee a arcului electric.)

- defazajul dintre i i us.

Fig. 3.6

Lipsa pauzei de curent se explic prin aceea c la trecerea tensiunii us prin zero, curentul prin

arc e meninut datorit tensiunii de autoinducie care apare pe bobin ( este > Uap )

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

Fig. 3.7

Dup amorsarea arcului electric este valabil relaia:

AS udt

diLRitsinU

Se constat c pentru a obine o ardere eficient a arcului electric ( curent nentrerupt ) este

necesar ca instalaia s funcioneze cu un factor de putere natural sub 0,85 ( cos 0,85 ), sau altfel

spus, tensiunea de alimentare s fie suficient de mare pentru a fi ndeplinit condiia:

uS

t

i

u, i

0

R

UA RA

L i

uS

6 | P a g e - S i s t e m e d e c o n v e r s i e e l e c t r o t e r m i c a

Us 54,0

U A Us 1,4 UA

Arcul trifazat prezint avantajul echilibrrii ncrcrii reelei de alimentare.

n cuptorul cu arc electric (sistem trifazat cu neutru izolat) reaprinderea arcului stins a uneia

dintre faze se face mai rapid dect n cazul arcului monofazat datorit creterii tensiunii pe faza stins

(crete stabilitatea arcului electric ).

Fig. 3.8

n cazul cuptoarelor de putere mare, arderea stabil are loc i pentru cos > 0,85, datorit

temperaturii ridicate a electrozilor i a ineriei termice a acestora.

n practic, pentru a asigura stabilitatea arcului electric se conecteaz o bobin n serie cu

circuitul de alimentare. n cazul cuptoarelor de putere mare, inductivitatea proprie a circuitului de

alimentare este suficient pentru a asigura stabilizarea arcului electric.

3.3 ECHIPAMENTUL ELECTRIC AL CUPTOARELOR PENTRU TOPIREA

OELULUI

Echipamentul electric are rolul de a realiza alimentarea n condiii optime a cuptoarelor cu arc,

care din punct de vedre energetic prezint urmatoarele probleme:

putere activ mare, variabil ntre fazele procesului tehnologic impunnd alimentarea n nalt

tensiune (6 220 kV) printr-un tranformator de construcie special, cu reglaj n sarcin i

stabilitate mecanic ridicat;

variaia puterii active n cadrul aceleiai faze a procesului tehnologic, necesitnd un sistem de

reglaj automat a poziiei electrozilor;

necesitatea stabilizrii arcului electric, cu ajutorul unei bobine de reactan;

factor de putere redus i variabil (0,6 0,85) ntre fazele elaborrii oelului (sunt necesare baterii

de condensatoare derivaie, comutabile n trepte, pentru mbuntirea factorului de putere);

uS

t

i

u, i

0

7 | P a g e - S i s t e m e d e c o n v e r s i e e l e c t r o t e r m i c a

variaie rapid a puterii reactive n cadrul aceleiai faze a elaborrii i efect de flicker (trebuie

instalaii de urmrire n timp real a puterii reactive, de ex.: baterii de condensatoare comutate prin

contactoare statice cu tiristoare);

regim deformant, n special armonicele 3 i 5 ale curentului (sunt necesare filtre electrice

absorbante pe barele de alimentare pentru filtrarea curentilor armonici);

regim dezechilibrat datorit rezistenei diferite a arcurilor electrice pe cele trei faze (se nltur

prin aciunea sistemului de reglaj automat a poziiei electrozilor) i dezechilibru al reelei scurte

(micorat prin conexiuni i realizri constructive speciale ale reelei scurte);

agitaie redus a bii de metal topit (e necesar s se utilizeze un agitator inductiv).

Wh

VARh

I > I >

TT

S1

Q1

B

T

TC

TT TC

Rs

E

CA

AI

A A A

V V

W W

V

W

Q2

S2

Q3

TC

S3

Q4

Tf

BC

C5 C3

L3 L5

FA3 FA5

6 30 kV (rar 110 sau 220 kV)

A

V

W

8 | P a g e - S i s t e m e d e c o n v e r s i e e l e c t r o t e r m i c a

Fig. 3. 9 Schema electric monofilar de alimentare a unui cuptor cu arc electric.

Principalele elemente ale echipamentului electric sunt:

(1) Instalaia de nalta tensiune, care conine:

- aparate de conectare (separatoarele S1, S2, S3 i ntreruptoarele automate Q1, Q3, Q4, Q2 cu

ulei sau aer, fe = 100...200 /zi);

- aparate de msur pentru cureni, tensiuni, puteri i energii prin intermediul trafo de msur

(TT, TC);

- aparate pentru protecia maximal de curent (relee);

- bobina de reactan B pentru stabilizarea arcului electric la cuptoarele de capacitate mic, pe

durata procesului de topire (este scurtcircuitat n celelalte faze ale prepararii otelului: oxidare,

reducere );

- bateria de condensatoare BC (alimentate prin trafo Tc dac tensiunea pe barele de alimentare

este peste 30 kV);

- filtre absorbante (FA3, FA5) (se alimenteaz prin Tf dac U > 30kV pe barele de alimentare).

(2) Transformatorul cuptorului:

- construcie 3f cu rcire n ulei (secundarul realizat din mai multe bobine n paralel);

- conexiune - n primar i n secundar;

- 2 ...23 prize n primar pentru comutare cu/fr sarcin a tensiunii;

- tensiunea primar nominal: 6...220kV, iar cea secundar: 65...700V;

- protecie de gaze i maximal de curent.

Instalaia de nalt tensiune i trafo sunt montate ntr-o ncpere separat de cuptorul cu arc

(CA ).

(3) Reeaua scurt reprezint poriunea cuprins ntre bornele secundare ale trafo i electrozi.

Se compune din: pachetul din bare secundare (din cupru) ale trafo, cablurile flexibile, barele

portelectrodului (evi din Cu), suportul de prindere al electrodului i electrodul cuptorului.

9 | P a g e - S i s t e m e d e c o n v e r s i e e l e c t r o t e r m i c a

Elementele RS fiind parcurse de cureni mari (mii ...zeci de mii A) au seciuni mari (stabilite pe

baza densitilor de curent admisibile).

Cablurile flexibile au conductoare multifilare din cupru, introduse ntr-o manta de cauciuc

pnzat, rcit n interior cu ap.

Conexiunea fazelor i realizarea constructiva a RS au o influen important asupra

randamentului electric, a factorului de putere i asupra regimului de funcionare al cuptorului.

Aceast influen se datoreaz reactanei (proprii i mutuale) i rezistenei majorate (datorit

efectului pelicular i de proximitate ntre conductoarele aceleiai faze ale RS ).

Fazele RS pot fi legate n stea (conexiune monofilar) i triunghi (conexiune bifilar) nesimetric

sau simetric.

(a) Conexiunea stea

(b) Conexiunea triunghi nesimetric

2

iA

3

4 iB

IC

1

3

iA

4

iB

iC

1

2

3

iA

4

iB

iC

1

2

10 | P a g e - S i s t e m e d e c o n v e r s i e e l e c t r o t e r m i c a

(c) Conexiunea triunghi simetric

1 - nfurri secundare ale trafo de cuptor; 2 - cablu flexibil; 3 - legatur tubular rcit cu ap; 4 - electrod.

Fig. 3.10 Scheme de legare a RS

Pentru variantele (b) i (c): dou cabluri alturate sunt parcurse de cureni n sens contrar.

Astfel scade fluxul magnetic al fiecrei faze i, deci, inductivitile sistemului. Se reduce nesimetria

curenilor, dar este necesar mai mult cupru. Schema (c): fluxul magnetic al fiecrei faze 0.

Conexiunea Y : - se utilizeaz pentru cuptoare cu capacitate sub 10t ; se caracterizeaz prin

reactane relativ mari i un dezechilibru important al curenilor.

Conexiunea n nesimetric: - se utilizeaz pentru cuptoare cu capacitate de 20 ... 100 tone;

scad reactanele i dezechilibrul puterilor; trebuie cu 15 % mai mult cupru dect pentru conexiunea

Y.

Conexiunea n simetric: - se utilizeaz pentru cuptoare cu capaciti peste 100 tone; se

caracterizeaz prin reactane mici i un dezechilibru nesemnificativ al puterilor, dar apar complicaii

constructive.

(4) Agitatorul inductiv

- se utilizeaz pentru amestecarea prin inducie electromagnetic a bii de metal topit (pentru

cuptoare cu capacitate peste 15 tone) n fazele ce succed topirea.

- const dintr-un stator montat sub vatra cuptorului, a crui manta este executat din otel

nemagnetic; nfurarea agitatorului este bifazat, din evi de cupru sau bare de aluminiu, rcite cu

ap sau aer; prin alimentarea nfurrii cu un sistem bifazat de tensiuni alternative se obine un cmp

magnetic nvrtitor, a crui interaciune cu curenii turbionari indui n arj (baia metalic) produce

deplasarea metalului topit.

Avantaje: favorizeaz reaciile chimice; omogenizeaz compoziia chimic i temperatura arjei; se

reduce consumul specific de energie electric i consumul de electrozi.

3.4 SISTEME DE REGLARE AUTOMAT A CUPTOARELOR CU ARC

ELECTRIC

11 | P a g e - S i s t e m e d e c o n v e r s i e e l e c t r o t e r m i c a

Meninerea constant a lungimii arcului electric este una dintre cele mai importante condiii

privind funcionarea la parametrii tehnologici i energetici impui pentru cuptorul cu arc electric.

Modificarea lungimii arcului electric poate avea loc datorit:

- modificrii (creterii) temperaturii din cuptor (arj);

- surprii ncrcturii n faza de topire (scurtcircuitarea sau ntreruperea arcului electric);

- deflexiei arcului electric sub aciunea forelor electrodinamice;

- consumului electrozilor.

Reglarea puterii disipate n arcul electric se obine prin modificarea tensiunii de alimentare

i/sau modificarea distanei dintre electrozi.

Modificarea tensiunii secundare a transformatorului cuptorului se face la trecerea de la o faz

la alta a procesului tehnologic, iar modificarea poziiei electrozilor se face n cadrul aceleiai faze

tehnologice (pentru nlturarea scurtcircuitului, restabilirea arcului electric i pentru compensarea

consumului electrozilor).

n cazul cuptoarelor trifazate fiecare electrod are propriul su sistem de reglare, pentru a

menine constant una dintre mrimile: tensiunea la bornele arcului; intensitatea curentului prin arc;

factorul de putere; rezistena arcului electric;

(1) Sistemele de reglare cu meninere constant a tensiunii au principalul dezavantaj c prezint o

sensibilitate redus deoarece la variaii mari ale curentului prin arc, tensiunea variaz puin;

(2) Sistemele de reglare la putere constant nu permit obinerea unui punct de funcionare unic

(exist dou puncte de funcionare pentru aceeai putere a arcului electric), sunt relativ complicate i

cu timp de rspuns relativ mare.

(3) Sistemele de reglare la curent constant se pot utiliza la cuptoarele cu ardere stabil a arcului

electric (ex.: cuptoare pentru minereuri).

(4) Reglarea la factor de putere constant are practic aceleai caracteristici cu sistemul de urmrire a

rezistenei arcului electric.

12 | P a g e - S i s t e m e d e c o n v e r s i e e l e c t r o t e r m i c a

Sistemele automate actuale asigur reglarea poziiei electrozilor, funcie de rezistena RA a

arcului electric ( RU

IAA= , UA - tensiunea la bornele arcului; I - curentul din circuit ).

Fig. 3.11 Sistem de reglare automat a poziiei electrozilor.

Semnificaia elementelor din schema anterioar :

BC - bloc de calcul a RA

BVD - blocul pentru stabilirea valorilor prescrise ale RA

C - comparator

R - regulator

A - amplificator

EE - elemente de execuie

P - sistem hidraulic

Pe baza informaiilor primite de la trafo de msur TT i TC privind UA i I, blocul de calcul

BC determin rezistena electric real a arcului electric, RA.

n blocul comparator C, RA este comparat cu valoarea prescris RAP (stabilit n blocul

valorilor prescrise BVP).

Eroarea " RA" este transmis regulatorului R, care prin intermediul blocului amplificator A

transmite semnal de comand elementelor de execuie EE (motor de acionare, ventil

electromagnetic, etc). EE determin acionarea sistemului hidraulic P de reglare a poziiei

portelectrodului PE.

Sistemul de reglaj automat trebuie s asigure:

BC

BVD

R

A

EE

TT

TC I RA

C

RAP

RAP

P

13 | P a g e - S i s t e m e d e c o n v e r s i e e l e c t r o t e r m i c a

sensibilitate (abateri fa de valorile impuse de cel mult ( 3 ... 6) % pe durata topirii i ( 2 ...

4)% pe durata procesului de afinare);

reducerea la minim a micrii electrozilor la perturbaiile aleatorii;

modificarea puterii disipate n arcul electric cu o abatere maxim de (5)%.

aprinderea automat a arcului;

blocarea electrozilor la ntreruperea tensiunii de alimentare.

Schemele actuale de comand ale cuptoarelor cu arc electric utilizeaz calculatoare de proces

pentru urmrirea i modificarea parametrilor astfel nct s fie respectat tehnologia de elaborare n

condiiile unui consum energetic minim.

Schema de principiu a unei instalaii cu calculator de proces este indicat n figura 3.12.

Calculatorul de proces (7), utilizat pentru controlul proceselor din cuptorul cu arc, CA,

primete urmtoarele informaii:

- informaii privind valoarea intensitii curentului prin arcul electric (de la transformatorul de

curent TC);

- informaii privind tensiunea la bornele arcului (de la transformatorul de tensiune TT);

- informaii privind temperatura zidriei refractare (de la traductoarele de temperatur) i a

metalului n cuptor (de la Tt);

- informaii privind puterea absorbit din reea;

- informaii privind poziia ploturilor transformatorului care alimenteaz cuptorul;

- alte informaii privind schema de alimentare cu energie electric.

6

4

1

BCTC

BCT

BCP

5

TT

7

8

14 | P a g e - S i s t e m e d e c o n v e r s i e e l e c t r o t e r m i c a

Fig. 3.12 Schema de principiu a unei instalaii de comand a proceselor ntr-un cuptor cu arc

electric (utiliznd un calculator de proces)

Semnificaia elementelor din schema electric prezentat n Fig. 3.12:

1 - traductoare de putere activ i rezisten a arcului electric;

2 - traductoare de temperatur;

3 - bloc de execuie pentru modificarea poziiei electrozilor;

4 - ntreruptor.

5 - element de execuie pentru controlul poziiei ploturilor transformatorului de cuptor (6);

6 - transformatorul cuptorului ;

7 - calculatorul de proces;

8 - elemente de afiare a mrimilor necesare i avertizare;

BCP - bloc de control a puterii;

BCT - bloc de control a procesului de topire;

BCTP - bloc de control a temperaturii;

BCL - bloc care asigur afiarea mrimilor necesare, gestionarea informaiilor privind arja elaborat

i operaii de avertizare;

BCTC - bloc de comand a ntreruptorului (4) i pentru controlul poziiilor ploturilor

transformatorului de alimentare a cuptorului.

15 | P a g e - S i s t e m e d e c o n v e r s i e e l e c t r o t e r m i c a

Calculatorul de proces, pe baza unor programe specializate i a informaiilor primite,

stabilete momentul efecturii diferitelor operaii:

ncrcarea cuptorului;

bascularea pentru evacuarea zgurii i pentru evacuarea materialului lichid;

modificarea regimului de lucru, etc.

i afieaz o serie de informaii necesare operatorului:

coeficient de utilizare a zidriei refractare;

puterea disipat n fiecare faz;

consumul de energie electric, etc.

Calculatorul de proces stabilete i ploturile de lucru ale transformatorului de cuptor, pe

fiecare faz (la creterea temperaturii metalului sau zidriei refractare, calculatorul de proces asigur

reducerea puterii disipate n arcul electric prin modificarea plotului transformatorului i modificarea

adecvat a poziiei electrozilor E).

Blocul de control al puterii, BCP, preia informaiile necesare (privind puterea activ i RA) de

la traductoarele 1.

Blocul BCT de control al procesului de topire cuprinde programele tehnologice pentru

diferite mrci de otel i asigur mrimile de consemn pentru celelalte sisteme de control automat. La

abateri ale valorilor calculate fa de valorile de consemn (stabilite de BCT) , blocul BCP transmite

comenzile necesare la executor (3) pentru corectarea poziiei electrozilor.

Blocul BCTP de control al temperaturii, pe baza valorilor msurate i a celor de consemn

stabilete n fiecare moment puterea ce poate fi disipat n arcul electric. Aceast informaie este

transmis blocului BCT pentru stabilirea valorilor de consemn necesare pentru BCP, dar i blocului

BCTC , care prin intermediul blocului de exectie (5) asigur controlul poziiei ploturilor trafo de

cuptor (6).

Informaiile privind poziia ntreruptorului (4) transmise blocului BCT, iar comanda lui (4)

este realizat de ctre blocul BCTC.

n instalaiile actuale mai sunt ntlnite sisteme de reglare cu releu diferenial sau cu

amplificatoare magnetice.

Principalul avantaj al sistemelor de reglaj cu calculator de proces este posibilitatea controlului

n timp real, cu optimizarea procesului funcie de parametrii concrei ai ncrcturii i materialul ce

trebuie elaborat.

16 | P a g e - S i s t e m e d e c o n v e r s i e e l e c t r o t e r m i c a