a calculeze un cuptor electric de inductie cu creuzet pentru topirea aluminiului.
Datele de calcul sunt:
– Capacitatea cuptorului m=1000 Kg
– Rezistivitatea aluminiului la 658 oC ρAl=8∙10-8 Ω∙m
– Rezistivitatea aluminiului la 700 oC ρAl=9 10-8 Ωm
– Rezistivitatea aluminiului la 20 oC ρAl=(2,8…4)10-8Ωm
– Temperatura de topire Θt=658 oC
– Temperatura de golire Θg=700 oC
– Timpul de topire t = 1,5 ore
– Densitatea la 658 oC ρ’Alt=2400kg/m3
1. GENERALITATI
Încalzirea prin inductie se bazeaza pe patrunderea energiei electromagnetice într-un conductor masiv, situat în câmpul magnetic variabil în timp al unei bobine (inductor). Încalzirea conductorului se produce prin efectul Joule – Lenz al curentilor turbionali indusi.
Avantajele încalzirii prin inductie în comparatie cu alte metode de încalzire sunt urmatoarele:
– caldura se dezvolta în metalul ce urmeaza a fi încalzit, rezultînd o viteza de încalzire mai ridicata în comparatie cu cea obtinuta în cuptoarele cu încalzire indirecta (cuptoare cu arc electric, daca arcul se stabileste între doi electrozi sau cuptoare cu încalzire indirecta cu rezistoare)
– constructia instalatiilor de încalzire mai simpla, permitind utilizarea vidului sau amosferelor de protectie permitind automatizarea functionarii în conditiile productiei în flux
– conditiile de lucru sunt îmbunatatite
Încalzirea prin inductie a materialelor conductoare din punct de vedere electric este utilizata pentru:
– topirea metalelor – otel, fonta, cupru, aluminiu, zinc, magneziu si aliajelor lor
– încalzirea în volum (profunzime) a semifabricatelor (otel, cupru, aluminiu) ce urmeaza a fi prelucrate la cald prin forjare, matritare, presare, laminare etc.
– calirea superficiala a pieselor
– sudarea si lipirea metalelor
Cuptoarele de inductie cu creuzet sunt utilizate pentru elaborarea otelurilor cu calitate superioara, a fontei, a metalelor si aliajelor neferoase, cum ar fi aluminiu, cupru, nichel etc.
Din punct de vedere al frecventei tensiunii de alimentare, cuptoarele cu creuzet pot fi:
– de frecventa industriala (50 Hz)
– de frecventa medie (100 … 10.000 Hz)
– de înalta frecventa (50 … 400 kHz)
Ele pot functiona în vid – conditie ceruta în ultimul timp la prelucrarea metalelor si aliajelor necesare constructiilor aerospatiale, ale centrelor nucleare.
1.1 AVANTAJE
– se obtin temperaturi foarte ridicate în toata masa metalului, ca urmare a unei concentrari mari de putere direct în acesta (200 – 300 kW/t, pentru fonta la 50 Hz; 1500 kW/t pentru fier la 1000 Hz)
– ca urmare a amestecului (agitatiei) intens a baii metalice topite sub actiunea fortelor electrodinamice, se produce uniformizarea temperaturilor, se elimina supraîncalzirile locale si se reduc în consecinta pierderile de metal (0,5 … 0,8 %)
– se obtin metale sau aliaje foarte pure, sarja fiind ferita de actiunea chimica a electrozilor cuptoarelor cu arc, sau combustibilul de la cuptoarele cu flacara, topirea este posibila în vid sau atmosfere controlate
– zgomotul de functionare are valori mici, sub (70 – 80 dB)
– poluarea mediului ambiant este foarte redusa, cantitatea prafului fiind de ordinul 0,5 kg/t fata de cuptoarele cu arc, unde avem 5 – 8 kg/t
– reglajul automat al puterii este usor de realizat
– în comparatie cu cuptoarele de inductie cu canal cele cu creuzet au constructie mai simpla, solicitari termice si mecanice mai reduse, cuptorul cu creuzet poate fi golit complet dupa fiecare sarja
1.2 DEZAVANTAJE
– antrenarea zgurei în sarja
– solicitarea mecanica puternica a captuselii creuzetului, datorita agitatiei intense a baii topite
– Costul ridicat datorat surselor de alimentare (în general sunt generatoare, daca nu se lucreaza cu frecventa industriala) si a bateriilor de condensatoare necesare
Capacitatea actuala a cuptoarelor de frecventa industriala are valori între 0,8 – 50 t, puterea ajunge la 20 – 25 MW, consumul specific de energie electrica fiind 520 – 700 kWh/t.
1.3 Constructia si functionarea cuptoarelor cu creuzet
Elementele constructive principale ale cuptoarelor cu creuzet sunt:
– creuzetul
– inductorul
– ecranul magnetic
– reteaua scurta – compusa din cabluri flexibile si barele sursei de alimentare
– mecanismul de rasturnare
Creuzetul are captuseala acida (cuartita – 98 % SiO2), bazica (magnezita) sau neutra (samota, grafit sau otel refractar). Forma creuzetului este cilindrica, în partea inferioara (1/3 înaltime) are o forma tronconica, deoarece în aceasta zona eroziunea provocata de agitatia baii este cea mai puternica. Baza creuzetului se sprijina pe un suport de caramizi refractare si termoizolante.
Între creuzet si inductor se prevede un cilindru din material termoizolant cu grosimea de 3 … 20 cm. Creuzetul se confectioneaza prin stamparea (batatorirea) compozitiei refractare uscate (praf refractar amestecat cu acid boric) introduse între suport, cilindrul de material termoizolant si un sablon cilindric de otel (4 – 8 mm grosime) – sinterizarea compozitiei refractare se realizeaza prin încalzirea lenta cu gaz sau inductie.
Starea captuselii creuzetului trebuie controlata permanent (dupa fiecare sarja) în scopul prevenirii fisurarii acestuia, si patrunderii metalului topit în inductor, ceea ce ar provoca o explozie. Uzura captuselii este sesizabila prin cresterea factorului de putere al cuptorului (cu circa 10 – 30 % fata de valoarea corespunzatoare fazei topite a sarjei), ceea ce se observa printr-un numar scazut de trepte a bateriei de condensatoare necesare compensarii factorului de putere la cosφ = 0,92.
Creuzetul este acoperit cu un capac în special la cuptoarele cu frecventa industriala, la care agitatia baii este mai intensa, dar si în scopul reducerii pierderilor termice. Cuptoarele cu medie frecventa nu au capac, simplificându-se în acest mod constructia si exploatarea lor.
Inductorul are forma unei bobine cilindrice într-un singur strat, de preferinta din tevi de cupru, prin care circula apa de racire sub presiune. Spirele inductorului pot fi neizolate (fixate cu distantoare) în aer sau turnate în azbociment, izolate cu micanita. tinînd cont de fortele electrodinamice spirele inductorului sunt presate între doua placi frontale din material izolant, stânse cu tiranti.
| 1- inductor 2- metal topit Al 3- creuzet refractar 4- cilindru azbest 5- ecrane feromagnetice |  |
Ecranul magnetic format din pachete de tole de transformator dispuse radial în jurul inductorului, este consolidat împreuna cu creuzetul si inductorul cu ajutorul unui cadru confectionat din OLC obisnuit. Ecranul magnetic este necesar pentru a înpiedica încalzirea elementelor constructive metalice ale cuptorului, aflate în câmpul magnetic al inductorului.
Cablurile flexibile care formeaza reteaua scurta sunt racite cu apa, cu diametrul exterior de 65, 83, 195 mm.
Mecanismul de rasturnare a cuptorului în vederea golirii este ori electromecanic, ori hidraulic ca si sistemul de rotire al capacului creuzetului.
În functie de necesitatile tehnologice, cuptoarele cu creuzet pot fi utilizate în urmatoarele regimuri de functionare:
1. regim intermitent – la care cuptorul se goleste complet dupa fiecare sarja, iar pornirea se face la încarcatura solida
2. regim continuu – la care în permanenta se afla în cuptor o cantitate de metal topit
3. regimul duplex – cu un alt cuptor electric
Observatie – la functionarea continua a cuptorului, din cuptor se goleste numai materialul necesar la turnarea imediata, în locul lui fiind introduse bucati solide de metal. Deoarece functionarea cu creuzetul partial umplut cu metal topit acuza o scadere a puterii active fata de valoarea ei nominala, se recomanda ca golirea sa nu depaseasca 2/3 din capacitatea nominala.
1.4 Schema principala a unui cuptor cu creuzet, cu dimensiunile principale:
unde,
a, b – se refera la inductor
ac – se refera la grosimea medie a materialului refractar
ai – se refera la grosimea izolatiei
h1 – este înaltimea cuptorului cu creuzet
h2 – este înaltimea încarcaturii, care este mai mic cu aproximativ 30 % din motive de securitate
1.5. ALUMINIUL.
Se obtine prin electroliza bauxitei topite, la temperaturi cuprinse intre 950 si 970 0C. Din 4 t de bauxita se obtine 1t aluminiu metalurgic, cu un continut de Al cuprins intre 99,5 si 99,9 %, in conditiile unui consum de curent de 18.000 kWh. Aluminiul are o structura cubica cu fete centrate si este deosebit de prelucrabilla cald si la rece. Poseda rapoarte avantajoase rezistenta- densitate , si o rezistenta buna la coroziune determinata de factorii atmosfericisi de solutiile acide.elementele importante de aliere sunt Cu, Mg, Zn. Prin tratamente termice corespunzatoare se poate obtine o durificare prin precipitare. Domeniile de utilizare sunt: arhitectura, constructiile, ind chimica si electrotehnica.
2. DIMENSIONAREA CUPTORULUI
2.1 DIMENSIONAREA CREUZETULUI:
Dupa alegerea materialului refractar al creuzetului se stabilesc dimensiunile d2 (diametrul mediu) si h2 (înaltimea maxima a încarcaturii – de siguranta)
Materialul refractar: Grafit
2.2 RANDAMENTUL TERMIC AL CUPTORULUI
2.3 ALEGEREA FRECVENtEI DE LUCRU:
La a cuptoare în general este un moment de cheie alegerea frecventei de lucru, alegerea se face tinând cont simultan de:
• Randamentul electric al cuptorului
• Agitatia dorita a baii de metal topit
Având în vedere cele scrise mai sus, adîncimea de patrundere se poate scie sub forma prezentata mai jos:
Parametrii inductorului:
Parametrii inductorului se pot determina înlocuind cele N spire ale inductorului, deocamdata necunoscute printr-o singura spira, ca si cum spirele inductorului ar fi legate în paralel, în loc de serie.
Rezistenta si reactanta interioara a inductorului cu o singura spira se calculeaza cu relatia de mai jos, considerând factorul de umplere g = 0,8:
2.7 FACTORUL DE PUTERE AL CUPTORULUI
Ca la orice instalatie electrica, consumator este un parametru foarte important, nu numai din punctul de vedere al cheltuielilor de exploatere, ci si din punctul de vedere al calitatii energiei electrice, a pierderilor de tensiune si de putere care apar la transportul energiei reactive în retea. Factorul de putere trebuie corectat la o valoare neutra, care este dat de normativele în vigoare. Compensarea sau mai precis corectia acestui indicator la valoarea neutra se face cu condensatoare electrice.
Mai întâi trebuie sa calculam valoarea acestui factor, care se poate determina cu ajutorul formulei:
2.20 RETEAUA SCURTA
Reteaua scurta realizeaza legatura între sursa de alimentare si cuptorul de inductie. Conductoarele electrice se dimensioneaza astfel încât se satisfaca simultan urmatoarele conditii:
– rezistenta mecanica
– stabilitate termica
– pierdere de tensiune admisibila
– stabilitate termica si dinamica la scurtcircuit
Conductoarele trebuie sa aiba rezistenta mecanica suficienta astfel încât sa nu se deterioreaza din cauza eforturilor la care sunt supuse în timpul montarii si exploatarii. Sectiuniile minime necesare sunt date în normativul I7 în vigoare.
Dimensionarea intalatiilor electrice de joasa tensiune se face pe baza stabilitatii termice – a încalzirii maxim admisibile produsa de trecerea curentului electric, veriicându-se apoi la pierderea de tensiune în retea, si stabilitatea termica si dinamica la scurtcircuit.
Se poate vedea ca Pca >Pe adica se poate prelua toata caldura prin convectie, ceea ce trebuie evacuata.
5. CONSUMUL SPECIFIC DE ENERGIE ELECTRICA
5.1 CONSUMUL SPECIFIC DE ENERGIE ELECTRICA A CUPTORULUI
Consumul specific de energie electrica Qs al instalatiei reprezinta un indicator energetic de a carui valoare depinde economicitatea instalatiei electrotermice. Acest indicator este expimat prin consumul total de energie electrica raportat la unitatea de masura a productiei instalatiei (bucati, kilogram, tone etc.), conform relatiei:
Observatie – Consumul specific de energie electrica este influentat în mare masura de pierderile de caldura, valori scazute obtinându-se prin realizarea unei izolatii termic corespunzatoare.
6. SIMETRIZAREA CUPTORULUI
6.1 MONTAJUL STEINMETZ PENTRU SIMETRIZARE
În figura de mai jos este data schema de alimentare a unui cuptor cu creuzet frecventa tensiunii de alimentare de 50 Hz. Pentru a transfoma sarcina monofazata reprezentata de cuptor în sarcina trifazata simetrica se utilizeaza o instalatie de simetrizare compusa dintr-o bobina Ls si un condensator Cs ambele reglabile.
Unde:
C – baterie pentru compensarea puterii reactive
Cs – baterie pentru simetrizare
Ld – drossel – bobina cu miez feromagnetic
Tensiunea Ul = 380 V
Puterea P = 361,55 W
Curentul I = 3267,56 A
Se poate desena diagrama fazoriala:
BIBLIOGRAFIE UTILIZATA
1. Dan Comsa, Lucia Pantelimon ELECTROTERMIE, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1979
2. Dan Comsa UTILIZARI ALE ENERGIEI ELECTRICE, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1973
3. Dan Comsa s.a. PROIECTAREA INSTALATIILOR ELECTRICE INDUSTRIALE, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1979
4. HUTTE Manualul inginerului 2000.
Referat trimis de: Sorina Matache
NOTA IMPORTANTA: ARTICOLELE PUBLICATE IN PAGINA DE REFERATE AU SCOP DIDACTIC SI SUNT ELABORATE IN URMA UNEI DOCUMENTARI SUSTINUTE. ESTE STRICT INTERZISA PRELUAREA ARTICOLELOR DE PE SITE SI PREZENTAREA LOR LA ORELE DE CURS. Referatele din aceasta sectiune sunt trimise de diferiti colaboratori ai proiectului nostru. Referatele va sunt prezentate pentru COMPLETAREA STUDIULUI INDIVIDUAL, si va incurajam si sustinem sa faceti si voi altele noi bazate pe cercetari proprii.
