Procedee tehnologice de generarea caldurii prin electricitate.
Scurta trecere in revista a proceselor electrotermice1. Probleme
generaleExista numeroase procese industriale care necesita caldura:
cuptoarele pentru uscarea ceramicii electrotehnice sau electronice,
polimerizarea unor rasini sau lacuri in industria masinilor
electrice, tratamente termice ale metalului, cuptoare de topire a
unor metale sau aliaje, sinterizarea unor materiale de contact sau
magnetice. In unele situatii, obtinerea de caldura prin arderea
combustibililor lichizi sau gazosi a putut fi posibila, desi
pastrarea constanta a temperaturii nu era un lucru simplu de
obtinut, iar randamentul de conversie era relativ slab, datorita
modului in care se transfera caldura de la flacara la obiectul de
incalzit.Prin electrotermie, se intelege partea stiintei si
tehnologiei care trateaza transformarile energiei electrice in
caldura, in scopuri utile. Caldura degajata de un motor electric
(pierderile) nu este electrotermie, caldura degajata de un resou
electric sau cuptor, in schimb, este. O serie larga de fenomene pot
produce electrotermie: efectul Joule, arcul elec-tric si plasma,
inductia electromagnetica, fasciculul de electroni, laserul,
microundele, frecarea, histerezisul dielectric. Practic, orice
material, fie el conductor sau dielectric, poate fi incalzit
printr-o metoda sau alta.O serie de elemente tehnice de mare
interes: simplitatea masura-rii, controlul si reglajul
temperaturii, randamentul de conversie al ener-giei foarte bun si
posibilitatea de a obtine niveluri de temperatura inalte,
densitatea de putere ridicata, controlul usor al temperaturii si
atmosferei de lucru, limitarea poluarii justifica importanta care
se acorda in ultimii ani acestor sisteme, mai ales daca tinem seama
si de consumurile ener-getice, competitive fata de alte sisteme.
Densitatile de putere asigurate de diferite tehnici de incalzire
pot da, conform celor mentionate inTab. 1, si o imagine a
tendintelor care se anticipa pentru viitor.Tab. 1. Densitatile de
putere a procedeelor electrotermice.Tehnologia de
incalzireDensitatea de putere (kw/m2)
Indirecta, prin rezistenta5-60
Dielectrica, prin inalta frecventa30-100
Infrarosu10-300
Dielectrica, prin hiperfrecvente (microunde)50-100
Inductie50-5.104
Conductie100-1.105
Arc103-5.105
Plasma104-5.106
Fasicul de electroni104- 1010
Laser105 1016
2. Incalzirea indirecta prin rezistentaEste cel mai vechi si mai
simplu sistem de incalzire, energia electrica transformata in
caldura avand valoarea Q = RI2t, depinzand de valoarea rezistentei
R, de curentul ce o parcurge I si de timpul cat actioneaza
curentul, t. Elementele caracteristice ale unui cuptor cu
rezistenta sunt: izolatia termica 2, cuprinsa intr-o carcasa 1,
materialul refractar 3, corpul de incalzire 4 sub forma unei
rezistente electrice si sistemul de reglaj al
temperaturii.(Fig.1)Transferul de caldura se face, in acest caz, de
la rezistenta 4 la corpul de incalzit 5, cu o precizie medie a
reglajului. Daca, initial, grosimea peretilor izolanti era mare
(pana la 60cm), astazi s-a ajuns sa se dispuna de caramizi
refractare de 28cm si cu o masa volumica de 0,7t/m3; progrese
viitoare pot fi asteptate de la fibrele minerale a caror grosime va
reduce peretele la cca 10cm.
Fig. 1. Cuptor cu incalzire indirecta prin rezistenta: 1)
carcasa;2) izolatie termica; 3) material refractar; 4) rezistenta
electrica in sistemul de reglaj;5) corpul de incalzit; 6) usa de
acces.In privinta rezistentelor, de la temperaturi de lucru de
1000-1100oC, s-a ajuns la rezistente functionand la 1300oC si se
sconteaza a se atinge, intr-un viitor apropiat, chiar 1500oC.
Trebuie aratat ca, la aceste cuptoare, se sesizeaza o dispersie a
temperaturii in diverse puncte ale incintei sale; in general,
consumul acestor cuptoare este cuprins (in functie de operatia pe
care o executa) intre 400 si 1000kWh/tona material de incalzit.
Utilizarile cele mai frecvente sunt in urmatoarele domenii: topirea
si mentinerea lichida a Al, Pb, Zn, Bz; tratamentul termic al
metalelor in atmosfera normala, calire, recoacere si racire,
cimentare, nitrurare; topirea unor materiale: rasini, parafine,
compounduri; arderea ceramicii, sticlei, emailurilor; uscarea
vopselelor, lacurilor, stratificatelor electrotehnice etc.Schimbul
de caldura intre rezistenta si sarcina se face prin convectie, care
poate fi natural (Fig. 2.a.) sau fortat (Fig. 2.b).In primul caz,
diferentele de temperatura dintre diversele zone fac sa circule
aerul, tinzand spre o egalizare a temperaturilor, iar in cel de al
doilea, miscarea aerului se va face printr-un procedeu mecanic,
spre exemplu un ventilator, care deplaseaza aerul printr-o zona in
care sunt plasate rezistentele. a)b)Fig. 2. Schimb de caldura:
natural (a) sau fortat (b).3. Incalzirea directa prin rezistenta
(conductie)In aceasta situatie, caldura apare direct in corpul de
incalzit prin efect Joule (Fig. 3). Piesa de incalzit 1 este
dispusa intre un sistem de electrozi 2, conectati la secundarul
unui transformator 3, care asigura o tensiune mica, dar curent
puternic. Pentru a avea o putere maxima, trebuie indeplinita
conditia: R = L.
Fig. 3. Incalzirea directa prin rezistenta (conductie): 1) piesa
de incalzit;2) sistem de electrozi; 3) transformator.Metoda se
aplica doar metalelor feroase, pentru piese de geometrie simpla si
sectiune constanta, pentru a avea o incalzire omogena (sectiunile
diferite pot prezenta supraincalziri diferite). Cateva elemente
semnificative trebuie retinute: productivitatea maxima se obtine
pentru rapoartele 1/d = 8 (cu: l lungimea piesei, d diametrul
sectiunii sale); rezistentele de contact dintre electrozi si piese
trebuie sa fie perfecte, pentru a evita supraincalziri locale;
incalzirea este rapida si se preteaza la automatizarea unor
operatii. Obtinerea unor temperaturi dorite a impus in ultimii ani
dezvoltarea unor sisteme de reglaj electronice( Fig. 4).
Fig. 4. Sisteme electrice de reglaj al temperaturii: sistemul de
reglaj 1) actioneaza asupra tensiunii din primarul
transformatorului 2) in functie de geometria piesei 3 si marimea
puterii absorbite pentru a avea incalzirea dorita. Randamentul de
conversie este cuprins intre 75-90%.Incalzirea directa prin
rezistenta este recomandata unor largi utilizari, datorita
progreselor semnalate in ultimii ani si care se refera la: inertia
termica mica si durata redusa de incalzire; reducerea investitiilor
la noile constructii; imbunatatirea sistemelor de contact intre
calea de curent si piesa de incalzit; caracteristicile superioare
de reglaj prin introducerea electronicii.4. Incalzirea prin
radiatie infrarosieConstituie cazul particular al unei incalziri
prin radiatie sau convectie, generata de o rezistenta. Cateva
avantaje sunt deosebit de promitatoare: transfer de energie de la
un corp la altul fara vreun suport intermediar, inertia termica
foarte mica, energia radianta poate fi concentrata, focalizata si
reflectata ca si lumina, ceea ce face sistemul foarte
suplu.Sistemul de incalzire prin radiatie infrarosie poate fi
aplicat, cu rezultate deosebite, pentru uscari, sterilizari,
arderi, polimerizari, efectul radiatiei fiind pur termic. Lungimea
de unda a radiatiei este cuprinsa in gamele: infrarosu scurt: m =
0,76-2m; infrarosu mediu: m = 2-4m; infrarosu lung: m = 4-10m;
lungimi de unda susceptibile de a declansa modificari a struc-turii
moleculare, ca si radiatiile ultraviolete, X si . Puterea de
penetrare a radiatiei infrarosii poate atinge cativa
mm.Temperaturile ce se pot genera de diversele sisteme de
generatoare de radiatii infrarosii sunt: infrarosu scurt: peste
1200o C; infrarosu mediu: 450-1200 o C; infrarosu lung: pana la 450
o C; determinate utilizand legea lui Wien: mT = C cu C = 2898 si T
temperatura absoluta in grade Kelvin.Cuptoarele reprezinta incinte
specifice aplicatiei, in care sunt dispuse lampile de infrarosu,
dimensionate pentru a atinge temperaturile impuse de
proces.Reflectoarele de radiatii infrarosii sunt de diverse
constructii: plane, parabolice, eliptice etc., ca in Fig. 5.a-plan
si b-eliptic. Fig. 5. Incalzirea cu radiatii infrarosii: a)
reflector plan; b) reflector eliptic.Peretii incintelor se
realizeaza din aluminiu, pentru a dispune de o capacitate adecvata
de transmisie. In Fig. 6, este prezentata constructia unui cuptor
cu radiatii infrarosii pentru uscarea motoarelor electrice.
Fig. 6. Cuptor cu radiatii infrarosii.5. Incalzirea prin
inductiea. Sisteme fara circuit magneticIn 1831, M. Faraday
descopera legea electromagnetismului, in particular legea inductiei
intre curenti. Daca un solenoid 2 este alimentat cu o tensiune
alternativa si in interiorul sau, se dispune un corp conductor 1, (
Fig. 7), fluxul magnetic variabil, dupa frecventa de alimentare, va
crea tensiuni electromotoare induse si curenti indusi
corespunzatori 3, curenti numiti Foucault, care incalzesc corpul
conductor.
Fig. Schema de principiu a incalzirii unui corp conductor prin
curenti Foucault: 1) corpul de incalzit; 2) infasurarea alimentata
in c.a.: 3) curenti indusi.In cazul incalzirii prin inductie, se
sesizeaza trei fenomene fizice succesive: transferul energiei de la
bobina la corpul de incalzit pe cale electromagnetica;
transformarea energiei electrice in caldura prin efect Joule in
corpul de incalzit; transmiterea caldurii in masa corpului prin
conductie termica.Curentii indusi in piesa au tendinta de a se
localiza spre suprafata efect pelicular iregularitate in
distributie ce depinde de: rezistenta a corpului conductor,
permeabilitatea sa magnetica relativa r, frecventa f a curentului,
o permeabilitatea absoluta a vidului 4.10-7Adancimea de patrundere
p este data de relatia:
Se observa ca se poate regla adancimea de patrundere actionand,
in principal, asupra frecventei de alimentare; pentru diametre mari
ale piesei, se pot utiliza frecvente relativ joase, in timp ce
pentru piese de dimensiuni mici se recomanda frecvente inalte. La
50Hz, curentul indus permite atingerea unei adancimi de patrundere
redusa, de 8cm in materiale feroase si 2cm in cupru si
aluminiu.Adancimea de patrundere p, pentru diverse frecvente si
materiale este data in Tab. 2.
Tab. 2. Adancimea de patrundere p.
MaterialOL20oCOL800oCCu20oCCu800oCAl20oCAl500oCGrafit
f[Hz]p [mm]
5.105,0367,29,3519,411,919,4201
1023,5647,56,6113,48,413,4142
1031,1214,62,094,262,664,2645
1040,3564,750,661,340,841,3414,2
1050,1121,460,210,4260,2660,464,5
1060,0350,4750,0660,1340,0840,1341,42
1070,0110,1460,0210,0430,02660,0430,45
b. Sisteme cu circuit feromagneticSistemul este similar cu un
transformator al carui miez magnetic 1 are o infasurare primara 3,
iar secundarul 2 este constituit dintr-o singura spira, constituita
din insasi corpul de incalzit, continut in creuzet (Fig. 8).Din
punctul de vedere al frecventei de alimentare, se poate sa se
utilizeze frecventa industriala (50Hz) sau frecvente medii sau
inalte.Cu cat frecventa este mai mare, cu atat efectul pelicular
este mai ridicat, iar fenomenele de inductie mai rapide decat la
frecventa industriala, de altfel ca si incalzirile.Largi utilizari
capata, in special, utilajele din ultimele doua grupe.Solenoidul
care inconjoara creuzetul izolat refractar sau piesa ce urmeaza a
fi incalzita se mai numeste si 'aplicator' sau 'inductor'; forma sa
se optimizeaza dupa piesa de incalzit.
Fig. 8. Sisteme de incalzire prin inductie cu circuit
feromagnetic: 1) miez feromagnetic; 2) creuzetele cu rol de
secundar; 3) infasurarea primara.Dintre aplicatiile mai importante
ale procedeului, se mentioneaza: topirea unor oteluri speciale
(nichel, metale pretioase, cu posibilitate de turnare in vid);
tratamente termice; brazare si sudare, degazare de metale.c.
Convertizoare de medie si inalta frecventaConvertizor de medie
frecventa cu grup rotativSe utilizeaza ca surse de medie frecventa,
in gama 500-10000Hz. In general, un motor asincron trifazat M
alimenteaza un alternator A, care furnizeaza curentul la frecventa
dorita. Tensiunile date de alternator fiind ridicate, pentru
'acordarea' acestora la nevoile procesului tehnologic, se
utilizeaza un transformator de adaptare T. O baterie de
condensatoare C este prevazuta in circuit, cu posibilitati de
conectare manuala sau automata, pentru a asigura rezonanta LC2
=1.
Fig. 9. Schema bloc a unui convertizor de frecventa cu grup
rotativ.In Fig. 9, este prezentata schema unui convertizor rotativ
de medie frecventa. In comparatie cu sistemele statice, prezinta
dimensiuni de gabarit mai mari si este zgomotos. Randamentele sunt
de ordinul a 75% pentru f = 1-3kHz si circa 80%, in zona de
frecvente 3-10kHz. Daca nu este utilizat la puterea sa nominala,
evident ca randamentul sau va scadea.d. Convertizoare statice de
medie frecventa cu tiristoareReplica a celor prezentate anterior,
reprezentand o solutie moderna cu mari avantaje tehnico-economice,
ele castiga tot mai mult teren in aplicatii deosebit de variate.In
Fig. 10, se prezinta elementele principale ale unui convertizor de
acest tip, cu tiristoare.Generatoarele cu tiristoarele sau tuburi
se realizeaza conform schemei din Fig. 10, alcatuita dintr-un
transformator de adaptare, convertizorul de frecventa cu tiristoare
sau tuburi (dupa frecventa si puterea impusa de proces), o baterie
de condensatoare pentru compensarea factorului de putere si
inductorul 4 alcatuit dintr-una sau mai multe spire in jurul piesei
ce trebuie incalzita.
Fig. 10. Partile componente ale unui generator de medie
frecventa cu tiristoare.Schema electrica a unei surse statice ce
alimenteaza un cuptor de inductie este data in Fig. 11.
Fig. 11. Schema electrica a unei surse statice pentru un cuptor
de inductie.Un transformator alimenteaza un redresor cu tiristoare
montate in punte Graetz si care redreseaza tensiunea trifazata de
50Hz a retelei. Un ondulor este comutat la o frecventa dorita pe
circuitul inductorului, dispus in jurul piesei de incalzit sau al
cuptorului. Puterile maxime ce se pot obtine sunt de ordinul a
2000kW, dar nu depasesc, de regula, frecventa de 10kHz.Circuitul de
sarcina, format din inductor si bateria de conden-satoare,
oscileaza la frecventa sa de rezonanta, ondulorul functionand
automat la aceste frecvente daca se prevede deschiderea
tiristoarelor la aceasta frecventa. Frecventa de functionare este
deci variabila, ea putand fi reglata intr-o anumita zona de
frecventa.Puterea este reglabila in sarcina, actionand asupra
tensiunii redresate, adica asupra unghiului de deschidere a
tiristoarelor ce alcatuiesc redresorul. Puterea data de ondulor
depinde de frecventa. Daca aceasta este mai mica decat cea
nominala, ondulorul nu furnizeaza intreaga putere; daca este mai
mare, poate ramane blocat.Informatii recente arata existenta unor
onduloare care pot functiona la puterea nominala, pentru 2-3 plaje
de frecventa. Puterile maxime atinse astazi de generatoare de acest
tip sunt de ordinul a 2000kW (3000-500Hz), dar pot fi realizate
puteri mai mari prin grupari in paralel. Randamentul este ridicat,
90% pentru f = 3-10kHz, 95% pentru f = 500-3000Hz. In gol, puterea
absorbita este de circa 2% din Pn, iar pornirea se face, practic,
instantaneu.e. Generatoare de inalta frecventa cu tuburiPentru
frecvente mai ridicate, de ordinul a sute de kHz pana la2-10MHz, se
utilizeaza generatoare cu tuburi electronice.Schema de baza, ( Fig.
12), cuprinde: redresorul ce trebuie sa asigure puterea ceruta de
proces la o tensiune de 5-15kV, in functie de tipul triodei
oscilatoare; un etaj oscilator care cuprinde circuitul oscilant cu
una sau mai multe triode; transformatorul de adaptare cu circuitul
de sarcina; inductorul.Redresorul este realizat astazi cu elemente
statice (diode sau tiristoare); tensiunea reglabila, furnizata
oscilatorului, asigura intretinerea oscilatiilor in circuitul
inductor-condensatorii asociati.Inductorul, functionand adesea la
tensiuni mai scazute decat ale tubului, este nevoie sa se utilizeze
transformatoare de adaptare.
Fig. 12. Schema unui generator de inalta frecventa cu
tuburi.Puterea in schema este reglabila, actionand asupra tensiunii
redresate cu ajutorul unui variator de tensiune. Circuitul de
inalta frecventa este autooscilant, functionand indiferent de
frecventa(f = 1/2). Pentru a atinge puterea nominala, se ajusteaza
inductorul sau condensatoarele.Randamentul este de ordinul 70-90%,
pentru f = 10-100kHz si 55-70% pentru frecvente ridicate. Pornirea
este rapida, de ordinul a 2-3 minute; puterea absorbita in gol 3%.
Se intalnesc in literatura date privind existenta unor generatoare
de puteri intre 1-1200kW.6. Incalzirea prin arcArcul electric,
intr-un mediu gazos la presiune normala sau la presiune redusa,
este o sursa de caldura puternica, temperatura arcului ajungand in
centrul sau la circa 18000oC, iar puterea de volum, in aceeasi
zona, este de circa 10kW/cm3. Doua tipuri mai reprezentative se
intalnesc: cu arc indirect si cu arc direct.Cuptoare cu arc
indirect. Arcul se produce intre electrozii 1 separati de
materialul de incalzit, incalzirea avand loc prin radiatie si
convectie (Fig. 13).
Fig. 13. Schema de principiu a unui cuptor cu arc indirect;1)
electrozi; 2) cuptor cu metalul topitCuptoare cu arc direct.
Materialul de incalzit este, in acelasi timp si electrod 2,
incalzindu-se prin arc si efect Joule, arc format intre electrozii
l si materialul de topit 2, ca in Fig. 14.
Fig. 14. Schema de principiu a unui cuptor cu arc direct:1)
electrozi; 2) cuptor cu metalul topit.Dintre problemele mai
dificile pe care le ridica aceste constructii se poate mentiona
instabilitatea, atunci cand sunt alimentate direct prin reteaua de
c.c sau c.a fara a avea in serie un element stabilizator
(rezistenta sau inductanta). Cuptorul cu arc trebuie racordat la o
retea electrica avand puterea de scurtcircuit mai mare decat aceea
de scurtcircuit a cuptorului pentru a evita aparitia 'fliker-ului'
(variatii de tensiune); de asemenea, se impune compensarea statica
a energiei reactive cu baterii de condensatoare.Cuptoare de acest
gen se realizeaza de mare capacitate (10-20t) si sunt destinate, in
special, pentru obtinerea unor oteluri speciale de inalta
calitate.Randamentele obtinute depind in cea mai mare masura de
comanda electrozilor, schemele de actionare jucand un rol important
in optimizarea regimurilor de functionare. La ICPE-Filiala Tg.
Mures, s-a realizat un sistem de comanda optimizata a avansului
electrozilor cu un convertizor de frecventa, care a permis ca
energia consumata pe o tona de otel sa scada de la 750kWh/t la
circa 500kWh/t, rezultat cu totul deosebit datorita economiilor de
energie pe care le genereaza.Preocuparea pentru reducerea
consumurilor energetice printr-un reglaj adecvat se impune ca o
acuta necesitate, date fiind energiile necesare mari impuse de
procesele de topire a unor materiale, asa cum rezulta din Tab.
3.Tab. 3. Consumul specific de electricitate intr-un cuptor cu
electrozi cufundati.ProdusConsumul specific (kWh/t)
Carbura de calciu3000
Fosfor10000-15000
Feromangan cu 75-80% Mn3500-4000
Ferosiliciu cu 45% Si5500-6000
Feromangan cu 75-80%3500-4000
Carbura de siliciu10000-12000
Corindon (Al2O3)3000-4000
Ferocrom cu 70% Cr, 4-8% C6500
Ferocrom cu 68% Cr, 1-4% C8000-9000
Feromolibden cu 70% Mo, 1% C7000
Ferotungsten cu 80% W, 1% C6000
Incalzire prin plasmaUn gaz neutru in stare normala, supus la o
temperatura ridicata sau la un camp electric intens, se ionizeaza
aparand ioni pozitivi (molecule care si-au pierdut electronii) si
electroni negativi. Un gaz ionizat poarta denumirea de plasma.
Aceasta plasma de inalta temperatura isi gaseste utilizarea in
cateva aplicatii. Daca primele aplicatii sunt mentionate la nivelul
anilor 1920-1925, dezvoltari indus-triale reprezentative nu apar
decat la nivelul anilor 60 (echipamente de taiere, acoperiri prin
proiectie, sudare, fuziunea de materiale, s.a).Generatoare cu
plasma de arcIn Fig. 15, este prezentat un asemenea sistem. Daca un
gaz neutru 1 este trecut printr-o zona de arc electric 3, stabilit
intre electrozii 2 si de aici printr-o duza 4 racita cu apa, se
formeaza un jet de plasma 5 de foarte inalta temperatura (datorita
ciocnirii ionilor arcului ionizat cu moleculele de gaz).Ionizarea
gazului se poate realiza si prin trecerea acestuiaprintr-un tub
izolant de cuart 1 plasat intr-un solenoid parcurs de un circuit 2
de inalta frecventa (5-60MHz) ca in Fig. 16. Temperaturile obtinute
in diverse zone ating valori ridicate cuprinse intre12000-20000oK
si pot fi utilizate in diverse procese de incalzire.
Fig. 15. Generator cu plasma de arc:1) gaz neutru; 2) electrozi;
3) zona de arc electric; 4) duza; 5) jet de plasma.
Fig. 16. Ionizarea gazului intr-un tub de cuart: 1) tub de
cuart, 2) circuit de inalta frecventa; 3) admisie gaz; 4,5,6,7)
puncte de distributie temperaturi.8. Incalzirea prin bombardament
(fascicul)de electroniIdeea utilizarii fasciculelor de electroni in
scopuri termice apare la inceputul sec. XX, o data cu cercetarile
lui Von Pirani Steigerwald si la nivelul anilor 1935-1940, se
realizeaza primul echipament de gaurire, pentru ca dupa razboi, in
anii 1955-1960, sa apara primele instalatii de sudare-incalzire cu
fascicul de electroni, in paralel cu dezvoltarea tehnicii vidului,
care a accelerat acest transfer tehnologic.Desi electronii au o
masa redusa (0,9.10-30kgf), vitezele relativiste, atinse la
deplasarea in camp, fac ca energia W = mv2/2 sa fie ridicata, incat
sa dezvolte, la impactul cu o suprafata, energii termice
ridicate.Fasciculul de electroni este focalizat pe cale
electrostatica si electromagnetica, pe suprafete restranse, de unde
si energiile mari ce se localizeaza. topiri103 104W/cm2; sudura106
108W/cm2; evaporare104 105W/cm2; uzinari107 109W/cm2.Ca elemente de
recenta noutate, se prezinta, in cele ce urmeaza, o serie de noi
cuptoare utilizand fasciculul de electroni.Cuptoare de topit
utilizand fasciculul de electroniEste o alta aplicatie a
fasciculului de electroni dezvoltata in ultima perioada, destinata
in special pentru imbunatatirea sau elaborarea unor noi tipuri de
oteluri superioare sau superaliaje, permitand o eliminare a
impuritatilor si asigurand recepturi foarte exacte. Mai mult, in
cazul evaporarii unor metale prin vaporizare (cazul Cr, spre
exemplu), se pot realiza si o compensare a pierderilor, o
omogenitate a granulatiei in lungul blocului sau, in sectiunea sa,
o epurare a aliajelor realizate in alte cuptoare deschise sau in
vid. Schema de principiu a procesului tehnologic este data in Fig.
1
Fig. 1 Cuptor de topire metal utilizand fasciculul de
electroni:1) tunuri de electroni; 2) electrod de topire; 3)
creuzet; 4) baie topire; 5) sistem de racire; 6) zona de flotare;
7) bariera electronica; 8) sistem evacuare.Doua tunuri de electroni
1 actioneaza unul asupra electrodului de topire 2 (in rotatie),
celalalt asupra creuzetului de turnare continua 3. Baia in care se
topeste metalul 4, racita cu apa prin sistemul 5 (de altfel ca si
creuzetul), contine metalul topit din electrod si pastrat la o
temperatura impusa tot cu ajutorul fasciculului de electroni
produsi de tunul 1. Prin actiunea sa, se formeaza o noua zona de
flotare 6 pentru particulele de zgura, care ulterior vor putea fi
usor indepartate. Dimensiunile baii de topire sunt de ordinul 400 x
140 x 40mm.Efectul de epurare se obtine printr-o bariera
electronica 7, creata prin actiunea celui de al doilea tun de
electroni, care actioneaza in aceasta zona, putin inainte de
turnare in creuzetul 3, impiedicand scurgerea impuritatilor. In
varianta pentru separarea barierelor de zgura metalica, se poate
utiliza o bara de cupru racita cu apa, plasata inaintea palniei de
rasturnare a continutului baii de metal topit in creuzet. Scurgerea
metalului, purificat din aceasta, se face prin deschiderea 8.
Productivitatea de turnare poate atinge, la aceste prime
cuptoare,25-100kg/ora si este perfect posibil de a creste, la
nevoie, aceasta cifra.In cazul in care se doreste obtinerea unor
lingouri din metale dure: Ti, Mo, W, Nb, se realizeaza instalatii
care permit obtinerea simultana a unor lingouri de diametre
65-70mm. Schema de principiu a unui asemenea cuptor este data in
Fig. 18.
Fig. 18. Cuptor cu fascicul de electroni, cu obtinerea simultana
a mai multor lingouri.Tunurile de electroni 1 sunt astfel
programate incat sa realizeze atat topirea metalului dorit 2, cat
si omogenitatea metalului in baia de topire 3 si separarea
zgurilor. O oala de turnare din cupru 4 si racita cu apa permite
introducerea metalului in creuzetul de turnare care contine, spre
exemplu, 18 lacasuri de formare lingouri 5. Prin deplasarea
corelata a sistemului de topire cu sistemul de tragere continua a
barelor, se obtin lingouri de mare puritate si omogenitate, asa cum
rezulta si din sectiu-nea formata printr-un asemenea lingou de
titan de 72mm (Fig. 19) in care a) reprezinta sectiunea printr-un
lingou de titan, iar b) o micro-sectiune pe un aliaj in 718. Se
remarca marea omogenitate a structurilor, ceea ce confera
caracteristici tehnice inalte.
Fig. 19. Sectiune printr-un lingou: a) lingou de titan; b) aliaj
in 718.
Fig. 20. Cuptor de topire cu fascicul de electroni pentru
lingouri de diametre mari.In situatia in care se doreste tragerea
unor lingouri de dimensiuni relativ mari (diametru si lungime), se
utilizeaza un echipament de genul celui dat in Fig. 20. Alimentarea
cu particule de Al, Ti, Nb, Zr ca atare sau prealiaje se face prin
sistemul de alimentare 1; materialul de baza 2, ce trebuie aliat cu
aceste materiale, este introdus sub tunul de electroni 3, programat
special, in functie de parametrii de topire si realizare a
barierelor termice. Materialul topit se strange in creuzetul 4,
care, in zona sa 5, permite indepartarea incluziunilor nemetalice.
Topirea, avand o distributie omogena cu cristale nu mai mari de
0,2mm, fara segregatii si cu mica porozitate, se toarna prin palnia
6 in creuzetul 7, care permite, prin constructia sa, ca metalul
topit sa se roteasca si sa se deplaseze pe verticala, rezultand un
lingou 8, omogenizat in continuare prin actiunea unui al doilea tun
de electroni. Dimensiunile obtinute pana acum pentru lingouri au
fost 500mm, lungime de 3000mm, productivitate cca 500kg/ora.9.
Incalziri utilizand fasciculul laserUtilizarea laserului pentru
incalziri este de data mai recenta, dupa anii 60. Proprietatile
luminii laser: monocromaticitate, concentrare, posibilitati de
baleiere fac din acest sistem o unealta deosebit de precisa in
diverse aplicatii tehnologice, inclusiv in operatiile de
topire.Dezvoltarea unor constructii variate de laseri (continui sau
in pulsuri), solizi, cu semiconductori, cu excimeri, cu raze X lasa
sa se intrevada aplicatii deosebite atat pentru microtopiri
(industria electronica si a componentelor), cat si pentru
macrotopiri (aliaje si compozitii de mare puritate).Mari
perspective se deschid in domeniul incalzirii, o data cu
declansarea fuziunii prin lasere de mare energie si crearea unor
plasme de inalte temperaturi. Desi randamentele de conversie
obtinute pana acum sunt relativ mici, 1-10%, exista premise certe
de crestere a numarului de aplicatii in urmatorii ani. Pentru date
complete, a se revedea capitolul 'Aplicatii tehnologice ale
laserului'.10. Incalzirea cu inalta si foarte inalta frecventaMulte
procese industriale au nevoie de caldura, dar anumite materiale in
special cele izolante cer alte surse de energie decat cele
conventionale. Campurile electromagnetice de inalta frecventa
aplicate acestor materiale izolante creeaza in masa acestora, prin
rapida reversare a polarizarii moleculelor, frecari si prin aceasta
o incalzire uniforma. Sistemul dielectric, cuprins intre doua
armaturi, joaca rolul unui condensator. Daca dielectricul este
perfect, curentul si tensiunea sunt in cuadratura, cos = 0, ca in
Fig. 21.a; daca dielectricul are pierderi, va exista un decalaj si
va aparea o componenta activa, P = U I cos , care se manifesta sub
forma de caldura in insasi masa dielectricului(Fig. 21.b).
Aplicatiile cele mai raspandite sunt in industria alimentara pentru
pasteurizarea laptelui, sterilizarea pastelor si conservelor,
deshi-dratarea fructelor, dar si in alte industrii (pentru uscarea
materialelor electroizolante sau a textilelor, prelucrarea unor
mase plastice).
Fig. 21. Dielectric fara pierderi (a) si cu pierderi (b).Pentru
orice material, exista o frecventa optima ce asigura incalzirea
dorita. In functie de frecventa, vom intalni echipamente
functionand cu unde de radiofecventa (f < 300MHz) sau cu
microunde in benzile de frecventa (896MHz-22250MHz), deosebindu-se
construc-tiv prin tipul generatorului ce va converti energia de
frecventa de 50Hz, la cea impusa de proces, la frecvente inalte. La
primele constructii, convertorul va fi trioda, in timp ce la cele
cu microunde, magnetronul sau klystronul.Sistem de incalzire cu
generator de radiofrecventa de tip capacitivCircuitul de iesire al
generatorului de radiofrecventa 3 este constituit dintr-un
condensator 1, intre ale carui placi este dispus materialul de
incalzit 2, cu rol de sarcina (Fig. 22). Orice schimbare a
caracteristicilor electrice a materialului datorita incalzirii va
modifica capacitatea sarcinii si, de aici, regimul de lucru al
generatorului. Aceasta este o deosebire esentiala fata de sistemele
cu microunde, la care materialul nu face parte integranta din
schema si o schimbare a starii probei nu va produce o schimbare la
iesirea generatorului.Echipamentele de radiofrecventa (RF) si-au
gasit largi aplicatii in sudura materialelor plastice, uscarea
placilor de lemn, preincalzirea maselor plastice, uscarea unor
materiale ce contin apa. Uneori, echipamentelor de RF li se
asociaza utilaje specializate: prese cu care alcatuiesc linii
specializate (pentru panel de lemn, mobila, industria cauciucului,
furnir etc.).
Fig. 22. Schema unui echipament cu generator de radiofecventa:1)
placile condensatorului; 2) dielectric; 3) generatorul de
radiofrecventa.Productivitatea pe care o ofera aceste echipamente
este ridicata. Spre exemplu, la uscarea unor textile, se realizeaza
prin acest procedeu timpi de 40 de minute, fata de zece ore la
utilizarea aburului, iar in industria cauciucului timpii de
vulcanizare se reduc cu cca 60%.11. Tehnologii bazate pe aplicatii
ale microundelorRadiatiile electromagnetice de frecventa foarte
inalta microundele au dovedit proprietati deosebit de interesante
pentru procesul industrial; ele pot incalzi in profunzime, omogen,
neselectiv si in timpi scurti de ordinul secundelor si minutelor
materiale rele conducatoare de caldura, dand rezultate excelente in
domenii in care alte tehnici se dovedeau ineficiente. Statisticile
arata ca, in lume, la nivelul anilor 90, existau cateva zeci de
milioane de cuptoare de bucatarie si numeroase echipamente de
incalzire industriala. Faptul ca nu a existat o aceeasi 'explozie'
si in cazul echipamentelor industriale se explica de catre unii
autori prin legatura slaba dintre producatorul de echipament si
utilizator, de multe ori lipsit de cunostintele tehnice necesare si
posibilitatea de a sesiza ceva nou intr-un proces (in agricultura,
alimentatie, alte sectoare industriale). Care au fost insa etapele
parcurse in dezvoltarea acestui domeniu.In anul 1873, James Maxwell
fundamenteaza teoria electro-magnetica, pentru ca in anul 1888 H.
Hertz, bazandu-se pe teoria electromagnetismului, fundamentata de
Maxwell, sa explice 'scanteile' ce apar intre mase metalice
neracordate la surse de energie prin existenta unor unde
electrice.Francezii revendica si ei aceasta descoperire,
atribuind-o lui Thomson, care a ratat-o prin aceea ca s-a multumit
doar cu publicarea in 1876, in Philosophical Magazine, a unor
observatii privind fenome-nul, in timp ce Hertz isi dezvolta
cercetarile pana la moartea sa, punand bazele cunoasterii undelor
decimetrice (microunde), carora le descopera proprietatile de
propagare rectilinie si de reflexie in oglinzi metalice.In aceeasi
perioada, Augusto Righi descopera capacitatea microundelor de
absorbtie a apei, iar Edurard Branly inventeaza coerorul cu
pilitura de fier, cu care se receptioneaza semnalele transmise prin
radio; in 1897, se propune deja ghidul de unde.Oscilograful catodic
apare in acelasi an (1897), cel care l-a inventat fiind K.F.Braun,
de altfel ca si antenele dirijate (1902).Hlfsmayer depune, in 1904,
primul brevet referitor la radar, A.V.Hall in 1918 pentru
magnetron, iar in 1938 fratii Varian creeaza o noua sursa de
microunde, klystronul.Din acest moment chiar daca multe din aceste
idei se vor aplica mult mai tarziu, datorita nepregatirii
tehnologice a societatii de a le prelua incep sa apara posibile
solutii pentru utilizarea microundelor: pentru radar, balize de
radionavigatie, fascicule herziene, telecomunicatii,
televiziune.Dupa 1945, dr. Percy Spencer, creatorul cuptoarelor cu
microunde care lucra la perfectionarea radarului are ideea sa
foloseasca magnetronul pentru fierberea alimentelor. 25 de ani au
trebuit insa pana la momentul in care noua tehnologie sa cunoasca
adevaratul succes de piata.Date despre microundeMicroundele sau
hiperfrecventele sunt radiatii electromagnetice a caror frecventa
este cuprinsa intre 890-22250MHz, utilizandu-se, pentru a nu
perturba alti utilizatori, patru benzi si anume: 890-940MHz
(neautorizata in toate tarile) 2400-2500MHz (cel mai frecvent
utilizata) 515-5875MHz 22000-22250MHzLungimile de unda
caracteristice se situeaza intre 1,35-33,5cm. Spectrul radiatiilor
electromagnetice este dat in Tab. 4.Tab. 4. Spectrul radiatiilor
electromagnetice.FrecventaLungimea de undaDenumirea
HzMHz
1061 300 munde
3 100 mmedii
6 50 m
10710
30unde
30 10scurte
60 5
108100 3unde ultrascurte
1091000 30 cm
3000 10 cm unde centrimetrice
6000 5 cm
1010100003
300001
10111000003 mm
3000001 mm
1012
1013 infrarosu unde calorice
1014rosuspectru vizibil
375 . 1012 - 0,8/umviolet
75 . 103 - 0,4/um
105ultraviolet
Utilizarea microundelor impune respectarea unor riguroase
prevederi, datorita faptului ca radiatiile pot crea mari neajunsuri
echipamentelor din jur, pe care le pot perturba. Nivelul de
radiatii masurat la 30m, trebuie sa fie:
