LPPEENRNNN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Sähkötekniikan koulutusohjelman BL200800 *Sähkölämpötekniikka* VLOKRIKUUMENNUS Lappeenrannassa 15.4.2014 0064511 ntero Hyppönen Säte 0400632 Ville Oinonen Ente 0400603 Joonas Muikku Ente
TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta Energiatekniikan koulutusohjelma Valokaarikuumennus Kirjallisuustyö 2014 16 sivua Tarkastaja: Professori *nimi* Ohjaaja: ssistentti *nimi*
2 SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO... 3 1 JOHDNTO... 4 2.Valokaaren synnyttäminen... 5 2.1. Tasavirtavalokaari... 5 2.2. Vaihtovirtavalokaari... 6 2.2.1. Vaihtovirtavalokaaren yhtälöt... 7 3. Valokaaren emissiivisyys ja vuo... 8 4. Valokaaren lämmönsiirto... 8 3 Kaarihitsaus... 10 3.1 Puikkohitsaus... 10 3.2 MIG-hitsaus... 10 3.3 TIG-hitsaus... 11 3.4 Plasmahitsaus... 11 4 Valokaariuuni... 12 4.1 Tasasähkö uuni... 12 4.2 Vaihtosähkö uuni... 12 4.3 Edut... 13 4.4 Ympäristö... 13 5 YHTEENVETO... 15 LÄHTEET... 17
3 SYMBOLILUETTELO U jännite [V] I virta [] l pituus [m] T lämpötila [ºC], [K] R resistanssi [Ω] X reaktanssi [Ω] P teho [W] ɲ hyötysuhde laindeksit v muuntaja + kaapeli a valokaari mit mitattu
4 1 JOHDNTO Tässä työssä tarkoituksemme oli noin 3-4 hengen ryhmissä selvittää eri sähkölämpötekniikan sovellutusten toimintaperiaatteita, sekä keskittyä erityisesti sovellutusten käyttökohteisiin ja tapoihin. Ryhmämme aihe oli valokaarikuumennus ja sen sovellutukset. Kokosimme yhteen valokaarikuumennuksen tunnetuimmat, sekä käytetyimmät sovellutukset, sekä myös toimintaperiaatteen ja teorian sovellutusten takaa. Työmme keskittyi erityisesti valokaarikuumennuksen toimintaperiaatteen ohella eri valokaarihitsausmenetelmiin, ja valokaariuuneihin, sekä näiden sovellutusten käyttöön teollisuudessa. Eri sähkölämpötekniikoiden sovellutuksista kertovaan raportointiin kuului osana myös yleisölle pidetty seminaari aiheesta. Valmistelimme, sekä pidimme valokaarikuumennuksesta seminaari esityksen, ja tarkkailimme myös muiden ryhmien seminaaritöitä.
5 2.Valokaaren synnyttäminen 2.1. Tasavirtavalokaari Valokaari saadaan syttymään ionisoituneeseen kaasuun tasa- tai vaihto- sähköllä. Tasavirtavalokaari käyttäytyy kuten negatiivinen resistanssi. Jännite on virran funktio alle noin 20 mpeerin virroilla ja likimäärin hyperbelin muotoinen ja valokaari on n.k. rauhallinen valokaari. Jos virtaa kasvatetaan tästä, tullaan epästabiilille virta-jännitealueelle joka jatkuu virralle noin 22 mpeeria asti. Kun virtaa edelleen kasvatetaan, saavutaan sihisevän valokaaren alueelle. Tasavirtavalokaari voidaan siis jakaa kolmeen osaan / [3] Kuva (1) Rauhallisen valokaaren alueella on valokaaren jännitteelle voimassa kokeellinen H. yrtonin yhtälö c + dl U = a + bl + (1) I
6 missä U on valokaaren jännite, I on valokaaren virta, l on valokaaren pituus millimetreinä ja a, b, c ja d ovat elektrodimateriaalista riippuvia vakioita. Tasavitavalokaariuunit ovat tyypillisesti 60 MW tehoisia, 75 tonnin uuneja vaikka myös isommilla kapasiteeteilla toimitaan / [2] 2.2. Vaihtovirtavalokaari Vaihtovirtavalokaarella anodi ja katodi vaihtavat paikkaansa syöttötaajuuden tahdissa. Positiivisen puolijakson alussa elektrodien välinen jännite saavuttaa valokaaren syttymisjännitteen Uam, jolloin valokaari syttyy ja jännite asettuu arvoon Ua. Syöttöjännitteen laskiessa kasvaa valokaaren jännite sammutusjänniteeseen Uext, jonka jälkeen valokaari sammuu. Valokaari syttyy ja sammuu uudelleen negatiivisen puolijakson aikana. Kuva (2) Valokaaren syttyminen ja sammuminen aiheuttavat sen, että virran käyrämuoto ei ole sinimuotoinen. Valokaaren stabiloinnissa käytetään sarjakuristinta, jonka vastasähkömotorinen voima auttaa valokaaren uudelleensyttymistä seuraavassa jännitteen vaiheessa. Kolmivaiheisen metalliromun sulatukseen käytettävässä valokaariuunissa ovat puolijaksojen virrat ja jännitteet erilaiset koska elektrodit anodi ja katodi ovat erilaiset.
7 2.2.1. Vaihtovirtavalokaaren yhtälöt 1-vaihejärjestelmälle, sinimuotoisilla yhtälöillä, saadaan valokaaren reaktanssit ja resistanssit huomioiva yhtälö I U = (2) ( R + R ) + ( X + X ) 2 V 2 V missä resistanssi, R on valokaaren resistanssi, Rv on muuntajan ja kaapeleiden X on valokaaren reaktanssi ja Xv muuntajan, kaapeleiden ja stabilointikelan yhteenlaskettu reaktanssi / [3]. Valokaaren teho P on 2 R I : P 2 = (3) ( R + R ) 2 + ( X + X ) 2 V R U V Uunin ja muuntajan yhteenlaskettu teho on P ( R R ) I 2 = (4) kok V + josta saadaan P 2 ( RV + R) U = (5) ( R + R ) 2 + ( X + X ) 2 V V Hyötysuhteelle saadaan P - R I - P = P 2 kok V LÄMPÖHÄVIÖT h (6) kok Tehokertoimelle saadaan
8 RV + R cos j = (7) ( ) ( R + R ) 2 + ( X + X ) 2 V V 3. Valokaaren emissiivisyys ja vuo Valokaaren monokromaattinen emissiivisyys on 2 2phc 1 El = (8) 5 l exp( hc / lk T) -1 b ja vuo on F = ò E dl 0 l = st 4 missä s on Stefan-Bolztmann vakio. Tyypillisesti valokaaren jännite on välillä 100 <V<800 V ja virta 5<I<200 k / [2] 4. Valokaaren lämmönsiirto Lämpö siirtyy kuormaan kolmella eri menetelmällä. Lämpö siirtyy säteilemällä kuuman elektrodin kärjestä kuormaan, valokaaren plasmakanavasta lämpö siirtyy säteilyn ja konvektion avulla ja valokaaren ja kuorman kosketuspisteessä lämpö siirtyy kuormaan johtumalla [3] Konvektiojn osuus siirrosta on 50 60 % / [1] Suoran valokaaren avulla voidaan toteuttaa fosforin erottelu, rikin erottelu ja puhdistaminen yleisesti. Valokaari lämmittää sulan metallin päällä olevan kuonakerrroksen ensimmäiseksi. Kuonassa on runsaasti rautaoksidia minkä aiheuttama kuormitus on
9 reaktiivista kuormaa valokaarelle. Kuonaa voidaan työstää sähkömagneettisesti esimerkiksi talteenotossa. Paikallinen sulan metallin ylikuumeneminen estetään liikuttelemalla elektrodeja, siis katodin liikkeillä. Katodin liikuttelu on myös tärkeää jotta valokaaren oikosulku saadaan estettyä.
10 3 Kaarihitsaus Kaarihitsausmenetelmä on yksi sulahitsausmenetelmistä. Kaarihitsauksessa lämpö saadaan valokaaresta, joka sulattaa hitsattavaa materiaalia. Kaarihitsausmenetelmällä voidaan hitsata melkein kaikkia sähköäjohtavia materiaaleja. Kaarihitsausmenetelmiäkin on monia erinlaisia riippuen siitä käytetäänkö suojakaasua ja muodostuuko valokaari sulavan vai sulamattoman sydämmen ja kappaleen välille.[4] 3.1 Puikkohitsaus Kaikkein tunnetuin ja vanhin kaarihitsausmenetelmä on puikkohitsaus. Puikkohitsauksessa valokaari syntyy puikonpään sekä hitsattavan aineen välille. Valokaari saa aikaan hitsattavan aineen sekä erillisen lisäainepuikon sulamisen ja näiden materiaalien sekoittumisen. Jäähdyttyään sula metalliseos kovettu muodostaen valmiin hitsin. Puikkohitsaus toimii sekä vaihto- että tasavirralla, joskin tasavisrta hitsausmuuntajat ovat taloudellisesti epäedullisia. Hitsauspuikkoja on monia erinlaisia ja ne on valittava hitsattavan kohteen sekä virran tyypin mukaan. Puikkohitsaus on yksinkertaisuutensa vuoksi hyvin toimintavarma ja se toimii hankalissakin olosuhteissa. Puikkohitsauksen haittana on kuitenkin sen sovultumattomuus ohuille materiaaleille. Ohjesääntönä voidaan pitää alle 1mm rajaa.[4][5] 3.2 MIG-hitsaus Mig-hitsauksessa, toisin kuin puikkohitsauksessa, valokaari syntyy lisäainelangan sekä hitsattavan materiaalin välille. Lisäainelanka on yleensä ohutta (0,5mm-1,5mm) metallilankaa joka koneellisesti syötetään hitsipuikon päästä. Valokaaren aiheuttaman lämmön ansiosta lisäainemateriaali sulaa sekoittuen sulaneeseen päämateriaaliin ja jäähtyessään muodostaa hitsisauman. Omainista MIG-hitsaukselle on että valokaari palaa passiivisessa suojakaasussa eli suojakaasu ei reagoi millään tapaa hitsattavien materiaalien kanssa. MIG-hitsauksen variaatio on MG-hitsaus, joka on muuten täysin samanlainen prosessi, mutta siinä suojakaasu reagoin sulan hitsin kanssa.
11 MIG-hitsaus on nopeaa ja hitsi on yleensä todella puhdasta, hitsausaitteen oikeanoppinen säätäminen voi olla hankalaa. MIG-hitsauksessa muuttuvia parametrejä ovat langan syöttönopeus sekäö hitsaus jännite. [4][5] 3.3 TIG-hitsaus TIG-hitsauksessa valokaari syntyy sulamattoman volframielektrodin sekä hitsattavan kappaleen välille. TIG-hitsauksessa, kuten myös MIG-hitsauksessa, suojakaasu on inertiä eli passiivista, yleensä argonia. TIG-hitsauksesta on kolme eri variaatiota lisäaineen suhteen. Lisäaine voidaan syöttää joko käsin tai koneellisesti, mutta se voidaan jättää myös kokonaan pois. Koneellisesti syötettäessä puhutaan mekaanisesta TIG-hitsauksesta. TIG-hitsauksessa voidaan käyttää sekä tasa- että vaihtojännitettä TIG-hitsauksen etuina on puhdas hitsi sekä hyvin hallittava tarkuus ja lämmöntuonti. Huonoina puolina taas on hitaus, suurehko lämmöntuonti sekä laitteiston kallis hinta. [4][5] 3.4 Plasmahitsaus Plasmahitsaus muistuttaa TIG-hitsausta, koska siinä valokaari syntyy palamattoman volframielektrodin ja työstettävän kappaleen välille. Plasmahitsauksessa valokaari kuitenkin palaa suojakaasun sekä plasmakaasun ympäröimänä. Valokaari pakotetaan kulkemaan ahtaan kuparisuuttimen läpi plasmavirtauksen kanssa suurella nopeudella, jolloin sen muto muuttuu lieriömäiseksi, joka mahdollistaa paremman lämmönsiirtymisen valokaaresta kaasuun ja sen energiatiheys kasvaa. Plasmahitsauksen energiatiheys on niin suuri, että se mahdollistaa lävistävän hitsauksen (keyhole-hitsauksen). Plasmahitsauksessa käytetää lähes poikkeuksetta tasavirtaa sekä mekaanista lisäaineen syöttöä. [4]
12 4 Valokaariuuni Valokaariuunissa valokaari palaa kahden elektrodin välillä, jolloin lämpöä siirtyy säteilemällä kuumasta valokaaresta. Valokaari muodostetaan elektrodien välille käyttämällä suurta jännitettä. Suuren jännitteen ansiosta virtapiiri sulkeutuu elektrodien muodostaessa oikosulun, joka siis ilmenee valokaarena. Elektrodit on upotettu yleensä esimerkiksi metalliromuun, jolloin romun läpi kulkeutuessaan valokaari kuumentaa metallin sulamislämpötilaan. Valokaariuuneissa voidaan myös käyttää toisena elektrodina kuormaa, jolloin valokaari muodostuu suoraan elektrodin ja metalliromun välille. Näin lämmönsiirtoa saadaan parannettua huomattavasti. Tilanteessa jossa toinen elektrodi on suoraan kuumennettava kohde, lämpöä siirtyy säteilemällä kuuman elektrodin kärjestä, plasmakanavasta säteilemällä ja konvektiolla, sekä myös kuorman kosketuspisteestä kuormaan johtumalla. Yleensä valokaariuunin ensiöpuoli on 6-20 kv jännitetasossa, ja oikosulkuteho mahdollisimman suuri. Tästä aiheutunutta suurta loistehoa kompensoidaan kondensaattoreilla. Valokaariuunien koot vaihtelevat erittäin paljon, ja tyypilliset kuormakoot vaihtelevatkin noin 2000 kilosta aina 360 000 kiloon. Samassa tehot vaihtelevat noin 2-150 MV:n välillä.[6] 4.1 Tasasähkö uuni Valokaariuuneja voidaan käyttää joko tasa- tai vaihtosähköllä. Tasavirta uunissa elektrodeja on vain yksi ja toisen elektrodin virkaa ajaa kuorma, esimerkiksi sulatettava metalliromu. Kun elektrodeja tarvitaan vain yksi, on elektrodien kulutus, sekä uunin kuluminen huomattavasti vähäisempää kuin kolmen elektrodin vaihtosähkö uunissa. Tasasähkö uunilla sulatustehon tarve on myös pienempi kuin vaihtosähkö uunilla, jolloin tasasähkö uuni on energiatehokkaampi vaihtoehto.[2][6] 4.2 Vaihtosähkö uuni Vaihtosähkö uunissa elektrodeja on 3, jokaiselle vaihdejohtimelle, joko tähti-, tai kolmiokytkennässä. Kolmen elektrodin käyttö aiheuttaa suurempaa kulumista uunissa, mutta tärkeimpänä muutoksena tasasähköuuniin on kuorman epätasainen lämpiäminen. Kun käytössä on kolme elektrodia, ja niiden välillä palavat valokaaret, jää
13 kolmiomuodostelmassa olevien elektrodien väliin rakoja, joissa kuorman lämpötila on alhaisempi kuin ympäröivässä kuormassa. Näitä viileämpiä alueita varten vaihtosähkö uunissa on oltava vielä lisäpolttimet, joilla varmistetaan kuorman tasainen lämpötila. Vaihtosähköllä operoitaessa myös lämmön johtuminen on heikompaa, tasasähkö uuniin verrattaessa vaihtosähköllä lämpöä johtuu vain säteilemällä ja johtumalla valokaaresta.[6][7] 4.3 Edut Ensimmäiset valokaariuunit kehitettiin jo 1800- luvulla, mutta sen aikaisen sähköjärjestelmän takia käyttö oli erittäin vähäistä ja hankalaa. Vasta myöhemmin noin 1900- luvun alussa valokaariuunin käyttö lähti nousuun sotateollisuuden myötä. Jo silloin ymmärrettiin, että valokaariuuni on erittäin tehokas tapa sulattaa metalleja, esimerkiksi hyödyntää vanhaa romumetallia uudestaan. Nykyään, kun kierrättäminen on erittäin ajankohtainen tapa uusiokäyttää materiaaleja, on valokaariuunien kysyntä kova. Verrattaessa valokaariuunilla romuraudasta tuotetun metallin hintaa malmeista tuotettuun, on etu selvästi valokaarimenetelmällä. Hyötysuhde on erittäin paljon kilpailukykyisempi valokaarimenetelmällä, jolloin päästään jopa yli 80 % hyötysuhteisiin, ja hukkalämmön talteenotolla vieläkin korkeammalle. Parhaita valokaariuunien ominaisuuksia ovat kuitenkin nopeus ja luotettavuus. Uunit selviävät hyvinkin vähällä huollolla, eikä operointiin tarvita montaa henkilöä. Keskiverto, noin 60 MV: n, valokaariuuni pystyy sulattamaan 80t kiloa metalliromua vain hieman yli puolessa tunnissa, mikä on erittäin nopea tahti verrattuna perinteiseen metallin tuottoon.[6][7] 4.4 Ympäristö Valokaarimenetelmällä tuotettu raakametalli on siis täysin kierrätettyä romumetallia, joka olisi muuten lojunut käyttämättömänä, ja pahimmillaan ruostunut uusiokäyttökelvottomaksi. Myöskin suurten hyötysuhteiden ansiosta menetelmä on koettu erittäin hyväksi tavaksi tuottaa uusiometalleja, mutta valokaariuuneilla on onnistuttu myös tuottamaan esimerkiksi erilaisia kaasuatomeja prosessin yhteydessä talteenottoa varten. Metalliteollisuuden ollessa poikkeuksetta hyvin raskasta, ei valokaariuunitkaan päästä ympäristö helpolla; valokaariuunien selkeimpiin haittoihin on luettavissa todella suuri sähkönkulutus. Tämä on kiistämätön tosiasia, mutta toisaalta verrattaessa esimerkiksi
14 metallien tuottamiseen malmista, jossa tarvittu lämpö tuotetaan usein fossiilisilla polttoaineilla, on suuri sähkön tarvekin pieni tekijä, sähköhän voi olla peräisin vaikka vesivoimalaitoksista. Muita valokaariuunien haitta puolia ovat erittäin suuret melusaasteet, joita syntyy valokaaren kuumentaessa metallia erittäin nopeasti. Tässä prosessissa pääsevät paukahtelevat äänet voivat kantautua hyvinkin pitkälle. Toinen haittapuoli on sulatuksessa syntyvät kuona-aineet. Romumetalli ei voi olla täysin puhdasta, joten sulatusprosessissa syntyy aina sulamatonta kuona-ainetta, jolle on löydettävä loppusijoituspaikka.[6]
15 5 YHTEENVETO Valokaarikuumennus perustuu kahden elektrodin välille syntyvään valokaareen, josta lämpö siirtyy johtumalla, säteilemällä ja konvektiolla materiaaliin. Valokaaren avulla voidaan kuumentaa lähestulkoon kaikkia sähköä johtavia materiaaleja. Valokaarikuumennuksen kaksi tärkeintä sovellusta ovat valokaariuuni ja kaarihitsaus. Kaarihitsauksessa syntyvä valokaari sulattaa hitsattavan kappaleen ja joissain tapauksissa myös lisäaineen. Kaarihitsauksesta on monia eri sovelluksia riippuen esimerkiksi siitä käytetäänkö lisäainetta tai suojakaasua. Valokaariuuni on tärkeä osa romuteräksen kierrätyksessä. Tässä menetelmässä sulatetaan suurella sähkövirralla useita kymmeniä tonneja romurautaa hyvinkin lyhyessä ajassa. Hyvän hyötysuhteensa ansiosta valokaariuuni on myös ympäristöystävällinen, varsinkin jos sen kuluttama sähkö tuotetaan uusiutuvalla energialla. Valokaariuunilla tuotettu metalli on myös aina lähestulkoon kokonaan kierrätysmetallista tuotettua, jolloin menetelmän ympäristöystävällisyys korostuu. Valokaari on siis kokonaisuudessaan erittäin tehokas tapa tuottaa lämpöä, jota voidaan käyttää useisiin eri teollisuuden sovelluksiin.
16
17 LÄHTEET [1] Maurice Orfeuil, Electric Process Heating Battle Press ISBN 0-935470-26-3, 1981 Columbus Ohio [2] C Metaxas, Foundations of Electroheat unified approach John Wiley & Sons 1996 ISBN 0 471 95644 9 [3] Opetusmoniste Sähkölämpötekniikka Verkkodokumentti (Viitattu 26.3.2014) Saatavissa käyttäjätunnuksilla: https://noppa.lut.fi/noppa/opintojakso/bl20a0800/luennot [4] Esab Suomi, hitsaustietoa hitsaus menetelmät http://www.esab.fi/fi/fi/education/processes.cfm [5] Wikipedia, kaarihitsaus http://fi.wikipedia.org/wiki/kaarihitsaus [6] Wikipedia, valokaariuunit http://en.wikipedia.org/wiki/electric_arc_furnace http://fi.wikipedia.org/wiki/valokaariuuni [7] Wikipedia, valokaari http://en.wikipedia.org/wiki/electric_arc
Liite II, 1