Kaarahi on elektriline ahi, kus kütteseadmeteks kasutatakse elektrikaare soojus efekti. Ahju peamiseks ülesandeks on kõrglegeeritud teraste jääkide sulatamine, kuid on võimalik sulatada ka teisi materjale. Esimene tööstuslik kaarahi ehitati üle-eelmise sajandi lõpus Prantsusmaal.

Oma ehituselt liigituvad tööstuslikud kaarahjud kolme kategooriasse:

1. Otsese kuumutamisega kaarahi - elektrikaar põleb elektroodide ja töödeldava materjali vahel (joonis 1, a).

2. Kaudse kuumutamisega kaarahi - elektrikaar põleb ainult elektroodide vahel. Soojusülekanne toimub elektrikaarelt töödeldavale materjalile soojuskiirguse abil (joonis 1, б).

3. Kinnise kaarega kaarahi - töödeldav materjal ümbritseb elektroode, elektrikaar põleb materjali all. Soojusülekanne toimub elektrikaarelt materjalile ning samuti elektrivoolu läbimisel läbi töödeldava materjali (joonis 1, в).

Joonis 1

Kaarahjud leiavad kasutust metallurgias teraste ja malmi sulatamiseks rauamaagist, samuti keemiatööstuses kaltsiumkarbiidi, fosfori jms valmistamiseks.

Elektrienergia kantakse üle jõutrafolt läbi vasklattide või vesijahutusega kaablite elektroodidele. Elektroodid on tavaliselt ümmarguse ristlõikega ning on valmistatud söest või sagedamini grafiidist. Temperatuuri reguleerimiseks liiguvad elektroodid automaatselt üles ja alla. Nad on ühendatud trafoga painduva elektrijuhi abil, mis on samuti vesijahutusega. Levinumad on kolmefaasilised kaarahjud, kus elektrikaar põleb kolme elektroodi ja töödeldava materjali vahel (otsese kuumutamisega).

Elektrikaar ahi kujutab endast võimast kõrgelt mehhaniseeritud ja automatiseeritud agregaati, kus on viidud miinimumini tööstuslikkude operatsioonide kestvus, mis võimaldab efektiivselt kasutada ahju tööaega.

Konstruktsioonilt on kaarahjud tehtud ümmarguse korpusega, mille sees on suure tulekindlusega vooder. Ahju seintes on tavaliselt üks või kaks akent ning üks väljalaske ava, mis on varustatud renniga sulametalli ja räbu ärajuhtimiseks. Kaarahju kaanes on vesijahutusega elektroodidele ettenähtud avad. Elektrikaarahi paigutatakse liikuvale alusele, mis võimaldab seda elektriajami või hüdraulika abil kallutada.

Kaarahju mahtuvus võib varieeruda mõnelt tonnilt kuni 400 tonnini ning temperatuur kuni 1 800°C. Laborites kasutusel olevad kaarahjud, võivad aga mahutada vaid mõnikümmend grammi, kuid saavutada temperatuure kuni 3 000°C.

Kaasaegsed kaarahjud on varustatud transformaatoriga võimsusega kuni 85 000 kVA, mille sekundaarpinge varieerub 400 ja 900 V vahel ja sekundaarvool kuni 44 kA. 150 - 300 tonnise partii sulatamiseks kulub 30-40 minutit. Ühe tonni jääkmetalli sulatamiseks kulub umbes 300 kWh elektrienergiat.

1. grafiit elektrood, diameetriga 710mm

2. elektroodi hoidja

3. kaas

4. vesijahutusega vaherõngas

5. korpus

6. vesijahutusega abiuks

7. ahju pööramiseks ettenähtud elektriajam

8. ahju kallutamiseks ettenähtud elektriajam

9. tila

10. vesijahutusega liikuv voolujuht

Elektrikaarahjude elektriseadmed ja –skeemid

Otsekuumutusega elektrikaarahi on kolmefaasiline ning ta on ette nähtud peamiselt terase sulatamiseks (eelkõige kõrglegeeritud sortide sulatamiseks). Otsekuumutusega elektrikaarahju töötemperatuur on 1600 °C ja rohkem.

Ahju kere (1) koosneb sfäärikujulisest põhjast (17) ning silindrikujulisest tulekindla isolatsiooniga (3) vooderdatud kestast, mis on tugevdatud rõngaga (4).

Sulametalli (15) väljavalamine toimub ava (2) kaudu. Ahju kest on varustatud aknaga (14). Aken on ette nähtud sulatamisprotsessi visuaalseks jälgimiseks. Ahju kuppel (6) takistab gaaside ja soojuse leket. Kupli avamine ja sulgemine toimub elektriajamiga rõngale (5) kinnitatud kettide (12) abil. Süsielektroodid (7) asuvad pesades (8), elektroodide lülitamine võrku toimub painduvkaablite abil. Elektroodide kõrguse reguleerimiseks on ette nähtud elektri- või hüdroajamiga varustatud mehhanism, mis koosneb platvormile (11) paigutatud poste (9) mööda liikuvatest kelkudest (10). Platvorm toetub omakorda tugipostile (13). Ahju kallutamiseks ja sulametalli väljavalamiseks on ette nähtud rullikud (18) koos elektri- või hüdroajamiga varustatud hammaslati- või tiguülekandega.

Sama mehhanismi abil saab kallutada ahju šlaki eemaldamiseks 10-15° ka akna (14) suunas.

Ahju täitmiseks on ette nähtud spetsiaalne korv (19), mille teisaldamine toimub näiteks sildkraana abil. Korvi põhi koosneb segmentidest, korvi täitmiseks ja tühjendamiseks segmendid avanevad väljapoole.

Ahju täitmine toimub ülevalt, selleks tõstetakse elektroodid ja ahju kuppel ning lõpuks keeratakse ahju ülemine osa koos platvormiga horisontaalsuunas 80 – 100° kõrvale. Ahju sulgemine toimub vastupidises järjekorras.

Ahju mahutavus on metalli maksimaalne kogus, mida on võimalik sulatada ahjus ühe sulatusprotsessi vältel.

Kaudkuumutusega elektrikaarahi (joonis 1-18) on ühefaasiline ja ta on ette nähtud värviliste metallide sulatamiseks ning selle ahju töötemperatuur on 1300 – 1400 °C.

Selles ahjus põleb kaar sulatatava metalli kohal, seepärast nimetatakse neid ahje kaudkuumutusega elektrikaarahjudeks. Tänu sellele väheneb sulametalli aurustumine ahjust ja metalli sulatamisest tekkiv ving.

Tulekindla- ja soojusisolatsiooniga (2) vooderdatud silindri- või vaadikujuline ahju korpus (1) on varustatud rõngastega (5), milliste abil ta toetub rullikutega (3) varustatud neljale tugisambale. Korpuse keskmises osas asub raamiga aken (11), mis on ette nähtud ahju täitmiseks ja sulatatud metalli väljavalamiseks valurenni (13) kaudu. Aken on varustatud seestpoolt vooderdatud uksega (12). Grafiidist valmistatud elektroodid (9) asuvad pesades (10) ja on asetatud ahju horisontaalteljele. Elektroodid on ühendatud võrku painduvate kaablite abil, elektroodide vahekauguse reguleerimiseks on ette nähtud nii käsi- (8) kui elektriajamiga (7) varustatud mehhanismid (antud skeemil toimub parempoolse mehhanismi

reguleerimine ainult käsitsi) ning juhtrööpad (6). Metalli sulatamise käigus toimub ahju korpuse kiigutamine tema pikitelje ümber reversiivse elektriajamiga (4) varustatud rullikutel (3). See on vajalik eelkõige ahju vooderduse jahutamiseks, sest sulatatud metalli temperatuur on vooderduse temperatuurist madalam, samuti ka sulatatud metalli segamiseks. Tänu sellele pikeneb kaarahju tööiga.

Elektrikaarahjude elektriseadmed

Elektrikaarahjude elektriseadmed koosnevad ahjust, elektri- või hüdroajamitega varustatud abimehhanismidest, ahjutrafost, vooluviigust (painduv kaabel või latid), kõrgepingejaotlast, võimsuse regulaatorist ning kontrollimis-, reguleerimis-, mõõte- ja signalisatsiooniseadmetega juhtimiskilpidest. Elektrikaarahjud on väga võimsad elektrienergia tarvitid (1000 – 10000 kW). Näiteks ühe tonni tahke täite sulatamiseks kulub 400 – 600 kWh elektrienergiat. Seepärast kasutatakse ahjude toiteks pingealandavaid trafosid primaarpingega 6, 10 või 35 kV ja sekundaarpingega 320 V (väikeste ja keskmiste ahjude puhul) kuni 510 V (suurte ahjude puhul).

Elektrikaarahjude toiteks kasutatakse spetsiaalseid alajaamu, mis koosnevad trafost ja oma jaotlast ning elektrienergia kadude vähendamiseks asuvad alati elektrikaarahju(de) läheduses.

Elektrikaarahjude seadmete elektriajamites kasutatakse reeglina lühisrootoriga kolmefaasilisi asünkroonmootoreid. Sõltuvalt kaarahjude võimsusest on nende mootorite võimsused 1-2 kW kuni 20-30 kW. Elektroodide kõrguse reguleerimismehhanismides kasutatakse alalisvoolumootoreid. Võrreldes kolmefaasiliste vahelduvvoolumootoritega on alalisvoolumootoritel laiem pöörlemiskiiruse reguleerimise diapasoon ning suhteliselt lihtne etteantud reguleerimisdiapasooni saavutamine. Alalisvoolumootorite pöörlemiskiirust reguleeritakse staatiliste jõumuundurite abil (näiteks türistormuundurid). Vanasti teostati reguleerimist elektrimasin- või magnetvõimendi abil. Sulatatud metalli segamiseks ahjudes mahutavusega üle 20 t on ette nähtud erinevad seadmed, mis töötavad pöörleva magnetvälja põhimõttel. Mittemagnetilisest materjalist valmistatud ahju põhja alla on paigutatud kahe mähisega staator, nende mähiste voolud on teineteisest nihutatud 90º võrra. Tänu sellele tekkib pöörlev magnetväli, mille pöörlemissuunda võib vajaduse korral muuta mähiste ümberlülitamise teel. Voolusagedus mähistes on 0,3 – 1,1 Hz, nende toiteks elektrimasinvõimendi või türistormuundur.

Elektrikaarahjude seadmete elektriajamite mootorid töötavad väga rasketes tingimustes (tolmune keskkond, kõrge temperatuur), seepärast on need mootorid kuumuskindla isolatsiooni ja suletud konstruktsiooniga.

Elektrikaarahjude trafod

Elektrikaarahjude toiteks kasutatakse eriotstarbelisi õlijahutusega kolmefaasilisi trafosid, nende trafode võimsus on peale ahju mahutavust üks tähtsamaid kaarahju iseloomustavaid parameetreid ning sellest sõltub sulatamisprotsessi kestvus. Näiteks ahjus mahutavusega kuni 10 t võtab metalli sulatamine aega 1 – 1,5 tundi, ahjudes mahutavusega kuni 40 t – 2,5 tundi.

Elektrikaarahju toitepinge vajab sulatamisprotsessi käigus reguleerimist laias vahemikus. Esimesel etapil toimub tahke täite sulatamine ning selle protsessi käigus on ahju tarbitav võimsus kõige suurem. Samas on tahke täite korral kaare põlemine ebastabiilne, mis nõuab omakorda kõrgendatud toitepinget. Tahke täite sulatamise kestvuse osakaal on 50 % kogu sulatamisprotsessist ning võimsuse tarbimise osakaal on 60 – 80 % võimsuse kogutarbimisest. Teisel ja kolmandal etapil kaare põlemine stabiliseerub, temperatuur tõuseb ja kaar pikeneb. Nendel etappidel toimub sulametalli oksüdeerimine ja puhastamine (kahjulike lisandite ja liigse süsiniku põletamine). Nüüd vähendatakse ahju toitepinget, mis on vajalik kaare lühendamiseks, vooderdusele liigse kuumuse mõju vähendamiseks ja selle arvel ahju vooderduse tööea pikendamiseks.

Elektrikaarahju toitepinge reguleerimise tagamiseks on ahjutrafo primaarmähistes ette nähtud väljaviigud, mis võimaldavad kaare toitepinge astmelist reguleerimist (12 astet ja rohkem). Sekundaarmähiste liinipinge trafodel võimsusega kuni 8 000 kVA on U_min= 100 kuni 120 V ja U_max= 220 kuni 320 V, suurema võimsusega trafodel on aga U_min= 130 kuni 185 V ja U_max= 370 kuni 510 V. Trafod võimsusega kuni 10 000 kVA on varustatud seadmega, mis võimaldab reguleerida pinget koormusvaba trafo korral. Võimsamad trafod omavad seadet, mis võimaldab reguleerida pinget koormuse all. Väiksemate ahjude puhul kasutatakse kaht kuni nelja reguleerimisastet, samuti kasutatakse lihtsaimat viisi – kõrgepingemähise ümberlülitamist kolmnurgast tähte.

Vahelduvvoolukaare stabiilse põlemise tagamiseks ja lühisvoolude ning pingetõugete piiramiseks lühise korral peab kogu seadme suhteline reaktiivtakistus olema 30 – 40 %. Elektrikaarahjude trafode reaktiivtakistus on reeglina 6 – 10 % ja väikeste ahjude lattsildade reaktiivtakistus 5 – 10 %. Sel põhjusel lülitatakse trafo primaarmähise ahelasse reaktori, mis kuulub reeglina trafoalajaama komplekti ja mille reaktiivtakistus on 15 – 25 %. Reaktor kujutab endast mitteküllastunud südamikuga drosselit.

Elektrikaarahju jõuahelate lihtsustatud elektriline skeem (joonis 1-19):

Elektrikaarahju elektrilise skeemi elementide loetelu:

S1 – lahklüliti

S2 – võimsuslüliti (õhk- või õlilüliti)

T1 – pingetrafo (jõutrafo primaarmähis)

T2 – T4 – voolutrafod (jõutrafo primaarmähis)

L1 – L3 – reaktorid

S3 – võimsuslüliti

S4 – ümberlüliti

T5 – jõutrafo

T6 – T8 – voolutrafod (jõutrafo sekundaarmähis)

T9 – pingetrafo (jõutrafo sekundaarmähis)

Opereeriv kaarahi. Allikas: www.youtube.com