נושא : שנאי לתנורי היתוך (כבשן מתכת)
בס"ד יום ראשון 25 ספטמבר 2022
בפרק זה נדון ביישום מיוחד של שנאים, שמשמשים לתנורי התכה שמטרתם ליצור קשת חשמלית בזרם חילופין.
תנור קשת (כבשן מתכת) מתיך את המתכת שבתנור באמצעות קשת חשמלית המתרחשת בין הדקי ההזנה של התנור ישירות דרך החומר אותו נרצה להתיך. החום האדיר שנוצר גורם להתכה של כל תוכן התנור. תנורים אלו מאופיינים בזרמים גבוהים מאוד, שנעים בין100kA ועד 300kA ובמתחים נמוכים באופן יחסי 150 עד 2,500 וולט. בגלל ההספק הרב הנדרש מהתנורים של 10MVA ל-100MVA ואף יותר, ואופי העומס, מוזנים השנאים מרשת מתח עליון או ממתח גבוה קרוב מאוד לתחמ"ש וזאת על מנת להבטיח שההפרעות שנוצרות ברשת בעת השימוש יישמרו ברמה מקובלת לפי אמות המידה.
- תמונה מספר 1 : תנור היתוך קרדיט תמונה מאתר www.Hanmetallurgy.com
מחזורי העומס של תנורים משתנים מאוד בהתאם לגודל התנור ולדרישות העבודה, מחזורי עומס אופייניים הם בטווח עבודה של 3-8 שעות. השלב הראשון בתהליך הינו תהליך ההתכה. בתהליך זה נכנסת מתכת לתנור במצב מוצק ולכן נדרשת אנרגיה רבה על מנת להתיכה ולהפוך אותה לנוזל. החלק השני בתהליך נקרא שלב הזיקוק. בשלב זה הטמפרטורה בתנור נשמרת והאנרגיה שמסופקת היא רק כדי לפצות על הפסדי החום בתנור. שלב ההתכה מאופיין בתנודות זרם גדולות הנגרמות מחוסר יציבות הקשת בשל תנועת החומרים בתנור ומאפייניהם שלב זה נמשך עד להתכה אחידה של כלל החומרים שבתנור. בשלב הזיקוק תנודות הזרם קטנות הרבה יותר מכיוון שכל החומר מותך. תנודות הזרם במהלך שלב ההתכה נשלטות במידה מסוימת על ידי תכנון התנור, השנאי שלו וסוג המטען. לדוגמה- גרוטאות פלדה גרוסות דק יגרמו לתנודות קטנות בהרבה מאשר גרוטאות פלדה גדולות ולא אחידות.
- תמונה מספר 2 : תיאור שלב הזיקוק ושלב ההתכה
על מנת לקבוע את מאפייני השנאי נדרש להבין את אופן פעולתו של התנור ואת מחזורי הפעולה שלו. בבחירת שנאי מתאים נדרש להתייחס בכובד ראש להשפעות עומסי השיא שבשלב ההתכה מתוך הנחה שהעומס יפחת משמעותית בשלב הזיקוק. בתחילת מחזור ההיתוך העומס על השנאי עשוי להיות עד פי שניים מהעומס הרגיל והרציף שלו.
- תמונה מספר 3 : מסלול האנרגיה של תנור היתוך
בשל הזרמים הגבוהים הנדרשים מסלילי צד המתח הנמוך של שנאי המיועד לתנורי התכה, יש להתגבר על בעיות הנדסיות שנובעות מאופיו המשתנה במהירות של העומס. שטח החתך של ליפופי הצד הנמוך בשנאי צריך להיות גדול מאוד ומספר הליפופים הנדרש הוא מועט. לרוב סלילי הצד המשני הינם בחיבור משולש על מנת להפחית את הזרם הפאזי וכדי לאפשר איזון אלקטרומגנטי טוב וחוזק מכני גבוה. סלילי המתח הנמוך נבנים בדרך כלל ממספר זוגות של דיסקים מקבילים המותקנים בצידו החיצוני של השנאי כדי לסייע בקירורם. בשל החום האדיר שמתפתח בשנאים מסוג אלו שיטות הקירור של שנאים אלו היא OFWF כלומר סחרור של השמן וקירורו באמצעות מחליף חום שבו מוזרמים מים.
תכנון של שנאי בעל עכבה גבוהה מסייע בהגבלת עוצמת נחשולי הזרם וממזער את ההשפעות שלהם על רשת האספקה, אולם ערך גבוה מדי מפחית את הספק הקצר של התנור מה שמגדיל את זמן המחזור של ההתכה. עם זאת, סלילי השנאי יהיו נתונים שוב ושוב לזעזועים מכניים קשים במהלך תקופת ההתכה, כך שנדרש חיזוק מכאני עמיד במיוחד של מבנה הסלילים. יש לדאוג כי המרווחים בין הסלילים ונקודת התמיכה ישמרו והם יהיו מקובעים בצורה אמינה על מנת להבטיח שהזעזועים התמידים שהם מקבלים לא יגרום להם להשתחרר או לנוע ממקומם.
תמיכה רדיאלית לסלילים מסופקת על ידי נייר הבידוד המחזיק את המוליכים, הסלילים עצמם עשויים מסגסוגת של נחושת כסף, שפותחה על מנת לספק חוזק וקשיחות מקסימלית. מיכל השנאי חייב להיות גם הוא מחוזק על מנת לספק קשיחות מרבית ולעמוד בכוחות אלקטרו דינמיים המתפתחים בשנאי.
מאפיין נוסף של התנור אליו חייב מתכנן השנאים להתייחס בקפידה, הינו מפל המתח שמשתנה מאוד בשלבי ההיתוך. על מנת לשמור על קשת פעילה שלא תדעך בשלב ההתכה נדרש מתח גדול בהרבה מזה הדרוש בשלב הזיקוק. השגת שיווי משקל דורשת בקרה מדויקת של זרם התנור. לכן בקרה קפדנית של המתח היא חשובה.
בעיה נוספת שנתקלים בה מתכנני השנאים היא שעל מנת לייצר בקרת זרם טובה בצד המתח הנמוך נדרש לבצע שינוי דרגות בצד המתח הגבוה של השנאי ולכן חייב השנאי להכיל משנה דרגות בעומס המכיל מספר דרגות רב.
המפרט של מחליפי הדרגות לשנאי המיועד לתנורי קשת תובעני במיוחד, בהיבטים של זרם, מספר דרגות, מספר פעולות רב ומהירות תגובה. מחליף הדרגות חייב אם כן להיות בעל אמינות גדולה מאוד, כדי להבטיח תגובה מהירה במצבי עומס משתנה או עומס יתר. משנה הדרגות דורש תחזוקה רבה, בתדירות גדולה כדי להבטיח את תקינותו לעבודה ממושכת במשטר עבודה קשה זה.