การให้ความร้อนด้วยการอาร์ก (Electric-Arc)

การอาร์ก (Electric Arc) หมายถึงปรากฏการณ์นำไฟฟ้าในก๊าซเนื่องจากการปลดปล่อยไฟฟ้าในบรรยากาศ ซึ่งจะเกิดกระแสไฟฟ้าที่มีค่าสูงแต่แรงดันไฟฟ้าต่ำ

ลักษณะการเกิดอาร์กระหว่างขดลวด

Sources: en.wikipedia.org, (2015)

อุณหภูมิก๊าซของลำอาร์กจะสูงถึง 4,000-6,000 K การให้ความร้อนด้วยการอาร์กเป็นวิธีให้ความร้อนโดยใช้การอาร์กเป็นแหล่งความร้อนอุณหภูมิสูง ใช้กับการให้ความร้อน หลอม ถลุง ฯลฯ วัสดุต่างๆ เช่น เหล็กกล้า เป็นต้น

การให้ความร้อนด้วยการอาร์ก แบ่งเป็นการให้ความร้อนด้วยการอาร์กโดยตรงโดยผ่านกระแสไฟฟ้าให้ความร้อนเข้าไปในวัตถุที่ต้องการให้ความร้อน กับการให้ความร้อนด้วยการอาร์กทางอ้อมโดยให้ความร้อนด้วยการแผ่รังสีและการพาความร้อนของการอาร์ก

ในการให้ความร้อนด้วยการอาร์กโดยตรง จะใช้วิธีทำให้เกิดอาร์กขึ้นระหว่างขั้วไฟฟ้า กับวัตถุที่จะให้ความร้อน และในการให้ความร้อนด้วยการอาร์กทางอ้อม จะทำให้เกิดอาร์กขึ้นระหว่างขั้วไฟฟ้าสองขั้ว แล้วให้ความร้อนแก่วัตถุที่จะให้ความร้อนโดยใช้ความร้อนจากการอาร์ก ตัวอย่างของการให้ความร้อนด้วยการอาร์กโดยตรง ได้แก่ เตาอาร์กสำหรับผลิตเหล็ก ส่วนตัวอย่างของการให้ความร้อนด้วยการอาร์กทางอ้อม ได้แก่ เตา Rocking Arc Furnace เป็นต้น

รูปเตาอาร์กแบบให้ความร้อนโดยตรง

Sources: www.teara.govt.nz, (2015)

รูปเตาอาร์กแบบให้ความร้อนทางอ้อม

Sources: www.teara.govt.nz, (2015)

เตาอาร์กสำหรับผลิตเหล็กเป็นตัวอย่างที่สำคัญของการให้ความร้อนด้วยการอาร์ก และ ใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นเครื่องผลิตเหล็กด้วยไฟฟ้า เตาแบบนี้จะใช้กราไฟต์เป็นขั้วไฟฟ้า

โดยทั่วไปคุณลักษณะแรงดันไฟฟ้า-กระแสไฟฟ้าของเตาอาร์กจะแสดงได้ดังสูตรต่อไปนี้

ในที่นี้ E_a คือ แรงดันอาร์ก I คือ กระแสอาร์ก L คือ ความยาวของอาร์ก a, b, c, d คือค่าคงที่ซึ่งขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ทำขั้วไฟฟ้าและก๊าซบรรยากาศ

เนื่องจากการอาร์กมีคุณสมบัติเป็นลบดังข้างต้น เพื่อรักษาเสถียรภาพของการอาร์ก ในวงจรจะต้องต่อรีแอกแตนซ์หรือตัวต้านทานอนุกรมกับอาร์กเอาไว้ด้วย ในอุปกรณ์ในทางปฏิบัติจะใช้รีแอกเตอร์ต่ออนุกรมเนื่องจากความต้านทานอนุกรม จะทำให้เกิดกำลังไฟฟ้าสูญเสีย แต่ในอุปกรณ์ขนาดใหญ่ ค่ารีแอกแตนซ์เฉพาะตัวของวงจรกระแสไฟฟ้าสูงแรงดันไฟฟ้าต่ำจะมีสัดส่วนสูง ส่วนมากแล้วจะไม่ต้องต่ออุปกรณ์พิเศษอีก

ในเตาอาร์กสำหรับการผลิตเหล็ก จะเกิดปรากฏการณ์การอาร์กอย่างไม่เป็นระเบียบระหว่างขั้วไฟฟ้ากับวัตถุดิบ ดังนั้น กระแสของภาระไฟฟ้าจึงมีการกระเพื่อมอย่างรุนแรง ทำให้แรงดันฟ้าในสายรับไฟฟ้าเกิดการกระเพื่อมตามไปด้วย ซึ่งอาจทำให้หลอดอินแคนเดสเซนต์และหลอดฟลูออเรสเซนต์เกิดการกระพริบ (ฟลิกเกอร์) ได้ นอกจากนี้คุณลักษณะที่ไม่เป็นเชิงเส้นของการอาร์กอาจทำให้รูปคลื่นกระแสไฟฟ้าเกิดการผิดเพี้ยน เป็นสาเหตุให้เกิดปัญหาฮาร์โมนิกได้ เพื่อแก้ปัญหาเรื่องฟลิกเกอร์ได้มีการพัฒนาวิธีชดเชย ฟลิกเกอร์แบบต่างๆ ขึ้นมา ตัวอย่างเช่น การควบคุมเฟสของไทริสเตอร์เพื่อเปลี่ยนกำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟของรีแอกเตอร์ ซึ่งสามารถตอบสนองการเปลี่ยนแปลงได้อย่างรวดเร็ว

รูปโครงสร้างของอุปกรณ์สำคัญของระบบเตาอาร์ก

ตัวเตาของเตาอาร์ก ประกอบด้วยเปลือกเตา เครื่อง Tilting Equipment ขั้วไฟฟ้า กลไกเลื่อนขั้วไฟฟ้าขึ้นลง และเครื่องป้อนวัตถุดิบ (Scrap) ส่วนระบบไฟฟ้าประกอบด้วยหม้อแปลงแรงดันไฟฟ้า เบรกเกอร์ เครื่องปรับขั้วไฟฟ้าอัตโนมัติ นอกจากนี้ยังเครื่องกวนแบบเหนี่ยวนำ เครื่องชดเชยกำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟ ฯลฯ เป็นอุปกรณ์เสริมอีกด้วยโครงสร้างของอุปกรณ์สำคัญของระบบเตาอาร์กแสดงไว้ใน รูปที่ 2

แหล่งจ่ายไฟของเตาอาร์ก โดยทั่วไปจะใช้ไฟฟ้า 50, 60 Hz จากการไฟฟ้าโดยตรง ดังนั้น จึงมีการผลิตแหล่งจ่ายไฟขนาดใหญ่ได้ด้วยต้นทุนค่อนข้างต่ำ ซึ่งเหมาะกับการหลอมอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิสูงด้วยเตาขนาดใหญ่

อย่างไรก็ตาม ภาระไฟฟ้าของเตาอาร์กมีลักษณะพิเศษคือ ไม่คงที่ จึงเกิดปัญหาฟลิกเกอร์และอื่นๆ ทำให้บางครั้งจะมีต้นทุนเกี่ยวกับอุปกรณ์เสริมเพื่อแก้ปัญหาเหล่านั้น

เตาอาร์กกระแสตรงที่ใช้แหล่งจ่ายไฟกระแสตรง จะมีการอาร์กที่คงที่กว่าแบบกระแสสลับ และมีข้อดีอื่นๆ เช่น เสียงเบากว่าฟลิกเกอร์น้อยกว่า ขั้วไฟฟ้ามีความคงทนมากกว่า เป็นต้น จึงใช้เป็นเตาผลิตเหล็กด้วย โดยทั่วไปจะมีโครงสร้างแบบมีขั้วไฟฟ้าด้านบน (ขั้วลบ) และขั้วไฟฟ้าที่ก้นเตา (ขั้วบวก)

การประยุกต์ใช้การให้ความร้อนด้วยการอาร์ก

(1) เตาอาร์กสำหรับผลิตเหล็ก

เตาอาร์กสำหรับผลิตเหล็กเป็นเตาอาร์กโดยตรงสามเฟสที่สำคัญอย่างหนึ่ง ทำงานด้วยการทำให้เกิดการอาร์ก ระหว่าง Scrap ซึ่งเป็นวัตถุดิบที่ป้อนเข้าไปกับขั้วไฟฟ้า ความร้อนที่เกิดขึ้นจะทำให้ Scrap หลอมเหลว เพื่อนำไปผ่านกรรมวิธีทำให้บริสุทธิ์ที่เหมาะสมจะทำให้ผลิตเหล็กกล้าที่มีคุณสมบัติได้ตามต้องการ เตาอาร์กแบบนี้นอกจากจะใช้ผลิตเหล็กแล้ว ยังใช้ในการหลอม Malleable Cast Iron, Ferrochrome ที่มีคาร์บอนต่ำ ทองแดง วัสดุทนไฟ ฯลฯ อีกด้วย เตาอาร์กสำหรับผลิตเหล็กส่วนมากจะมีขนาดใหญ่ถึง 80-150 t, 50-100 MVA

รูปเตาอาร์กสำหรับหลอมเหล็ก

Sources: www.abb-conversations.com, (2015)

(2) เตาถลุงไฟฟ้า

เตาไฟฟ้าที่ใช้ผลิต Ferroalloy, Electric Furnace Pig Iron, Carbide ฯลฯ โดยทั่วไปจะเรียกว่า เตาถลุงไฟฟ้า ส่วนใหญ่แล้วจะเป็นเตา Submerged Arc Furnace 3 เฟสที่มีขั้วไฟฟ้า 3 แท่งแช่อยู่ใน Charge การให้ความร้อนจะทำด้วยการอาร์กระหว่างขั้วไฟฟ้าที่แช่อยู่กับตัววัตถุที่ต้องการให้ความร้อน และด้วยความร้อนที่เกิดขึ้นจากความต้านทานในวัตถุที่ต้องการให้ความร้อน สัดส่วนของความร้อนทั้งสองแบบนี้จะขึ้นอยู่พอสมควรกับประเภทของวัตถุที่ต้องการให้ความร้อน แต่โดยทั่วไปจะบังคับให้ความร้อนจากความต้านทานเป็นตัวหลักในการให้ความร้อน

รูปตัวอย่างเตาไฟฟ้าสำหรับผลิต  pig iron

Sources: www.tenovacore.com, (2015)

(3) เตาอาร์กชนิดอื่นๆ

(ก)   เตา Rocking Arc Furnace

เป็นเตาอาร์กแบบทางอ้อมเฟสเดียว เตาจะมีลักษณะเป็นทรงกระบอกนอน โดยที่ตำแหน่งของเพลาหมุนจะมีขั้วไฟฟ้าหันเข้าหากัน เพื่อให้ความร้อนแก่วัตถุเป้าหมายด้วยการแผ่รังสีจากการอาร์กระหว่างขั้วไฟฟ้า เตาแบบนี้ใช้กับการหลอมโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก เช่น ทองแดง อลูมิเนียม ฯลฯ

รูปตัวอย่างเตา Rocking Arc Furnace

Sources: www.imn.gliwice.pl, (2015)

(ข)   เตา Electroslag Furnace

เตา Electroslag Furnace ใช้สำหรับหลอมขั้วไฟฟ้าสิ้นเปลืองใน Slag ซึ่งประกอบด้วย CaF₂-CaO-Al₂O₃ เป็นหลักในแม่พิมพ์หล่อที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ ความร้อนที่เกิดขึ้นจะประกอบด้วยความร้อนจากความต้านทานของ Slag หลอมเหลวเป็นหลัก เตาแบบนี้ไม่อาจกล่าวได้อย่างเต็มปากว่าเป็นเตาอาร์กชนิดหนึ่ง แต่โครงสร้างและวัตถุประสงค์การใช้งานของเตาจะเหมือนกับเตาอาร์กสูญญากาศที่อธิบายไปแล้วข้างต้น เตาแบบนี้จะใช้ในการผลิต Ingot ของ High Steel เป็นหลัก

รูปโครงสร้างเตา Electroslag Furnace

Sources: www.omz-specialsteel.com, (2015)

ที่มา : คู่มือการฝึกอบรมผู้รับผิดชอบด้านพลังงานอาวุโส, กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน

การให้ความร้อนด้วยการอาร์ก (Electric-Arc)