Análise Detalhada dos Equipamentos Mecânicos do Forno Elétrico a Arco: Estrutura, Teto, Inclinação e Remoção de Escória
A maioria das conversas sobre a tecnologia de fornos elétricos a arco se concentra nos sistemas elétricos e no controle de processos. O lado mecânico — casco, teto, mastro de eletrodos, sistema de inclinação, separador de escória e furo de vazamento — é igualmente crítico, e as escolhas de projeto feitas aqui determinam como o forno se comportará pelos próximos 15 a 20 anos. Quero abordar cada um dos principais elementos mecânicos, incluindo as decisões de projeto que se provaram eficazes nas instalações de fornos elétricos a arco da MONTE INTELLIGENCE em três continentes.
Projeto da carcaça do forno
A carcaça do forno é a espinha dorsal estrutural de todo o forno elétrico a arco (FEA). Uma carcaça de FEA de 100 toneladas pesa de 180 a 250 toneladas vazia, comporta um revestimento refratário de 35 a 50 toneladas e suporta um banho de aço fundido de 100 toneladas a 1600 graus Celsius. A carcaça deve suportar ciclos térmicos entre 50 graus Celsius (vazia, sem o refratário) e 1600 graus Celsius (durante a operação) sem deformação permanente.
Os fornos elétricos a arco modernos são construídos em aço carbono soldado, tipicamente ASTM A36 ou A516 Grau 70, com espessuras que variam de 40 mm no cone superior a 60 a 80 mm na linha de escória. O cone inferior e o cadinho são reforçados com chapas de ligação robustas. O casco repousa sobre um anel de apoio basculante, que transfere todas as cargas verticais e horizontais para a fundação durante as operações de basculamento.
Os revestimentos refratários da MONTE INTELLIGENCE são projetados com análise de elementos finitos para tensão térmica e deflexão estrutural. O limite de deflexão é de 5 mm na linha de escória sob carga operacional máxima. Um revestimento que defletir mais do que isso causará trincas prematuras no revestimento refratário. Já vimos revestimentos com 30 anos de uso em operação que ainda atendem a esse critério porque foram construídos com tolerâncias mais rigorosas do que a média da indústria.
Projeto do telhado e mecanismo de elevação
O teto do forno elétrico a arco (EAF) é uma cúpula refratária sustentada por um anel de aço. Os tetos modernos utilizam tijolos refratários com 70 a 75% de alumina, com material de apiloamento de alta alumina ao redor das aberturas dos eletrodos. A temperatura do teto na face quente varia de 1500 a 1700 graus Celsius durante a operação em potência máxima.
O teto precisa ser levantado e girado para o lado a cada ciclo de carregamento do forno. Existem três projetos principais de elevadores de teto: o de balanço em balanço (mais comum em fornos menores), o de elevação paralela com teto deslizante (fornos médios e grandes) e o de elevação tipo pórtico (fornos muito grandes). Cada projeto apresenta vantagens e desvantagens em termos de tempo de ciclo, complexidade mecânica e facilidade de acesso para manutenção.
A MONTE INTELLIGENCE normalmente especifica o projeto de teto deslizante em balanço para fornos de até 80 toneladas e o projeto de teto deslizante com elevação paralela para fornos acima de 80 toneladas. O projeto em balanço oferece um ciclo mais rápido (15 a 20 segundos de elevação até a abertura completa), mas requer maior espaço livre vertical acima do forno. O projeto de teto deslizante é mais compacto e suporta seções de teto mais pesadas, porém adiciona de 5 a 10 segundos ao ciclo.
Sistema de fixação e mastro de eletrodo
Os mastros dos eletrodos sustentam os eletrodos de grafite e os braços dos eletrodos, e regulam o comprimento do arco por meio de movimento vertical. A velocidade de regulação é crucial: um forno UHP precisa de um deslocamento vertical de 5 a 10 m por minuto para acompanhar as rápidas mudanças no nível do banho durante o desmoronamento da sucata.
Os acionamentos do mastro evoluíram de cilindros hidráulicos para motores CA servocontrolados com fusos de esferas. O sistema servo proporciona resposta mais rápida, melhor precisão de posicionamento e integração mais fácil com o regulador de arco baseado em modelo. A fixação do eletrodo é tipicamente pneumática, com uma trava de segurança acionada por mola, permitindo o deslizamento rápido do eletrodo em caso de emergência.
Mecanismo de inclinação
O mecanismo de inclinação é a peça móvel que recebe maior atenção durante a manutenção programada. Um forno inclina-se de 12 a 15 graus para a frente para a sangria e de 5 a 8 graus para trás para a remoção da escória. A inclinação deve ser suave, controlável e reversível dentro do tempo de ciclo previsto.
Dois sistemas de acionamento de inclinação são comuns: cilindros hidráulicos (modelos mais antigos) e cremalheira e pinhão acionados por motor CA (modelos mais recentes). O sistema de cremalheira e pinhão é mais confiável em ambientes de alta temperatura e evita os riscos de vazamento dos sistemas hidráulicos. A MONTE INTELLIGENCE especifica acionamentos de inclinação por cremalheira e pinhão em todas as novas instalações acima de 60 toneladas.
O mecanismo de inclinação repousa sobre o anel de apoio, uma peça robusta de aço forjado montada na plataforma do forno. Os mancais do anel de apoio são refrigerados a água nos fornos maiores para evitar o superaquecimento causado pela radiação da carcaça do forno. O feedback da posição de inclinação é fornecido por encoders absolutos redundantes, com intertravamentos de segurança para interromper a inclinação nos pontos de ajuste de vazamento e desbaste.
Sistema de furo de rosqueamento inferior excêntrico (EBT)
Os projetos modernos de fornos elétricos a arco (EAF) utilizam sistemas EBT porque permitem o vazamento de 95% ou mais do aço com mínima transferência de escória. O furo de vazamento do EBT é posicionado na parede lateral inferior, ligeiramente deslocado em relação ao eixo central do banho. O furo é preenchido com areia compactadora entre as corridas e aberto com uma lança de oxigênio no momento do vazamento.
O apiloamento com areia EBT é automatizado na maioria dos fornos elétricos a arco modernos. Uma máquina de apiloamento posiciona o furo de vazamento, compacta a areia a uma pressão de 4 a 6 bar e molda o perfil do furo. O ciclo de apiloamento leva de 60 a 90 segundos. A vida útil do furo de vazamento depende da composição química do banho e da temperatura de vazamento, mas a vida útil típica de um furo de vazamento EBT é de 200 a 400 ciclos de aquecimento antes da necessidade de reforma.
Sistema de remoção de escória
A remoção da escória consiste em retirar a camada de escória oxidada após o vazamento, limpando o banho para a próxima etapa de aquecimento e recuperando a escória rica em ferro para reciclagem. A escória pode representar de 12 a 18% do peso do vazamento, e uma boa operação de remoção recupera de 80 a 90% desse total como escória comercializável ou como matéria-prima para sinterização.
Dois sistemas de remoção de escória predominam: o sistema de porta de escória (uma porta articulada na parede lateral do forno que se abre para despejar a escória) e o sistema de recipiente de escória (um recipiente móvel posicionado fora do forno para coletar a escória à medida que o forno se inclina para trás). O sistema de recipiente de escória é mais eficiente e é padrão na maioria dos fornos elétricos a arco modernos acima de 60 toneladas.
Painéis refrigerados a água e queimador/lança de oxigênio
Em um forno elétrico a arco moderno, os painéis resfriados a água cobrem de 70 a 90% da linha de escória, sendo o restante refratário. O fluxo de água de resfriamento dos painéis é crucial: fluxo insuficiente leva à perfuração dos painéis, enquanto fluxo excessivo desperdiça energia.
A lança de oxigênio é tipicamente um projeto supersônico refrigerado a água com velocidade de saída de 1,5 a 3,0 Mach. A lança injeta oxigênio para descarbonetação, injeção de carbono para escória espumosa e injeção de cal para condicionamento da escória. Os projetos modernos de fornos elétricos a arco (EAF) utilizam duas ou três lanças através da porta de escória ou da parede lateral, com posicionamento automatizado para otimizar o ponto de impacto no banho.
Colocando tudo em prática
O projeto mecânico de um forno elétrico a arco (EAF) determina sua disponibilidade, sua produtividade e seu custo operacional. Um EAF de 100 toneladas bem projetado pode realizar de 8.000 a 9.000 ciclos de aquecimento por ano entre grandes revisões. Um forno mal projetado terá dificuldade em atingir 5.000 ciclos. A diferença não está nos sistemas elétricos ou nos controles – esses são consolidados e comprovados. A diferença está na carcaça, na inclinação, no teto e no orifício de vazamento.
A MONTE INTELLIGENCE dedicou 20 anos ao aprimoramento desses elementos mecânicos. Visitewww.cnlymonte.com/products-electric-arc-furnace.html Para fotos de instalação e lista de referência, entre em contato. Para uma conversa confidencial sobre seu próximo projeto de forno elétrico a arco (EAF), envie um e-mail para helenxu@cnlymonte.com com o assunto "Projeto mecânico de EAF".
