Todo operador de forno elétrico a arco que já lidou com uma falha no anel de cobertura sabe o custo disso. Quando o anel de cobertura cede, todo o calor é perdido. E não apenas o calor — o cronograma de produção, a máquina de lingotamento contínuo, o laminador. Tudo para.
Na MONTE INTELLIGENCE, fornecemos anéis de cobertura para fornos elétricos a arco (EAF) para siderúrgicas na Ásia, no Oriente Médio e na África. Por meio desses projetos, aprendemos o que funciona e o que não funciona. Este artigo compartilha essa experiência de campo.
O anel do teto do forno elétrico a arco (EAF) está situado na interseção de três ambientes brutais. De baixo, ele enfrenta a radiação direta do arco — as temperaturas podem ultrapassar 1700 °C nos pontos mais quentes. Lateralmente, ele suporta a carga mecânica dos eletrodos, que pesam várias toneladas cada e vibram durante a fusão. Internamente, ele canaliza a água de resfriamento através de passagens que devem permanecer estanques sob ciclos térmicos que trincariam o aço comum.
A seleção do material começa com o aço base. A maioria dos anéis de cobertura utiliza aço inoxidável AISI 304 ou 316 para os painéis refrigerados a água. A escolha entre o 304 e o 316 se resume a uma questão: a quantidade de cloreto presente na água de resfriamento. Se você utiliza um sistema de circuito fechado com água tratada, o 304 funciona bem. Se você utiliza resfriamento de passagem única proveniente de um rio ou poço com qualidade de água variável, a resistência à corrosão por cloreto do 316 — com seu teor de molibdênio de 2 a 3% — se paga no primeiro ano. Já vimos anéis de cobertura de 304 desenvolverem microfuros em seis meses em água de resfriamento salobra, enquanto anéis de 316 na mesma planta duraram três anos.
A seção triangular do refratário — entre as três portas dos eletrodos — é onde a maioria das falhas do anel de cobertura começa. Essa área recebe o calor radiante mais intenso e apresenta o maior gradiente térmico entre o aço resfriado a água e a superfície do refratário. A abordagem convencional utiliza tijolos de alta alumina (85-90% Al₂O₃), que proporcionam boa vida útil em condições normais de operação. No entanto, quando o forno opera com arcos longos ou quando a mistura de sucata inclui altas porcentagens de DRI (revestimento de ferro fundido) com o arraste de escória espumosa associado, o refratário da seção triangular sofre danos consideráveis.
Para essas condições, recomendamos o uso de tijolos de magnésia-carbono na área do delta. Os tijolos de MgO-C combinam a alta refratariedade da magnésia (ponto de fusão de 2800 °C) com a resistência à escória proporcionada pelo carbono. O carbono também oferece condutividade térmica, o que ajuda a distribuir a carga térmica de forma mais uniforme, reduzindo as temperaturas dos pontos quentes em 50 a 80 °C em comparação com o uso exclusivo de alumina. A desvantagem é o custo — os tijolos de MgO-C são cerca de 40% mais caros do que os de alumina —, mas a vida útil prolongada geralmente proporciona um retorno de 2:1 sobre esse investimento extra.
O projeto de resfriamento a água diferencia os anéis de cobertura adequados dos excelentes. O parâmetro chave é a velocidade da água nos canais de resfriamento. Abaixo de 1,5 metros por segundo, há risco de nucleação de vapor nos pontos quentes, o que cria bolsas de vapor que isolam o aço da água de resfriamento. Uma vez formado o vapor, a temperatura do aço pode subir 200 °C em segundos, levando ao trincamento por fadiga térmica. Projetamos para uma velocidade mínima da água de 2,0 m/s em todos os canais dos anéis de cobertura, com velocidades mais altas de 2,5 a 3,0 m/s nas áreas dos eletrodos, onde o fluxo de calor é maior.
A distribuição do fluxo é tão importante quanto o fluxo total. Um anel de cobertura com resfriamento irregular desenvolve gradientes térmicos em sua estrutura. Esses gradientes criam expansão térmica diferencial, o que gera tensão mecânica nas juntas soldadas — exatamente onde não se deseja tensão. Utilizamos modelagem de dinâmica de fluidos computacional (CFD) para verificar se cada passagem de água recebe o fluxo projetado antes que o anel entre em produção.
A configuração delta — ou seja, a forma como os eletrodos estão dispostos no teto — afeta tanto o desempenho elétrico quanto a vida útil do refratário. O delta padrão possui os três eletrodos nos vértices de um triângulo equilátero. O diâmetro do círculo primitivo (DCP), que é o diâmetro do círculo que passa pelos centros dos três eletrodos, é um parâmetro de projeto crítico. Um DCP muito pequeno faz com que os arcos aqueçam excessivamente as paredes laterais. Um DCP muito grande faz com que os pontos frios entre os eletrodos criem pontes de material não fundido.
Para um forno elétrico a arco (EAF) típico de 50 toneladas, a distância entre os eletrodos (PCD) varia de 700 a 900 mm, dependendo da potência do transformador. Maior potência permite o uso de uma PCD maior, pois arcos mais longos proporcionam maior cobertura de calor radiante. O anel de cobertura deve acomodar a PCD selecionada, mantendo uma espessura refratária adequada entre as portas dos eletrodos e a carcaça externa. Normalmente, especificamos uma espessura refratária mínima de 150 mm entre qualquer porta de eletrodo e o diâmetro interno do anel de cobertura.
As vedações das portas dos eletrodos merecem atenção. Qualquer folga ao redor da porta do eletrodo é uma via de escape para gases quentes e de entrada para ar. A entrada de ar é particularmente problemática porque queima o carbono dos eletrodos e adiciona nitrogênio ao aço. Um anel de vedação bem projetado inclui vedações mecânicas — sejam anéis de grafite ou anéis de aço inoxidável com mola — que mantêm o contato com o eletrodo enquanto ele se move para cima e para baixo durante a regulação. A vedação deve permitir uma folga radial de cerca de 5 mm para o movimento do eletrodo, mantendo a estanqueidade ao gás dentro de uma margem de vazamento de 2 a 3%.
A instalação e o alinhamento são os pontos em que a prática de campo se diferencia da teoria da engenharia. Um anel de cobertura perfeitamente projetado no papel pode falhar em poucas semanas se for instalado com um desalinhamento de apenas 3 mm. O anel deve assentar perfeitamente nivelado na carcaça do forno. Qualquer inclinação cria uma carga desigual no refratário e uma distribuição irregular do fluxo de água. Sempre enviamos nossos anéis de cobertura com uma superfície de referência usinada e fornecemos pinos de alinhamento que se encaixam no flange da carcaça do forno. As equipes de campo devem verificar o nivelamento com um nível de bolha de precisão (precisão de 0,02 mm/m) em quatro pontos ao redor do anel antes de apertar os parafusos de fixação.
Os intervalos de manutenção dependem das práticas operacionais. Em condições normais — 20 ciclos de aquecimento por dia, mistura típica de sucata — inspecione a diferença de espessura do refratário a cada 200 ciclos. Procure por erosão com profundidade superior a 50% da espessura original do refratário, fissuras com mais de 3 mm de largura e lascamento nas bordas dos orifícios dos eletrodos. Os painéis refrigerados a água devem ser testados sob pressão de 1,5 vezes a pressão de operação a cada 500 ciclos de aquecimento. Qualquer painel que apresentar uma queda de pressão superior a 5% em 15 minutos deve ser removido e reparado.
Os anéis de cobertura MONTE INTELLIGENCE são projetados para uma vida útil mínima de 2000 ciclos de aquecimento em condições normais de operação. A vida útil real em campo varia de 1800 a 3500 ciclos de aquecimento, dependendo da aplicação. A diferença entre o limite inferior e o superior se deve às práticas operacionais descritas acima — qualidade da água, seleção do refratário e rigor no alinhamento.
Se você está planejando a substituição do anel de cobertura do seu forno elétrico a arco (EAF) ou um novo projeto de forno, entre em contato com nossa equipe de engenharia pelo e-mail helenxu@cnlymonte.com. Podemos fornecer uma proposta técnica detalhada com base na configuração específica do seu forno, na composição da sucata e nas metas de produção.
