Forno de fusão por indução: como os projetos de média frequência lidam com aquecimentos de 0,5 a 30 toneladas
A fusão por indução é o método mais limpo e rápido para fundir lotes de metal de pequeno a médio porte. Sem eletrodos, sem produtos de combustão, sem absorção de carbono. A energia é absorvida diretamente pelo metal por meio de indução eletromagnética. Para fundições que produzem de 1.000 a 30.000 toneladas de peças fundidas por ano, o forno de indução de média frequência é a escolha padrão. A tecnologia é consolidada, o equipamento é confiável e o processo é bem compreendido.
Como funciona a fusão por indução
Um forno de indução possui uma bobina de cobre que envolve um cadinho revestido com material refratário. Uma corrente alternada de 150 Hz a 10 kHz (frequência média) flui através da bobina e cria um forte campo magnético alternado dentro do cadinho. O campo magnético induz correntes parasitas na carga metálica, e essas correntes aquecem o metal pelo efeito Joule.
O efeito pelicular concentra as correntes parasitas na superfície do metal. A 1000 Hz, a profundidade de penetração no aço líquido é de cerca de 25 mm, o que significa que o calor é gerado nos 25 mm externos do banho. O banho então conduz o calor para o interior por meio da condução térmica normal. O efeito de agitação do campo magnético faz o banho circular e acelera a equalização da temperatura.
Para fornos maiores (acima de 5 toneladas), a agitação natural não é suficiente para manter a temperatura do banho uniforme. Uma serpentina de agitação inferior ou uma lança de agitação a gás são adicionadas para melhorar a homogeneidade do banho. O gradiente de temperatura entre o topo e o fundo de um banho de 10 toneladas pode ser de 30 a 50 graus Celsius sem agitação e de 5 a 10 graus Celsius com agitação.
Seleção de frequência
A frequência é ajustada ao tamanho do forno. Fornos menores operam em frequências mais altas (de 1 a 10 kHz para fornos de 0,5 a 2 toneladas), enquanto fornos maiores operam em frequências mais baixas (de 150 a 500 Hz para fornos de 5 a 30 toneladas). A frequência mais baixa para fornos maiores proporciona maior profundidade de penetração e aquecimento mais uniforme, mas exige capacitores maiores e maior compensação de potência reativa.
Os fornos de fusão por indução da MONTE INTELLIGENCE são projetados com inversores IGBT de estado sólido de 1 a 4 kHz para fornos de pequeno porte e inversores de tiristores de 150 a 500 Hz para fornos de grande porte. A faixa de potência é de 250 kW a 12 MW, adequando-se a fornos com capacidade de 0,5 a 30 toneladas.
Projeto de cadinho e refratário
O cadinho é a peça sujeita a desgaste em um forno de indução. A construção padrão consiste em um revestimento compactado de magnésia ou refratário de alumina-magnésia, com uma vida útil de 300 a 1000 ciclos de fusão, dependendo do metal fundido e das práticas operacionais.
Para ferro e aço, o refratário padrão é composto de 85 a 92% de MgO com um aglutinante de espinélio. O revestimento é compactado no local durante a instalação, seco com aquecedores elétricos e sinterizado nas primeiras aplicações. O revestimento sinterizado desenvolve uma superfície de trabalho vítrea que protege o refratário principal da penetração de metal.
Para metais não ferrosos (cobre, alumínio, latão), o refratário padrão é à base de alumina. A vida útil do revestimento é normalmente maior do que a do ferro e do aço, com 1000 a 3000 ciclos de aquecimento típicos para o cobre e 500 a 1500 ciclos para o alumínio.
Falhas no cadinho representam uma grande preocupação operacional. Um cadinho que se desgasta durante o aquecimento permite que o metal fundido entre em contato com a bobina de cobre, com resultados catastróficos. A proteção padrão é um sistema de detecção de falhas de aterramento que monitora o caminho da corrente entre o metal fundido e a bobina. Uma falha interrompe a energia em milissegundos, mas os danos à bobina e à estrutura circundante são graves.
Práticas Operacionais
Operar um forno de indução é uma arte. Os operadores mais experientes conhecem os sons do forno: o zumbido constante de uma carga adequada, o estalo áspero de um bloco sólido se formando, o gemido profundo de uma carga úmida. Eles monitoram continuamente o fator de potência, a corrente na linha e a temperatura da água de resfriamento, e conseguem diagnosticar um problema em desenvolvimento antes mesmo que os indicadores o mostrem.
A sequência operacional padrão é: carregamento da carga (fria ou pré-aquecida), ligar a energia a 50 a 70% da potência nominal, aumentar a potência gradualmente até a formação do banho, manter a potência máxima até atingir a temperatura desejada e, por fim, extrair o ferro. Para uma fusão de 5 toneladas de ferro, a carga fria derrete em 60 a 75 minutos com uma potência de entrada de 3,5 MW, e a temperatura de extração é atingida em 80 a 95 minutos. O consumo de energia é de 550 a 600 kWh por tonelada de ferro líquido.
A operação com carga a quente (utilizando metal líquido de uma fusão anterior ou de um cubilô) reduz o tempo de fusão para 30 a 45 minutos e o consumo de energia para 350 a 450 kWh por tonelada. Muitas fundições utilizam um arranjo duplex com um forno de indução sem núcleo para fusão e um forno de canal para manutenção e superaquecimento. O arranjo duplex melhora a eficiência energética e a flexibilidade de produção.
Tamanhos e capacidades dos fornos
A MONTE INTELLIGENCE fornece fornos de fusão por indução com capacidades de 0,5 a 30 toneladas e potências de 250 kW a 12 MW. Os tamanhos mais comuns são:
0,5 a 1 tonelada, 250 a 500 kW: pequenas fundições, joalheria, ligas especiais
De 1 a 3 toneladas, de 500 kW a 1,5 MW: fundições de peças fundidas, fundição de ferro.
Fundições de ferro e aço de alta produção, de 3 a 5 toneladas e 1,5 a 3 MW.
5 a 10 toneladas, 3 a 6 MW: grandes fundições, produção de ferro fundido nodular
10 a 20 toneladas, 6 a 10 MW: fundições de aço, grandes fundições de ferro
Substituição de forno elétrico a arco em siderúrgica, 20 a 30 toneladas, 10 a 12 MW
O sistema de controle utiliza um CLP com interface de tela sensível ao toque HMI. O sistema monitora todos os parâmetros elétricos, as temperaturas da água de resfriamento, o estado do refratário e a sequência de operação. O sistema também armazena receitas de processo para diferentes ligas.
Tecnologia de fonte de alimentação
A fonte de alimentação é o componente mais caro de um forno de fusão por indução. Os projetos modernos utilizam inversores de estado sólido IGBT ou tiristores para converter a energia da rede elétrica de 50/60 Hz em uma saída de média frequência. A eficiência do inversor varia de 95% a 97%, e a eficiência elétrica total, desde a entrada da rede até o aquecimento do metal, fica entre 75% e 85%. Os inversores IGBT são padrão para fornos de pequeno a médio porte (até 5 toneladas, 3 MW), enquanto os inversores de tiristores são utilizados em fornos maiores, onde a capacidade de corrente dos IGBTs é limitada.
Sistema de água de refrigeração
A serpentina de cobre e os componentes eletrônicos do inversor são resfriados a água. A água de resfriamento absorve de 15 a 25% da potência de entrada, e o sistema de resfriamento é crucial para o funcionamento do forno. A configuração padrão consiste em uma torre de resfriamento de circuito fechado com um trocador de calor para a água de processo. A temperatura da água de resfriamento é controlada entre 30 e 40 graus Celsius na entrada da serpentina.
A qualidade da água de refrigeração é importante. A água dura causa acúmulo de incrustações na serpentina, o que reduz a transferência de calor e, eventualmente, bloqueia as passagens de refrigeração. O tratamento padrão da água consiste em um amaciador e inibidores químicos. A dureza, o pH e a condutividade da água de refrigeração são verificados mensalmente.
Critérios de seleção para compradores
Para compradores que especificam um forno de fusão por indução, as principais questões são: qual o metal a ser fundido, qual a taxa de produção, qual o material da carga (frio ou quente) e qual a infraestrutura elétrica disponível. O tamanho do forno e a potência nominal são então dimensionados de acordo com esses parâmetros.
A tecnologia de engenharia da MONTE INTELLIGENCE permite modelar o tempo de fusão, o consumo de energia e o custo operacional para um perfil de produção específico. O resultado é uma especificação do forno com garantias de desempenho.
Fale com a MONTE INTELLIGENCE sobre fusão por indução.
Para compradores que estejam considerando um novo forno de fusão por indução ou a substituição de uma unidade existente, a MONTE INTELLIGENCE Engineering pode recomendar uma configuração de forno adequada ao metal, à taxa de produção e à fonte de alimentação disponível. Visite [link para o site].www.cnlymonte.com/products-medium-frequency-furnace.html Para obter as especificações do produto, entre em contato conosco. Para discutir um projeto, envie um e-mail para helenxu@cnlymonte.com com o assunto "Consulta sobre fusão por indução" e detalhes sobre o metal, a meta de produção e o material da carga.
