Analisi approfondita delle attrezzature meccaniche del forno ad arco elettrico: guscio, tetto, inclinazione e rimozione delle scorie.
La maggior parte delle discussioni sulla tecnologia dei forni ad arco elettrico si concentra sui sistemi elettrici e sul controllo di processo. Tuttavia, la parte meccanica – guscio, tetto, montante degli elettrodi, sistema di inclinazione, scrematore di scorie e foro di spillatura – è altrettanto cruciale, e le scelte progettuali effettuate in questa fase determinano il comportamento del forno per i successivi 15-20 anni. In questo articolo, analizzerò nel dettaglio ciascun elemento meccanico principale, comprese le decisioni progettuali che si sono dimostrate valide negli impianti EAF di MONTE INTELLIGENCE in tre continenti.
Progettazione del guscio del forno
Il guscio del forno costituisce la spina dorsale strutturale dell'intero forno ad arco elettrico (EAF). Un guscio di un EAF da 100 tonnellate pesa da 180 a 250 tonnellate a vuoto, contiene un rivestimento refrattario da 35 a 50 tonnellate e ospita un bagno di acciaio fuso di 100 tonnellate a 1600 gradi Celsius. Il guscio deve resistere a cicli termici tra 50 gradi Celsius (a vuoto, senza rivestimento refrattario) e 1600 gradi Celsius (durante il funzionamento) senza subire deformazioni permanenti.
I moderni gusci dei forni elettrici ad arco (EAF) sono realizzati in acciaio al carbonio saldato, tipicamente ASTM A36 o A516 Grado 70, con spessori che variano da 40 mm nella parte superiore del cono a 60-80 mm in corrispondenza della linea di scoria. La parte inferiore del cono e il focolare sono rinforzati con robusti rinforzi a falde. Il guscio poggia su un anello di supporto inclinabile, che trasferisce tutti i carichi verticali e orizzontali alla fondazione durante le operazioni di inclinazione.
I gusci di MONTE INTELLIGENCE sono progettati con analisi agli elementi finiti per il calcolo delle sollecitazioni termiche e della flessione strutturale. Il limite di flessione è di 5 mm in corrispondenza della linea di scoria a pieno carico operativo. Un guscio che si flette di più di tale valore causerà la fessurazione prematura del rivestimento refrattario. Abbiamo visto gusci in servizio da 30 anni che soddisfano ancora questo criterio perché sono stati costruiti con tolleranze più strette rispetto alla media del settore.
Progettazione del tetto e meccanismo di sollevamento
Il tetto del forno ad arco elettrico (EAF) è una cupola refrattaria sostenuta da un anello d'acciaio. I tetti moderni utilizzano mattoni refrattari con una percentuale di allumina compresa tra il 70 e il 75%, con materiale di riempimento ad alto contenuto di allumina attorno agli orifizi degli elettrodi. La temperatura del tetto sulla superficie calda raggiunge i 1500-1700 gradi Celsius durante il funzionamento a piena potenza.
Il tetto deve sollevarsi e ruotare lateralmente per ogni ciclo di caricamento del recipiente. Tre tipologie di sollevatore per il tetto sono predominanti: il sistema a sbalzo (il più comune nei forni di piccole dimensioni), il sistema di sollevamento parallelo con tetto scorrevole (forni di medie e grandi dimensioni) e il sistema a portale (forni di grandissime dimensioni). Ogni tipologia presenta dei compromessi in termini di tempo di ciclo, complessità meccanica e accessibilità per la manutenzione.
MONTE INTELLIGENCE solitamente specifica il design a sbalzo per forni fino a 80 tonnellate e il tetto scorrevole a sollevamento parallelo per forni di peso superiore a 80 tonnellate. Il design a sbalzo è più rapido nei tempi di ciclo (da 15 a 20 secondi per il sollevamento e il bloccaggio in posizione aperta), ma richiede maggiore spazio verticale sopra il forno. Il design a tetto scorrevole è più compatto e può gestire sezioni di tetto più pesanti, ma aggiunge dai 5 ai 10 secondi al ciclo.
Sistema di asta e morsetto per elettrodi
I montanti degli elettrodi sostengono gli elettrodi di grafite e i bracci degli elettrodi, e regolano la lunghezza dell'arco tramite movimento verticale. La velocità di regolazione è fondamentale: un forno UHP necessita di un movimento verticale da 5 a 10 metri al minuto per compensare le rapide variazioni del livello del bagno durante i crolli del materiale di scarto.
I sistemi di azionamento del montante si sono evoluti dai cilindri idraulici ai motori CA servoassistiti con viti a ricircolo di sfere. Il sistema servoassistito offre una risposta più rapida, una maggiore precisione di posizionamento e una più facile integrazione con il regolatore di arco basato su modello. Il bloccaggio dell'elettrodo è tipicamente pneumatico con un morsetto di sicurezza a molla, che consente un rapido slittamento dell'elettrodo in caso di emergenza.
Meccanismo di inclinazione
Il meccanismo di inclinazione è la parte mobile che riceve maggiore attenzione durante la manutenzione programmata. Un forno si inclina da 12 a 15 gradi in avanti per la spillatura e da 5 a 8 gradi all'indietro per la rimozione delle scorie. L'inclinazione deve essere fluida, controllabile e reversibile entro i tempi previsti dal ciclo di lavoro.
Esistono due sistemi di azionamento per l'inclinazione più comuni: cilindri idraulici (modelli più vecchi) e cremagliera e pignone azionati da motore a corrente alternata (modelli più recenti). Il sistema a cremagliera e pignone è più affidabile in ambienti ad alta temperatura ed evita i rischi di perdite tipici dei sistemi idraulici. MONTE INTELLIGENCE specifica l'utilizzo di azionamenti a cremagliera e pignone per tutte le nuove installazioni di peso superiore a 60 tonnellate.
Il meccanismo di inclinazione poggia sull'anello di supporto, una pesante forgiatura in acciaio montata sulla piattaforma del forno. Nei forni più grandi, i cuscinetti dell'anello di supporto sono raffreddati ad acqua per evitare il surriscaldamento dovuto alle radiazioni provenienti dal guscio del forno. Il feedback sulla posizione di inclinazione è fornito da encoder assoluti ridondanti, con interblocchi di sicurezza per arrestare l'inclinazione ai punti di riferimento di colata e scrematura.
Sistema di fori di spillatura eccentrici sul fondo (EBT)
I moderni forni ad arco elettrico (EAF) utilizzano tutti sistemi EBT (Electron Beam Test) perché consentono di colare il 95% o più dell'acciaio con una minima quantità di scorie residue. Il foro di spillatura EBT è posizionato nella parete laterale inferiore, leggermente decentrato rispetto all'asse centrale del bagno. Il foro di spillatura viene riempito con un materiale di compattazione a sabbia tra una colata e l'altra e aperto con una lancia a ossigeno al momento della spillatura.
Nella maggior parte dei moderni forni ad arco elettrico (EAF), la compattazione della sabbia nel bagno di colata (EBT) è automatizzata. Una macchina compattatrice posiziona il foro di colata, compatta la sabbia a una pressione di 4-6 bar e ne modella il profilo. Il ciclo di compattazione dura dai 60 ai 90 secondi. La durata del foro di colata dipende dalla composizione chimica del bagno e dalla temperatura di colata, ma in genere è di 200-400 cicli di colata prima della necessità di revisione.
Sistema di rimozione delle scorie
La rimozione delle scorie elimina lo strato di scorie ossidate dopo la colata, pulendo il bagno per la successiva colata e recuperando le scorie contenenti ferro per il riciclo. Le scorie possono rappresentare dal 12 al 18 percento del peso del materiale colato, e una buona operazione di rimozione delle scorie permette di recuperarne dall'80 al 90 percento, trasformandole in scorie vendibili o utilizzabili per la sinterizzazione.
Esistono due sistemi principali per la rimozione delle scorie: quello con sportello (uno sportello incernierato sulla parete laterale del forno che si apre per versare le scorie) e quello con recipiente mobile (un recipiente posizionato all'esterno del forno per raccogliere le scorie quando il forno si inclina all'indietro). Il sistema con recipiente mobile è più efficiente ed è standard sulla maggior parte dei moderni forni ad arco elettrico con una capacità superiore a 60 tonnellate.
Pannelli raffreddati ad acqua e bruciatore/lancia per ossigeno
I pannelli di raffreddamento ad acqua coprono dal 70 al 90 percento della linea di scoria in un moderno forno ad arco elettrico (EAF), mentre la parte restante rimane refrattaria. Il flusso dell'acqua di raffreddamento dei pannelli è fondamentale: un flusso insufficiente provoca la perforazione dei pannelli, mentre un flusso eccessivo spreca energia.
La lancia per l'ossigeno è in genere un modello supersonico raffreddato ad acqua con una velocità di uscita da 1,5 a 3,0 Mach. La lancia inietta ossigeno per la decarburazione, carbonio per la scoria schiumosa e calce per il condizionamento della scoria. I moderni forni ad arco elettrico (EAF) utilizzano due o tre lance attraverso lo sportello della scoria o la parete laterale, con posizionamento automatizzato per ottimizzare il punto di impatto sul bagno.
Metterlo insieme
La progettazione meccanica di un forno ad arco elettrico (EAF) ne determina la disponibilità, la produttività e i costi operativi. Un EAF da 100 tonnellate ben progettato può effettuare da 8000 a 9000 colate all'anno tra una revisione generale e l'altra. Un forno progettato male farà fatica a raggiungere le 5000. La differenza non risiede nei sistemi elettrici o di controllo, che sono collaudati e affidabili. La differenza sta nel guscio, nell'inclinazione, nel tetto e nel foro di spillatura.
MONTE INTELLIGENCE ha impiegato 20 anni per perfezionare questi elementi meccanici. Visitawww.cnlymonte.com/products-electric-arc-furnace.html Per foto dell'installazione e elenco di riferimenti. Per una discussione riservata sul vostro prossimo progetto EAF, inviate un'e-mail a helenxu@cnlymonte.com con oggetto "Progettazione meccanica EAF".
