Ogni operatore di forno ad arco elettrico che ha avuto a che fare con un guasto all'anello del tetto conosce il costo. Quando l'anello del tetto si rompe, si perde tutto il calore. Non solo il calore, ma anche il programma di produzione, la colata continua a valle, il laminatoio. Tutto si ferma.
Noi di MONTE INTELLIGENCE abbiamo fornito anelli di copertura per forni elettrici ad arco a acciaierie in Asia, Medio Oriente e Africa. Grazie a questi progetti, abbiamo imparato cosa funziona e cosa no. Questo articolo condivide tale esperienza sul campo.
L'anello del tetto del forno ad arco elettrico si trova all'incrocio di tre ambienti estremi. Dal basso, è esposto alla radiazione diretta dell'arco, con temperature che possono superare i 1700 °C nei punti più caldi. Lateralmente, sopporta il carico meccanico degli elettrodi, che pesano diverse tonnellate ciascuno e vibrano durante la fusione. Dall'interno, convoglia l'acqua di raffreddamento attraverso condotti che devono rimanere a tenuta stagna durante i cicli termici che creperebbero l'acciaio comune.
La scelta del materiale inizia con l'acciaio di base. La maggior parte degli anelli di copertura utilizza acciaio inossidabile AISI 304 o 316 per i pannelli raffreddati ad acqua. La scelta tra 304 e 316 si riduce a una domanda: quanto cloruro è presente nell'acqua di raffreddamento. Se si utilizza un sistema a circuito chiuso con acqua trattata, il 304 va bene. Se si utilizza un sistema di raffreddamento a ciclo aperto con acqua di fiume o di pozzo con qualità variabile, la resistenza alla corrosione da cloruri del 316, con il suo contenuto di molibdeno del 2-3%, si ripaga da sola entro il primo anno. Abbiamo visto anelli di copertura in 304 sviluppare microperdite entro sei mesi in acqua di raffreddamento salmastra, mentre anelli in 316 nello stesso impianto sono durati tre anni.
La zona del delta refrattario, ovvero la sezione triangolare tra le tre porte degli elettrodi, è il punto in cui si verificano la maggior parte dei cedimenti dell'anello del tetto. Quest'area è soggetta al calore radiante più intenso e al gradiente termico più elevato tra l'acciaio raffreddato ad acqua e la superficie refrattaria. L'approccio convenzionale prevede l'utilizzo di mattoni ad alto contenuto di allumina (85-90% di Al2O3), che garantiscono una buona durata in condizioni operative normali. Tuttavia, quando il forno utilizza la tecnica dell'arco lungo o quando la miscela di rottami include elevate percentuali di DRI (Direct Reduced Iron) con il relativo residuo di scoria schiumosa, la zona del delta refrattaria subisce un'usura eccessiva.
Per queste condizioni, raccomandiamo mattoni in magnesio-carbonio per l'area del delta. I mattoni in MgO-C combinano l'elevata refrattarietà del magnesio (punto di fusione 2800 °C) con la resistenza alle scorie del carbonio. Il carbonio fornisce anche conducibilità termica che aiuta a distribuire il carico termico in modo più uniforme, riducendo le temperature dei punti caldi di 50-80 °C rispetto alla sola allumina ad alto contenuto di carbonio. Il compromesso è il costo: i mattoni in MgO-C costano circa il 40% in più rispetto a quelli ad alto contenuto di carbonio, ma la maggiore durata della campagna di produzione in genere garantisce un ritorno sull'investimento aggiuntivo di 2:1.
La progettazione del raffreddamento ad acqua è ciò che distingue gli anelli di copertura adeguati da quelli eccellenti. Il parametro chiave è la velocità dell'acqua attraverso i condotti di raffreddamento. Al di sotto di 1,5 metri al secondo, si rischia l'ebollizione nucleata nei punti caldi, che crea sacche di vapore che isolano l'acciaio dall'acqua di raffreddamento. Una volta formatosi il vapore, la temperatura dell'acciaio può aumentare di 200 °C in pochi secondi, provocando cricche da fatica termica. Progettiamo per una velocità minima dell'acqua di 2,0 m/s in tutti i condotti degli anelli di copertura, con velocità più elevate di 2,5-3,0 m/s nelle aree di collegamento degli elettrodi, dove il flusso di calore è massimo.
La distribuzione del flusso è importante tanto quanto il flusso totale. Un anello di copertura con raffreddamento non uniforme sviluppa gradienti termici lungo la sua struttura. Questi gradienti creano una dilatazione termica differenziale, che genera sollecitazioni meccaniche in corrispondenza delle saldature, proprio dove non si desiderano. Utilizziamo la modellazione fluidodinamica computazionale (CFD) per verificare che ogni condotto dell'acqua riceva il flusso previsto dal progetto prima che l'anello entri in produzione.
La configurazione a delta, ovvero la disposizione degli elettrodi sul tetto, influisce sia sulle prestazioni elettriche che sulla durata del materiale refrattario. La configurazione a delta standard prevede i tre elettrodi ai vertici di un triangolo equilatero. Il diametro del cerchio di passo (PCD), ovvero il diametro del cerchio passante per i centri dei tre elettrodi, è un parametro di progettazione fondamentale. Un PCD troppo piccolo provoca un eccessivo riscaldamento delle pareti laterali da parte degli archi elettrici. Un PCD troppo grande, invece, crea zone fredde tra gli elettrodi, formando ponti di materiale non fuso.
Per un tipico forno ad arco elettrico da 50 tonnellate, il PCD (diametro tra gli elettrodi) varia da 700 a 900 mm a seconda della potenza del trasformatore. Una potenza maggiore consente di utilizzare un PCD più ampio, poiché gli archi più lunghi forniscono una maggiore copertura di calore radiante. L'anello del tetto deve essere compatibile con il PCD selezionato, mantenendo al contempo uno spessore refrattario adeguato tra le porte degli elettrodi e il guscio esterno. In genere, specifichiamo uno spessore refrattario minimo di 150 mm tra qualsiasi porta degli elettrodi e il diametro interno dell'anello del tetto.
Le guarnizioni degli orifizi degli elettrodi meritano attenzione. Ogni fessura intorno all'orifizio dell'elettrodo rappresenta una via di fuga per i gas caldi e di ingresso per l'aria. L'ingresso di aria è particolarmente problematico perché brucia il carbonio degli elettrodi e introduce azoto nell'acciaio. Un anello di copertura ben progettato include guarnizioni meccaniche – anelli in grafite o anelli in acciaio inossidabile a molla – che mantengono il contatto con l'elettrodo durante il suo movimento verticale durante la regolazione. La guarnizione deve consentire un gioco radiale di circa 5 mm per il movimento dell'elettrodo, mantenendo al contempo una tenuta ai gas entro il 2-3% di perdite.
L'installazione e l'allineamento sono le fasi in cui la pratica sul campo si discosta dalla teoria ingegneristica. Un anello di copertura progettato alla perfezione sulla carta può cedere nel giro di poche settimane se installato con un disallineamento anche di soli 3 mm. L'anello deve essere perfettamente orizzontale rispetto al corpo del forno. Qualsiasi inclinazione crea un carico non uniforme sul materiale refrattario e una distribuzione irregolare del flusso d'acqua. Forniamo sempre i nostri anelli di copertura con una superficie di riferimento lavorata e perni di allineamento compatibili con la flangia del corpo del forno. Prima di serrare i bulloni di fissaggio, gli operatori sul campo devono verificare la planarità dell'anello con una livella di precisione (accuratezza di 0,02 mm/m) in quattro punti lungo la circonferenza.
Gli intervalli di manutenzione dipendono dalle modalità operative. In condizioni normali (20 cicli di riscaldamento al giorno, con una miscela di rottami tipica), ispezionare il delta refrattario dopo ogni 200 cicli. Verificare la presenza di erosione con profondità superiore al 50% dello spessore originale del refrattario, fessurazioni di larghezza superiore a 3 mm e sfaldamento ai bordi delle porte degli elettrodi. I pannelli raffreddati ad acqua devono essere sottoposti a prova di pressione a 1,5 volte la pressione di esercizio ogni 500 cicli. Qualsiasi pannello che mostri un calo di pressione superiore al 5% in 15 minuti deve essere rimosso e riparato.
Gli anelli di copertura MONTE INTELLIGENCE sono progettati per una durata minima di 2000 cicli di riscaldamento in condizioni operative normali. La durata effettiva sul campo varia da 1800 a 3500 cicli a seconda dell'applicazione. La differenza tra il valore minimo e quello massimo dipende dalle pratiche operative descritte in precedenza: qualità dell'acqua, selezione del materiale refrattario e precisione nell'allineamento.
Se state pianificando la sostituzione dell'anello del tetto di un forno ad arco elettrico (EAF) o un nuovo progetto per un forno, contattate il nostro team di ingegneri all'indirizzo helenxu@cnlymonte.com. Possiamo fornirvi una proposta tecnica dettagliata basata sulla configurazione specifica del vostro forno, sul mix di rottami e sugli obiettivi di produzione.
