O comportamento operacional de fornos a indução do tipo canal

Neste artigo, a simulação computadorizada é utilizada para investigar a formação de incrustações no revestimento refratário de fornos a indução do tipo canal. Entre os fatores de influência analisados estão a distribuição da temperatura e da corrente, e o transporte de calor e matéria.

Egbert Baake e Andris Jakovics

Data: 10/05/2017

Edição: FS Março 2017 - Ano - 27 No 291

Compartilhe:

A experiência relativa à formação de incrustações durante a manutenção da temperatura e o vazamento do ferro fundido nos fornos a indução do tipo canal evidencia algumas de suas causas, as quais são confirmadas na simulação computadorizada.

As incrustações são originadas principalmente nos pontos onde há uma combinação de critérios:

Fig. 1 Representação esquemática do projeto de um forno a indução do tipo canal, com indutor conectado por flange

Estas áreas típicas foram identificadas com o auxílio da simulação numérica em diversos fornos a indução do tipo canal.
Por meio de modificações específicas da geometria do canal e do estrangulamento, foi possível obter distribuições da corrente e da temperatura que resultaram em uma redução considerável dos fatores de influência sobre a formação de incrustações. Desta forma, é de se esperar o aprimoramento do comportamento operacional destes equipamentos.
O forno a indução do tipo canal é utilizado em fundições de ferro para a manutenção da temperatura, armazenamento, superaquecimento e vazamento do banho fundido.
Em fundições de metais não ferrosos, ele também é utilizado como unidade de fusão, quando a fusão elétrica é mais vantajosa.
O equipamento consiste em um cadinho de fusão e um ou vários indutores conectados por flanges (figura 1).
O indutor do tipo canal trabalha conforme o princípio de um transformador, consistindo em uma bobina primária disposta em um núcleo de ferro fechado e um canal de fusão fabricado em material refratário, que forma o enrolamento secundário curto-circuitado após o enchimento com metal líquido.
Em virtude desta forma construtiva, o forno possui um grau de eficiência relativamente alto, o que se reverte em economia de energia e rentabilidade no caso de operações contínuas.
Durante a operação, uma alta corrente é induzida no canal, provocando não apenas a geração de calor, mas também forças eletromagnéticas.
Desta maneira, ocorre a formação de uma corrente altamente turbulenta no canal, que transporta o calor para o cadinho de fusão.
Este transporte, quando feito quando adequadamente é muito importante para a operação segura do forno a indução do tipo canal.
Por meio da crescente formação de incrustações, ou seja, do fechamento da seção transversal do canal particularmente na área de transição para o cadinho, há uma redução do transporte de calor. Isso aumenta a temperatura de superaquecimento do banho no canal, podendo resultar no rompimento do revestimento.
Apesar da eficiência comprovada do forno a indução do tipo canal para a fusão, manutenção da temperatura e vazamento de metais, ainda há potenciais de melhora em relação à troca de calor e matéria no próprio canal e ao tempo de vida útil do indutor.
Este último é influenciado significativamente por diferentes mecanismos de desgaste, como a erosão, a infiltração e a formação de incrustações no revestimento refratário.
Para o exame destas questões, foram realizadas simulações numéricas, cujos resultados serão apresentados a seguir.

Simulação numérica e verificação experimental

Fig. 2 Simulação tridimensional de um forno a indução do tipo canal, para o cálculo eletromagnético (lado esquerdo) e para a distribuição do campo de corrente e da temperatura (lado direito)

O objetivo era examinar o transporte de calor e matéria, além de possibilitar um aperfeiçoamento do comportamento operacional do equipamento. Para isso, foi efetuada a simulação numérica da corrente transiente do banho fundido em diferentes fornos a indução do tipo canal.
Inicialmente, foi determinada a distribuição do campo eletromagnético, causada pela bobina de indução submetida à corrente alternada.
Em seguida, foi realizada a distribuição tridimensional estacionária da força eletromagnética resultante no banho.
A distribuição tridimensional da força eletromagnética, que representa a força de propulsão da corrente do banho, foi utilizada como grandeza de entrada para o cálculo da distribuição da corrente.
Adicionalmente, foram calculadas as distribuições de fontes de calor no banho fundido, as quais são originadas por forças eletromagnéticas que causam a formação do campo de temperaturas, levando a forças
da velocidade da corrente e da temperatura (figura 2, lado direito), não é possível utilizar as simetrias. Isso porque as correntes turbulentas não são formadas simetricamente, ascensionais térmicas, em virtude das diferenças de densidade.
As equações das distribuições da corrente e do campo de temperatura são acopladas neste caso.
O modelo de simulação tridimensional para o cálculo da distribuição do campo eletromagnético inclui todos os componentes eletricamente relevantes do forno a canal (figura 2), ou seja, a bobina do indutor, o núcleo do transformador e o cilindro de resfriamento, assim como o banho fundido no canal e na parte inferior do cadinho.
Como o forno apresenta uma construção simétrica espelhada em relação ao plano de corte vertical, é possível reduzir pela metade a geometria para os cálculos eletromagnéticos.
No modelo de simulação tridimensional para o cálculo da distribuição da velocidade da corrente e da temperatura (figura 2, lado direito), não é possível utilizar as simetrias. Isso porque as correntes turbulentas não são formadas simetricamente, mesmo com uma geometria perfeita.
No modelo de simulação utilizado para o cálculo da distribuição da corrente no banho, é possível desconsiderar a bobina do indutor, o núcleo do transformador e o cilindro de resfriamento.
Os modelos de simulação utilizados e os seus resultados foram verificados com o auxílio de resultados obtidos em medições da velocidade da corrente e da temperatura em diversos fornos a indução do tipo canal, em escala industrial.

Resultados dos exames numéricos

Fig. 3 Distribuição da velocidade da corrente medida (lado esquerdo) e calculada (lado direito) na seção transversal do canal de um forno a indução

Os resultados da simulação tridimensional transiente mostraram estruturas de corrente altamente turbulentas e complexas no próprio canal, assim como na área de transição para o cadinho
Na região da seção transversal do canal havia redemoinhos intensivos de corrente com altas velocidades locais, que foram acionados por forças eletromagnéticas e provocaram a troca intensiva de calor e matéria dentro e ao longo do canal.
A figura 3 mostra a confrontação de uma distribuição característica da corrente medida e calculada na seção transversal do canal, caracterizada por estruturas típicas de redemoinhos duplos.
Em comparação com isso, a velocidade de fluxo integral ao longo do canal, que é causada principalmente por forças ascensionais térmicas, foi menor em mais de uma ordem de grandeza, contribuindo pouco para a troca de calor e matéria ao longo do canal.
A corrente transiente integral é causada pela distribuição assimétrica da temperatura ao longo do canal. Esta distribuição da temperatura é submetida a oscilações temporais de longo prazo, podendo ser influenciada sistematicamente pela construção do indutor e pela forma do canal e do estrangulamento do indutor.

Fig. 4 Representação da distribuição da velocidade da corrente média e da energia cinética na seção transversal do canal e sua influência sobre a formação de incrustações. Uma velocidade média pequena, combinada com uma alta energia cinética, promove a formação de incrustações na região de temperaturas menores do banho.

Os exames mostraram que é necessário realizar simulações numéricas transientes no canal durante vários minutos, visando a uma análise exata das distribuições oscilantes da temperatura.
Com isso, reconhece-se que a posição e o valor da sobretemperatura máxima ao longo do canal entre os dois ramos pode oscilar por um período muito longo, no caso de uma geometria simétrica da calha. Além disso, a posição preferida do valor máximo da temperatura é pouco influenciada pela posição do núcleo magnético do transformador e, consequentemente, pela posição da concentração de potência máxima induzida.
Por outro lado, um canal assimétrico, com uma área de estrangulamento alargada unilateralmente, resulta em uma estabilização relativa da posição do valor máximo da temperatura no lado mais largo do canal e, consequentemente, em um fluxo integral médio direcionado unilateralmente.
Essa corrente transiente direcionada no sentido do alargamento do canal também é vantajosa para o impedimento da formação de incrustações.
Com base em trabalhos de pesquisa realizados anteriormente e 31 – FUNDIÇÃO e SERVIÇOS – MAR. 2017 experiências práticas de muitos anos, ficou claro que a formação de incrustações durante a manutenção da temperatura e o vazamento do ferro fundido no forno a indução dependem de muitos fatores.
Elas ocorrem principalmente nos pontos onde há a combinação de temperaturas relativamente baixas do banho, alta energia turbulenta da corrente e baixas velocidades médias.

Fig. 5 Representação da distribuição da velocidade da corrente, da energia cinética e da temperatura do banho fundido na seção transversal do canal após a alteração objetivada, por meio da qual os fatores de influência da formação de incrustações foram reduzidos

As áreas típicas em que a corrente do banho fundido cumpre vários destes critérios foram identificadas com o auxílio da simulação numérica em diversos fornos a indução do tipo canal, e confirmadas em experiências práticas.
A estas regiões pertencem, por exemplo, a área entre os estrangulamentos do canal e os pontos no lado do canal, na proximidade do indutor.

Estas áreas são caracterizadas por:

Por meio de modificações específicas da geometria do canal e do estrangulamento, foi possível obter distribuições da corrente e da temperatura que resultaram em uma redução considerável dos fatores críticos de influência sobre a formação de incrustações.
Com essa finalidade, a área entre os estrangulamentos do canal foi aumentada ao máximo, utilizandose transições mais arredondadas, sem cantos vivos e arestas. Assim, são evitadas turbulências reforçadas (figura 5).
Canais com geometria de baixa turbulência evitam a formação de incrustações, mas sempre há um compromisso com o transporte de calor reduzido em termos da sobretemperatura máxima admissível do banho no canal.
Em resumo, o fato é que atualmente os processos de transporte de calor e matéria no banho de fornos a indução do tipo canal podem ser calculados de modo realístico via simulação computadorizada.
O resultado são estruturas complexas da corrente no canal com altas velocidades locais, com um fluxo integral muito baixo dentro do canal, além de uma distribuição assimétrica da temperatura oscilante por um longo período.
Uma geometria assimétrica do canal resulta na estabilização do fluxo integral e da distribuição da temperatura.
Por meio de uma geometria otimizada do canal e do estrangulamento, é possível reduzir os fatores de influência sobre a formação de incrustações e, consequentemente, melhorar o comportamento operacional e o tempo de vida útil do indutor do tipo canal.