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Livro: Fundição e Serviço – Abr. 2006
Os autores são da Otto Junker GmbH, da Alemanha. Reporução autorizada pelos autores. Tradução de Themistocles Rodrigues Júnior e revisão técnica de Milon Vieira, engenheiro do Departamewnto Técnico
Comercial da Servtherm Fornos a Indução Ltda.
A modernização de forno de fusão a cadinho para economizar energia e aumentar as taxas de fusão.
A atualização e a extensão do equipamento existente oferecem um grande potencial para a economia de energia, aumento da produção e redução dos tempos parados. Tendo em vista o fato de que, neste caso, os custos são consideravelmente inferiores do que para novos investimentos, e o tempo de instalação mais curto, vale a pena estudar detalhadamente esta alternativa.
Em tempos em que o preço da energia está sempre aumentando, o usuário devem exaurir os
benefícios da atualização do equipamento existente com vistas a cortar custos e aumentar a capacidade de produção, especialmente com respeito às operações de fusão que representam mais do que 60% do consumo total de energia de uma fundição.
O estado da arte na tecnologia da fusão indutiva está no forno a indução de média freqüência do tipo cadinho, uma ferramenta de fusão poderosa que, por suas muitas vantagens, tem substituído em grande escala o forno de freqüência de rede. Estes fornos são alimentados por conversores de freqüência confiáveis de baixa perda, proporcionando freqüência de operação no intervalo de 60 Hz a 3.000 Hz.
Inicialmente, estes sistemas confiavam na tecnologia do conversor magnético e do rotativo (por exemplo, os multiplicadores), que são caracterizados por perdas significativas de energia. O desenvolvimento mais recente realizado pela empresa alemã Otto Junker, na faixa de equipamentos de potência média, são os conversores IGBT (do inglês Insulated Gate Bipolar Transistor ou transistor bipolar de porta isolada), que usam a última tecnologia de transistores no inversor, em vez de tiristores.
Soluções básicas. A tecnologia avançada do conversor de média freqüência, em conjunto com os atuais sistemas
de controle de processo sofisticados, oferece as seguintes oportunidades significativas para cortar os custos de energia e aumentar as taxas de fusão de equipamentos antigos:
1) A eficiência dos conversores modernos está entre 96% e 97,5%, enquanto que os sistemas conversores mais antigos (por exemplo, os multiplicadores) dificilmente alcançam valores de até 88%. 2) A conversão de fornos de freqüência de rede para a tecnologia de média freqüência evita a fundição com pé de banho, significando que é possível iniciar a operação do forno tipo batch com
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materiais de carga sólidos. Para a fusão de materiais ferrosos, isto representa um menor acoplamento eletromagnético, que resultam em economias de energia de aproximadamente 8% (figura 1).
Figura 1 – Eficiência da bobina como uma função do modo de operação (ferro fundido).
3) A tecnologia de conversão de fornos de rede em fornos de média freqüência de rede também capacita a operação com uma densidade de potência mais alta, diminuindo os tempos de fusão e reduzindo as perdas térmicas, o que também representam economias de energia (figura 2).
Figura 2 – Influência da densidade de potência sobre o consumo de energia elétrica (forno de 12 toneladas, ferro fundido, 1.500°C).
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4) Os conversores avançados com sistema de controle digital são caracterizados por uma operação em grande parte automática do conversor de freqüência e por um controle e monitoração melhorados em todas as seqüências de operações. Qualquer defeito que possa ocorrer é relatado e diagnosticado em tempo real. A instalação de um modem também permite a monitoração remota e a solução instantânea de problemas a partir de central de assistência técnica do fabricante. 5) a eliminação de todas as chaves mecânicas implica em uma redução significativa da necessidade de manutenção e na possibilidade de controle de potência infinitamente variável.
O ponto inicial para todas as considerações deve ser sempre uma análise da condição e dos pontos fracos do equipamento existente. Os objetivos da atualização também deverá ser formulado claramente. Isto por que, faz pouco sentido instalar um novo conversor em um forno obsoleto e arca com as desvantagens que isto inevitavelmente irá acarretar, pois muito provavelmente um novo forno terá de ser comprado em pouco tempo para substituí-lo.
Por outro lado, uma inspeção dos componentes de equipamentos antigos pode freqüentemente conduzir extensões significativas da vida do serviço e à diminuição das paradas de produção. Os fatores a serem levados em consideração nestas avaliações são a manutenção e os trabalhos de reparo para os equipamentos existentes, assim como a disponibilidade de peças sobressalentes.
O mencionado acima significa que a decisão a ser tomada somente pode ocorrer com o estudo na base caso a caso, ou seja, para cada forno específico.
Com respeito às atualizações e extensões dos fornos a indução do tipo cadinho já existentes, estão disponíveis as seguintes possibilidades, mais especificamente para as unidades associadas, que determinam a capacidade operacional do forno:
Conversão de fornos de freqüência de rede para a tecnologia de média freqüência. Substituição dos sistemas de conversores antigos (por exemplo, multiplicadores) por conversores
avançados de média freqüência. Conversão de um sistema mono fusão em sistema tandem (instalação de um segundo forno). Uso de conversores de freqüência de maior potência. Conversão para sistema de controle de processo avançados, baseados em PLC (do inglês
Programmable Logical Control ou controlador lógico programável) com processador de fusão Joks (do inglês Junker Ofen Kontroll System ou sistema de controle de forno Junker). Uso de sistema avançado de monitoração e controle (monitorização do cadinho com OCP (de
Optical Coil Protection ou proteção óptica da bobina)), como exemplo.
Projetos implementados. Na seqüência, apresentaremos os resultados alcançados de exemplos de alguns projetos de
atualização e aprimoramento. Conversão de forno de fusão de freqüência de rede para a tecnologia avançada de
conversor IGBT: Para exemplificar, é apresentada resumidamente a conversão bem sucedida de dois fornos de
freqüência de rede do tipo cadinho, na fábrica de barras de ânodo Soer-Norge Aluminium As, na Noruega.
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O objetivo de atualizar os fornos com mais de 20 anos de idade (figura 3), com capacidade de 2 toneladas de ferro fundido, foi a melhoria de sua disponibilidade e o aumento da sua capacidade de produção.
Figura 3 – Vista dos fornos existentes na empresa norueguesas Soer-Norge Aluminium AS.
O objetivo da atualização era focalizar somente os itens do equipamento absolutamente necessários para limitar os custos e diminuir o tempo de instalação. Foram somente cinco dias disponíveis para o trabalho de instalação de cada forno, sendo que a marcha e os testes de performance foram executados no sexto dia.
A atualização consistiu essencialmente no fornecimento de transformadores de potência, em duas unidades avançadas do conversor IGBT com banco de capacitores, em um resfriador de água adicional para os dois conversores, na instalação do processador de fusão Joks e em um conjunto de bobinas novas.
Um moderno sistema de controle da Siemens tipo S 7- 300 e a visualização de todas as funções e seqüências de operação em PC da mesma marca, do tipo 670, completa o escopo do fornecimento.
A figura 4 mostra um dos novos pacotes de potência IGBT projetados para uma potência nominal de 750 kW e uma freqüência de 00 Hz. A freqüência foi selecionada com base na assertiva de que as cargas podem ser fundidas sem pé de banho, proporcionando uma vantagem significativa sobre os antigos sistema de freqüência de rede. A conversão para fundir sem pé de banho e a nova tecnologia de conversores cortou o consumo de energia para a fusão em aproximadamente 10%.
Figura 4 – Novo sistema de conversão de freqüência na empresa Soer-Norge Aluminium AS, da Noruega.
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Substituição de multiplicadores com novas tecnologias de conversor: A fundição de ferro alemã Nippes & Schmidt foi uma das primeiras a utilizar forno de média
freqüência do tipo cadinho, com tecnologia de multiplicadores de freqüência, e outro com o projeto de conversão de freqüência.
Depois de 30 anos de operação confiável, estes fornos foram atualizados com a nova tecnologia de conversor, em 2001. Neste projeto, foi possível limitar o trabalho de conversão ao mínimo: somente os conversores (600 kW e 500 kW) com os transformadores associados e cabine de controle foram novamente instalados. Todos os outros conjuntos, tais como os fornos (com capacidade de 500 kg e 1000 kg, respectivamente), rachs de capacitores e resfriador de água forma conservados sem modificações.
Após um curto período de instalação, o equipamento foi posto em operação com sucesso. A figura 5 mostra a plataforma do forno com o novo sistema de conversor.
Figura 5 – Fornos na empresa alemã Nippes & Schmidt, após a atualização.
A economia de energia alcançada e o aumento das taxas de fusão e aproximadamente 12%
resultaram unicamente a partir da diminuição das perdas nos avançados sistemas de conversor, pois a sua potência nominal não foi aumentada.
Outra conversão bem sucedida de um forno de fusão antigo, com conversor multiplicador de freqüência, para a tecnologia avançada de conversor de freqüência baseada em tiristor, foi implementada em uma fundição de ferro na Suécia. A empresa possui dois fornos com capacidade de 1,5 toneladas e potência nominal de 1.200 kW.
Neste exemplo, foi possível manter a instalação completa do forno, que inclui yokes (shunts), componentes hidráulicos e resfriador de água para o circuito de resfriamento do forno. Somente o mecanismo de distribuição elétrico foi renovado: o multiplicador de freqüência foi substituído por um conversor de freqüência baseado em tiristor e um novo transformador de potência foi fornecido.
O novo sistema do conversor (figura 6) foi baseado no conceito Duomelt, cuja distribuição de potência é infinitamente variável para ambos os fornos. O escopo de fornecimento foi completado por um novo resfriador de água par o circuito de resfriamento do conversor.
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Figura 6 – Cabine do conversor IGBT (transistor bipolar de porta isolada) na fundição Bruzaholms Bruk, na Suécia.
Os custos do investimento foram de somente um quarto dos custos para um novo equipamento. As paradas de produção para se fazer a conversão foram limitados a um período de tempo muito curto.
Como resultado, o consumo de energia foi diminuído de 630 para 535 kWh/tonelada, correspondendo a uma economia d 15% com uma potência nominal idêntica de 1.200 kW. Para a fusão de 4.000 toneladas de aço por ano, a economia de energia foi de 380.000 kWh.
A taxa de fusão aumentada de 1,3 toneladas/h para 1,85 toneladas/h, ou seja, em mais de 40%. Esta melhoria da velocidade de fusão foi possível em razão do menor consumo de energia e da utilização mais eficiente da fonte de energia pela tecnologia Duomelt.
O conversor foi dimensionado e fabricado com uma capacidade excedente de 300 kW, para possibilitar aumentos posteriores na taxa de fusão com instalação futura de fornos novos e maiores.
Substituição de um antigo conversor Siemens: O conversor Siemens do forno de espera de 10 toneladas de uma fundição de ferro alemã
começou a apresentar freqüentemente uma série de problemas de funcionamento, a requerer reparos excessivos e a sofrer com a falta de peças sobressalentes, o que a levou a se decidir pela instalação de um novo e moderno conversor de freqüência.
O desafio especial deste projeto foi interfacear o conversor de freqüência com o forno de um fabricante diferente e com sistemas previamente modernizados do controle e do operador, enquanto era mantido o transformador de alimentação existente.
A escolha recaiu sobre um conversor de freqüência baseado em tiristor, com potência nominal de 1.200 kW, um sistema de controle digital e um módulo de capacitor dimensionado adequadamente. Para a interface com o painel de controle e de operação existente, os valores analógicos do conversor foram fornecidos como sinais e os alarmes de falhas exibidos em um painel separado na cabine do conversor. Além de transmitidos ao operador e ao nível do sistema de controle.
Isto não foi com certeza uma atualização que se faz todos os dias. Entretanto, a integração entre o novo sistema de conversor e o equipamento existente comprovou que soluções para equipamentos específicos podem ser implementadas com sucesso.
Utilização de um sistema avançado de controle: Para a subsidiária da empresa turca Messrs. E. G. O. Elktro-Gerätebau, o objetivo foi fazer
suas operações de fusão mais confiáveis e reduzir o consumo de energia, tendo um orçamento limitado.
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A fundição utiliza seis fornos de freqüência de rede do tipo cadinho, com uma capacidade de 3 toneladas cada, que são alimentados alternativamente por cinco unidades de potência com 800 kW cada.
A nova instalação inclui um modero sistema de controle e operação baseado em um PLC S7-300 da Siemens, do qual faz parte um novo terminal de operação com exibição de texto.
O novo ambiente de controle proporciona um alto grau de automação, sendo que a correção do fator de potência é totalmente automática e os ciclos de fusão e esperas são controlados de acordo com os pontos de ajuste determinados pelas definições de potência. Os resultados mostraram economia de energia e aumento das taxas de fusão com uma significativa melhora na confiabilidade do equipamento. As figuras 7 e 8 mostram o sistema de controle do equipamento antes e depois da atualização bem sucedida.
Exemplo de atualização: os efeitos da atualização / substituição de multiplicadores de freqüência por um conversor IGBT.
Ação: substituir o sistema de multiplicadores pelo de conversor IGBT.
Resultado: Antes Depois Conversor de freqüência
multiplicador (QFT Ge 1.500) Sistema de conversão
(MFT Ge 1.500) Freqüência 250 Hz 250 Hz Potência do forno 1.00 kW 1.000 kW Taxa de fusão* 1,3 t/h 1,85 t/h Tempo de fusão* 69 min 49 min Consumo de energia* 630 kWh/t 535 kWh/t (*) relacionado à potência máx. do forno em 1.500°C /ferro fundido
Figura 7 – Sistema antigo da Messrs. E. G. O. Elektro-Gerätebau
Figura 8 – Novo sistema de controle da Messrs. E. G. O. Elektro-Gerätebau
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Economias: Custo de energia (para 4.000 t/ano)
380.000 kWh 30.000 euros
Custo de mão-de-obra (ciclo
de fusão mais curto) 4h/dia 1k
250 dias/16h/dia 30.000 euros
Custos de manutenção Menor exigência de peças
sobressalentes Redução de 10.000
euros
Exemplo de atualização: efeitos da atualização / substituição de mecanismo de
distribuição de freqüência de linha por um conversor. Ação: Substituir o painel de freqüência de rede por um sistema de conversor (120 Hz) de
aumento da potência para 2.500 kW Resultado: Antes Depois
Conversor de freqüência multiplicador (NFT Ge 8 t)
Sistema de conversão (MFT Ge 8 t)
Freqüência 50 Hz 120 Hz Potência do forno 2.100 kW 2.500 kW Taxa de fusão* 3,6 t/h (com 50% de pé de
banho) 4,7 t/h (sem pé de
banho) Tempo de fusão* 134 min 102 min Consumo de energia* 580 kWh/t 535 kWh/t (*) relacionado à potência máx. do forno em 1.500°C /ferro fundido
Economias: Custo de energia (para
12.000 t/ano) 540.000 kWh 43.000 euros
Custo de mão-de-obra (ciclo
de fusão mais curto) 3,5h/dia 875 h
250 dias 26.250 euros
Custos de manutenção Menor exigência de peças
sobressalentes Redução de 10.000
euros
Conversão de um sistema monofusor para um sistema em tandem: Em uma primeira fase de projeto, uma fundição da Finlândia operava com um sistema
monofusor de um forno com 8 toneladas de capacidade e com um conversor com uma potência nominal de 3.800 kW, para a fusão de ferro-gusa. No processo de atualização da capacidade, um segundo forno foi instalado e uma chave comutadora de fornos controlada por computador foi implementada.
O ponto inicial desta extensão foi à análise dos tempos mortos do sistema monofusor que totalizavam, no mínimo, 10 minutos por corrida. Durante este tempo, a potência do conversor disponível não podia ser utilizada para fusão.
Os cálculos feitos antes da decisão de comprar um segundo forno previam que durante estes 10 minutos, mais de 95% da potência do conversor disponível poderia ser utilizada para a fusão em
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um segundo forno. Além disto, o outro forno pode continuar a operar com a potência total durante a operação de troca do refratário, que ocorre a cada três semanas. Com tudo isto o rendimento aumenta 30% com relação à taxa de fusão efetiva ou, mais precisamente, de 4,7 para 6,1 toneladas/h.
O aumento computado na taxa de fusão pela instalação de um segundo forno e a conversão automática resultante para a operação em tandem foram demonstrados após a entrada em operação.
Atualização do sistema OCP (de monitoração do cadinho refratário): O sistema OCP (proteção óptica da bobina) desenvolvido pela Otto Junker, em cooperação
com a Lios, representa um avanço na monitoração do cadinho refratário. Trata-se de um sistema de última geração, que mede e monitora a temperatura, utilizando sensores de fibra óptica cujas propriedades o tornam perfeitamente adequadas para a monitoração livre de interferência de cadinhos de fornos de fusão a indução é possível pela determinação direta da faixa de temperatura em uma extensa área próxima da bobina de indução.
O sistema inclui o cabo do sensor, assim com uma unidade avaliadora e uma tela para a observação das áreas de temperatura medidas.
Uma fabrica na Bélgica comprou o sistema OCP para um forno de fusão a indução sob vácuo de 2,5 toneladas, para operar em três turnos. Este forno é utilizado para produzir ligas mestres, cuja composição é considerado crítica para o material do cadinho que é pré-fabricado e suportado por uma mistura refratária seca.
Nenhuma modificação teve que ser feita no forno para a instalação do sistema de monitoração do refratário. O cabo sensor do sistema OCP foi colocado diretamente na bobina do forno (figura 9) e encapsulado no revestimento permanente de concreto refratário. Foi necessário fazer uma abertura de aproximadamente 15 mm, para permitir a saída do cabo para a conexão na unidade avaliadora.
Figura 9 – Instalação do cabo do sensor do sistema OCP (proteção óptica da bobina).
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O sistema em questão passou pelo seu teste de fogo quando foi identificado um aumento crítico de temperatura após ter chegado somente à metade da vida normal do cadinho. A figura 10 mostra o perfil de temperatura correspondente.
Baseado neste sinal, o forno foi esvaziado e seu revestimento refratário, desmanchado. Foram descobertos um trincamento no cadinho e a penetração de metal no concreto refratário de suporte, exatamente no ponto onde a anomalia tinha sido identificada.
Figura 10 – Curva da temperatura com sinal (esquerda: perfil da temperatura; direita: exibe o diferencial da temperatura).
O aviso em tempo hábil para evitar a penetração total do metal no cadinho com todas as suas
conseqüências, tais como parada de produção e perigos potenciais ao homem e ao forno ocorreu sem problemas.
Conclusões: Uma economia considerável de energia e um aumento na taxa de fusão podem ser alcançados
pela atualização de fornos antigos a indução do tipo cadinho e especialmente, pela adesão à tecnologia avançada de conversão de freqüência. Ao mesmo tempo, as paradas, a manutenção e o reparo dos sistemas são reduzidos.
Algumas vantagens são os custos de investimento que representam somente um quarto ou um teço dos custos do equipamento novo e sua rápida implementação, que, freqüentemente, não demora mais que uma semana. As tabelas 1 e 2 mostram os efeitos econômicos e técnicos, tendo como base dois exemplos.
Os projetos de atualização já implementados têm mostrado que a mudança de sistema com freqüência de rede para sistema de média freqüência proporciona economia de aproximadamente 8% e outros 10% podem ser economizados se for utilizada uma densidade de potência mais elevada.
Substituindo-se os sistemas antigos de conversão de freqüência (por exemplo, os multiplicadores) por mecanismo avançados de média freqüência, é possível reduzir o consumo de potência em aproximadamente 12% a 20%. A conversão de um sistema monofusor (um só forno) em um sistema em tandem (usando um segundo forno) proporciona um aumento de produção da
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ordem de 30%. Já a conversão para um sistema de controle moderno baseado em PLC com o processador de fusão Joks reduz as paradas e o consumo de energia.
A utilização do sistema OCP de monitoração do refratário melhora a segurança e a confiabilidade do equipamento e, conseqüentemente, reduz os tempos parados.
