Alta tecnologia no aquecimento indutivo para aplicação na indústria de laminação a quente de perfis planos

Alta tecnologia no aquecimento indutivo para aplicação na indústria de laminação a quente de perfis planos

Uma das vantagens do aquecimento por indução é a possibilidade de se aplicar uma grande quantidade de energia em um determinado tipo de metal, dentro de um espaço de tempo muito curto, o que vai de encontro às necessidades destas novas usinas ou “mini-mills”

Conceitos de miniusinas integradas ou “mini-mills” para a produção de tiras ou chapas de aço a quente estão em operação bem-sucedida há alguns anos.

Todos os componentes da planta, desde a máquina de lingotamento contínuo vertical, forno de reaquecimento até a secção do laminador são instalados em linha permitindo um processo de produção ininterrupta, desde a fase do aço líquido até as bobinas como produto final.

Devido ao constante aumento das exigências de produtividade e qualidade dos produtos laminados, a integração de unidades de indução intermediárias ao processo possibilitou às indústrias siderúrgicas e de laminação não somente cumprirem tais exigências, mas também proporcionar uma redução no consumo de energia e emissão de CO2 para o meio ambiente.

Aumento da Competitividade

Com o aumento na demanda e produção mundial, basicamente nos Países emergentes, a busca por novos conceitos estão impulsionando o mercado ao desenvolvimento de novos processos, como:

• Aumento na demanda de até 4 milhões de t / a com dois veios em operação;
• Maior estabilidade na produção das chapas, em que consideramos chapas finas as com espessura menor ou igual a 1 mm em substituição ao processo de laminação a frio (laminadores Steckel);
• Aumento na resistência mecânica na produção de chapas criogênicas aplicadas na produção de tubos com espessuras entre 12,5 mm a 25,4 mm.

Uma das vantagens do aquecimento por indução é a possibilidade de se aplicar uma grande quantidade de energia em um determinado tipo de metal, dentro de um espaço de tempo muito curto, o que vai de encontro às necessidades destas novas usinas ou “mini-mills” de se aumentar a temperatura do metal em pontos específicos e estratégicos, proporcionando uma redução do esforço aplicado nas cadeiras dos laminadores e consequente redução nos custos de manutenção, produção e emissão de CO2, refletindo diretamente em uma melhor qualidade do produto e de forma sustentável.

O Princípio do Aquecimento Indutivo para Laminadores a Quente

O efeito indutivo é gerado quando uma corrente elétrica é conduzida através de um material condutor elétrico, sendo a polaridade do campo magnético determinada pela polaridade do fluxo da corrente elétrica. (Fig. 1 e 2).

Quando um condutor elétrico é construído em um formato pré-determinado e comprimento adequado o mesmo proporcionará o aparecimento de linhas de força mutuamente acopladas, e um forte campo magnético surgirá. O formato típico de um indutor é o helicoidal, porém para aplicações como o aquecimento de placas/chapas ou tiras de aço em linha de laminação a quente diferentes formatos poderão ser utilizados.

Ainda na Fig. 1, a corrente de Foucault (eddy current) está ilustrada no sentido horário e o fluxo magnético gerado no sentido vertical de baixo para cima, através do material, o que consequentemente irá gerar calor ou o aquecimento pelo efeito “Joule”, diretamente proporcional à resistência do material, através da potência e frequência da corrente aplicadas, o controle de temperatura se torna bastante acurado. Um sistema de indução para laminadores a quente é constituído basicamente de um transformador de alimentação; conversor de frequência EloHeat™ – Elomat; circuito oscilante ou tanque formado por capacitores, transformador de acoplamento, indutores e finalmente a carga ou material a ser aquecido (Fig. 3).

Indicaríamos então um indutor helicoidal para a equalização da temperatura na entrada ou logo após a saída do material do forno de reaquecimento, bem como na entrada do rolo de desbaste, onde a tira de aço possui espessura suficiente para a aplicação da indução sob frequências mais baixas, e indutores transversais nos pontos intermediários às cadeiras de laminadores, onde as tiras se apresentam com espessuras reduzidas, sendo necessária a aplicação de frequências elevadas o que também previne o efeito de cancelamento do campo magnético; A profundidade/espessura da camada de penetração da corrente elétrica, pode ser representada pela fórmula: d = 3160 . √ p/Mf, onde:

d = camada, espessura em polegadas
ohm-polegada
M = permeabilidade magnética
f = frequência aplicada
p = resistividade elétrica do metal

Além das vantagens magnéticas, o indutor transversal ainda é facilmente incluído ou retirado automaticamente da linha, possibilitando uma utilização e otimização do processo e tornando o mesmo bastante flexível, pois não é necessária a interrupção da produção.

Em resumo, por meio do aquecimento por indução teremos:

• Consumo de energia durante a produção efetiva;
• Alta densidade de potência em um espaço físico bastante reduzido;
• Preço competitivo (investimentos, manutenção e etc.);
• Independente de gás e de petróleo como combustível;
• Aquecimento rápido e uniforme – transversal e longitudinal;
• Redução no aparecimento de carepa.

Aquecimento por indução em laminadores a quente

CSP® flex

Nas linhas de laminação a quente CSP® flex “Compact Strip Production”, a placa ou tira solidificada após a passagem através da primeira cadeira de laminação chega ao forno de reaquecimento com uma temperatura de entrada ao redor de 1000oC e tem sua temperatura elevada para 1150oC; em aplicações especiais, como aço silício e ligas especiais de aços leves, temperaturas mais elevadas são necessárias e, para isto, aplica-se o aquecimento indutivo logo em seguida ao forno de reaquecimento melhorando, elevando e regulando-se a temperatura em até 200oC Delta T para a continuidade do processo e entrada do material nas cadeiras de laminadores a quente, onde, por sua vez, é iniciada a redução de espessura (Fig. 4).

Devido à possibilidade de se trabalhar com o forno de reaquecimento a temperaturas de encharque reduzidas, experimentamos ainda uma redução sensível nos custos de manutenção, maior vida útil do refratário do forno, redução nos níveis de carepa e, consequentemente, dos rolos de transporte, pois a carepa é, por sua vez, bastante abrasiva.

Outra aplicação seria a utilização do aquecimento indutivo antes do forno de reaquecimento, proporcionando uma sensível redução do tamanho físico do mesmo, eliminando a zona ativa, reduzindo o consumo de gás e, consequentemente, diminuindo a emissão de CO2 para o meio ambiente.

A combinação ideal entre o forno de reaquecimento e um sistema de indução de alta eficiência energética, como verificado acima, permitirá que o forno de reaquecimento trabalhe com temperaturas reduzidas até, por ex, 1120oC, quando, por sua vez, não será necessária a utilização de rolos refrigerados, pois os mesmos operam em temperaturas mais baixas. Trabalhando-se a temperaturas reduzidas e com menor tempo de exposição ao oxigênio do meio ambiente, uma sensível redução na oxidação do material é experimentada (redução dos níveis de aparecimento de carepa). Graças a este conjunto e novo conceito, o forno de reaquecimento – sem refrigeração e aquecimento indutivo -, até 10% do consumo de energia poderá ser salvo, dependendo da configuração da linha, material e gama de produtos.

Aquecimento por Indução em Laminadores “Vario”

Aqui, o aquecimento por indução é aplicado entre as cadeiras de laminação 1 e 2. Trata-se de uma tecnologia inovadora para a fabricação de tipos de aço microligados com qualidade API para a indústria de fabricação de tubos de alta qualidade. (ex.: API X70 até 20 mm de espessura).

O aquecimento por indução garante a manutenção do nível ideal e uniforme da temperatura entre as duas cadeiras de laminação, obtendo-se, assim, uma maior redução de espessura relativa. Através do alto nível de temperatura podem ser atingidos também graus de conformação mais elevados, conseguindo-se uma microestrutura muito homogênea graças à recristalização, eliminando-se completa do material. Na Fig. 6 temos como exemplo um sistema de indução SMS Elotherm de 9MW com unidades retráteis cada uma de 4,5 MW de potência em um espaço físico de 600 mm apenas (Fig. 5).

Aquecimento por Indução em Laminadores a Frio “Steckel”

No processo de laminação contínuo, na secção dos laminadores tipo “Steckel” adequado para tiras finas < 1 mm, em que a velocidade é limitada a 8 metros/segundo, poderemos utilizar em alguns casos o aquecimento indutivo para compensar o alto nível de perda de temperatura, aplicando o mesmo por exemplo entre as últimas duas ou três cadeiras intermediárias de laminação.

A temperatura nesta secção originalmente está reduzida para algo ao redor de 700oC. Pela inclusão de módulos ou sistemas de indução intermediários entre as últimas cadeiras da linha, ou cadeiras de acabamento, poderemos atingir temperaturas de até 950oC,  a qual é recomendada para esta secção no processo de laminação, tanto para o fator metalúrgico do material como para o processo continuo. No exemplo foram instalados sistemas de indução SMS Elotherm com potência de 3,2 MW/cada, em um espaço físico de 550 mm, com indutores de fluxo transversal e atuação retrátil, possibilitando a inclusão e retirada automática dos mesmos na linha (Fig.6).

Resumo

O aquecimento por indução possui um elevado fator de potência e eficiência energética pela possibilidade de se aplicar elevados níveis de densidade/potência em espaços físicos bastante reduzidos ao longo do processo, permitindo, assim, serem integrados ou ainda adaptados em inovadoras e modernas linhas de laminação tipo “mini-mills” ou miniusinas.

As principais vantagens seriam:

• Aumento na vida útil do refratário dos fornos de reaquecimento e a não necessidade de refrigeração dos rolos dos mesmos;
• Sensível redução da emissão de CO2 para o meio ambiente devido à redução do consumo de combustíveis fósseis;
• Controle preciso da temperatura na entrada do laminador;
• Níveis de temperaturas elevados;
• Recristalização estrutural do material;
• Manutenção da temperatura na secção de acabamento para tiras finas.

Este novo conceito e aplicação para o aquecimento indutivo proporciona um aumento bastante interessante na qualidade do produto final e permite o produtor de perfis de aços planos e longos se tornar especialmente competitivo sob conceitos sustentáveis.

Para mais informações, contate: Bbadm. Eng. José Machado Junior, Diretor da SMS Elotherm Brasil; Telefone: (11) 4191-8181; e-mail: j.machado@sms-elotherm.com.br; www.sms-elotherm.com. Dipl.-Ing. Anis Abdurahman é Gerente de Vendas e Projetos da SMS Elotherm GmbH. Ele pode ser contatado em: a.abdurahman@sms-elotherm.de. Dipl.-Wirt.-Ing. Dirk M. Schibisch é Vice-Presidente de Vendas/Marketing da SMS Elotherm GmbH. Ele pode ser contatado em: d.schibisch@sms-elotherm.de.

Referências


[1]  Boletim Metec edição especial jun 2011;
[2] Desenvolvimento e avaliação de conceitos de reaquecimento indutivo no laminador a quente [Vogt: Elotherm; Master thesis 2011] Elotherm.

 

José Machado Jr.
José Machado Jr.
General Manager SMS Elotherm Brasil, Alameda Rio Negro 1030 cjto 803, tel: (11) 4191-8181; e-mail: j.machado@sms-elotherm.com.br.

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