Análisis en profundidad de los equipos mecánicos del horno de arco eléctrico: carcasa, techo, inclinación y desescoriado.
La mayoría de las conversaciones sobre la tecnología de hornos de arco eléctrico se centran en los sistemas eléctricos y el control de procesos. Sin embargo, la parte mecánica —la carcasa, el techo, el mástil de electrodos, el sistema de inclinación, el desnatador de escoria y el orificio de colada— es igualmente crucial, y las decisiones de diseño que se tomen en esta área determinarán el comportamiento del horno durante los próximos 15 a 20 años. En este artículo, analizaré cada elemento mecánico principal, incluyendo las decisiones de diseño que han demostrado su eficacia en las instalaciones de hornos de arco eléctrico de MONTE INTELLIGENCE en tres continentes.
Diseño de la carcasa del horno
La carcasa del horno es la columna vertebral estructural de todo el horno de arco eléctrico (EAF). Una carcasa de EAF de 100 toneladas pesa entre 180 y 250 toneladas vacía, contiene un revestimiento refractario de entre 35 y 50 toneladas y alberga un baño de 100 toneladas de acero fundido a 1600 grados Celsius. La carcasa debe soportar ciclos térmicos entre 50 grados Celsius (vacía, sin el revestimiento refractario) y 1600 grados Celsius (durante el funcionamiento) sin sufrir deformaciones permanentes.
Las modernas carcasas de los hornos de arco eléctrico (EAF) están fabricadas en acero al carbono soldado, generalmente ASTM A36 o A516 Grado 70, con espesores que varían desde 40 mm en el cono superior hasta 60-80 mm en la línea de escoria. El cono inferior y el hogar están reforzados con placas de refuerzo de gran espesor. La carcasa descansa sobre un anillo pivotante basculante, que transfiere todas las cargas verticales y horizontales a la base durante las operaciones de inclinación.
Las carcasas MONTE INTELLIGENCE están diseñadas mediante análisis de elementos finitos para determinar la tensión térmica y la deflexión estructural. El límite de deflexión es de 5 mm en la línea de escoria bajo carga operativa máxima. Una carcasa que se deflexione más allá de este límite provocará el agrietamiento prematuro del revestimiento refractario. Hemos observado carcasas con 30 años de antigüedad en servicio que aún cumplen con este criterio, ya que fueron fabricadas con tolerancias más estrictas que el promedio de la industria.
Diseño del techo y mecanismo de elevación
El techo del horno de arco eléctrico (EAF) es una cúpula refractaria sostenida por un anillo de acero. Los techos modernos utilizan ladrillos refractarios con un 70 a 75 por ciento de alúmina, con material de compactación de alta alúmina alrededor de los orificios de los electrodos. La temperatura del techo en la cara caliente oscila entre 1500 y 1700 grados Celsius durante el funcionamiento a plena potencia.
El techo debe elevarse y girar hacia un lado en cada ciclo de carga de los cubos. Predominan tres diseños de elevadores de techo: el de voladizo (el más común en hornos pequeños), el de elevación paralela con techo deslizante (para hornos medianos y grandes) y el de pórtico (para hornos muy grandes). Cada diseño presenta ventajas e inconvenientes en cuanto al tiempo de ciclo, la complejidad mecánica y el acceso para el mantenimiento.
MONTE INTELLIGENCE suele especificar el diseño de voladizo para hornos de hasta 80 toneladas y el techo corredizo de elevación paralela para hornos de más de 80 toneladas. El diseño de voladizo es más rápido (de 15 a 20 segundos para la elevación y apertura), pero requiere mayor espacio libre vertical sobre el horno. El diseño de techo corredizo es más compacto y soporta secciones de techo más pesadas, pero añade de 5 a 10 segundos al ciclo.
Mástil de electrodos y sistema de sujeción
Los mástiles de los electrodos sostienen los electrodos de grafito y los brazos de los electrodos, y regulan la longitud del arco mediante movimiento vertical. La velocidad de regulación es fundamental: un horno de ultra alta presión (UHP) necesita un desplazamiento vertical de 5 a 10 metros por minuto para compensar los rápidos cambios de nivel del baño durante los derrumbes de chatarra.
Los sistemas de accionamiento del mástil han evolucionado desde cilindros hidráulicos hasta motores de CA servocontrolados con husillos de bolas. El sistema servo proporciona una respuesta más rápida, mayor precisión de posicionamiento y una integración más sencilla con el regulador de arco basado en modelos. La sujeción del electrodo suele ser neumática, con una abrazadera de seguridad accionada por resorte, lo que permite un deslizamiento rápido del electrodo en caso de emergencia.
Mecanismo de inclinación
El mecanismo de inclinación es la pieza móvil que recibe mayor atención durante el mantenimiento programado. Un horno se inclina de 12 a 15 grados hacia adelante para el vaciado y de 5 a 8 grados hacia atrás para el desnatado de la escoria. La inclinación debe ser suave, controlable y reversible dentro del tiempo de ciclo previsto.
Existen dos sistemas de accionamiento de inclinación comunes: cilindros hidráulicos (diseños antiguos) y cremallera y piñón accionados por motor de CA (diseños más recientes). La cremallera y el piñón son más fiables en entornos de alta temperatura y evitan los riesgos de fugas propios de los sistemas hidráulicos. MONTE INTELLIGENCE especifica sistemas de inclinación con cremallera y piñón para todas las nuevas instalaciones de más de 60 toneladas.
El mecanismo de inclinación se apoya en el anillo pivotante, una robusta pieza forjada de acero montada sobre la plataforma del horno. En los hornos de mayor tamaño, los cojinetes del pivote se refrigeran con agua para evitar el sobrecalentamiento por la radiación de la carcasa. La retroalimentación de la posición de inclinación se proporciona mediante codificadores absolutos redundantes, con enclavamientos de seguridad que detienen la inclinación en los puntos de ajuste de la toma y la extracción.
Sistema de orificio de grifo inferior excéntrico (EBT)
Los diseños modernos de hornos de arco eléctrico (EAF) utilizan sistemas EBT porque permiten verter el 95 % o más del acero con una mínima cantidad de escoria. El orificio de colada del EBT se ubica en la pared lateral inferior, ligeramente desplazado del eje central del baño. Este orificio se llena con un material de compactación de arena entre coladas y se abre con una lanza de oxígeno al momento de la colada.
El apisonado de arena EBT está automatizado en la mayoría de los hornos de arco eléctrico modernos. Una máquina apisonadora posiciona el orificio de colada, compacta la arena a una presión de 4 a 6 bares y da forma al perfil del orificio. El ciclo de apisonado dura de 60 a 90 segundos. La vida útil del orificio de colada depende de la composición química del baño y de la temperatura de colada, pero la vida útil típica de un orificio de colada EBT es de 200 a 400 coladas antes de su reacondicionamiento.
Sistema de desnatado de escoria
El desnatado de escoria elimina la capa de escoria oxidada después del vaciado para limpiar el baño para la siguiente colada y recuperar la escoria con contenido de hierro para su reciclaje. La escoria puede representar entre el 12 y el 18 por ciento del peso del vaciado, y una buena operación de desnatado recupera entre el 80 y el 90 por ciento de esa cantidad como escoria comercializable o como materia prima para la sinterización.
Predominan dos sistemas de recogida de escoria: el de puerta (una puerta abatible en la pared lateral del horno que se abre para verter la escoria) y el de crisol (un crisol móvil situado fuera del horno para recoger la escoria cuando este se inclina hacia atrás). El crisol es más eficiente y es el estándar en la mayoría de los hornos de arco eléctrico modernos de más de 60 toneladas.
Paneles refrigerados por agua y lanza de quemador/oxígeno
En un horno de arco eléctrico moderno, los paneles refrigerados por agua cubren entre el 70 y el 90 por ciento de la línea de escoria, mientras que el resto permanece refractario. El flujo de agua de refrigeración de los paneles es fundamental: un flujo insuficiente provoca la perforación de los paneles, mientras que un flujo excesivo supone un desperdicio de energía.
La lanza de oxígeno suele ser supersónica, refrigerada por agua, con una velocidad de salida de Mach 1,5 a 3,0. La lanza inyecta oxígeno para la descarburación, carbono para la escoria espumosa y cal para el acondicionamiento de la escoria. Los diseños modernos de hornos de arco eléctrico utilizan dos o tres lanzas a través de la puerta de escoria o la pared lateral, con posicionamiento automatizado para optimizar el punto de impacto en el baño.
Cómo armarlo
El diseño mecánico de un horno de arco eléctrico (EAF) determina su disponibilidad, su productividad y su costo operativo. Un EAF de 100 toneladas bien diseñado puede realizar entre 8000 y 9000 ciclos de cocción al año entre revisiones generales. Un horno mal diseñado apenas alcanzará los 5000 ciclos. La diferencia no radica en los sistemas eléctricos ni en los controles, ya que estos son sistemas maduros y probados. La diferencia reside en la carcasa, la inclinación, el techo y el orificio de colada.
MONTE INTELLIGENCE ha dedicado 20 años a perfeccionar estos elementos mecánicos. Visitewww.cnlymonte.com/products-electric-arc-furnace.html Para ver fotos de la instalación y la lista de referencias, o para una conversación confidencial sobre su próximo proyecto de horno de arco eléctrico (EAF), envíe un correo electrónico a helenxu@cnlymonte.com con el asunto «Diseño mecánico de EAF».
