Na siderurgia, a etapa de fusão de um forno elétrico a arco é o período em que a energia é mais concentrada. Ela desempenha um papel decisivo na eficiência da fusão, no consumo de energia e no desempenho geral do forno. As características da transferência de calor nesta etapa estão intimamente relacionadas às condições de carga, à cobertura do arco e à temperatura do refratário.
1. Estágio Inicial: Arco Coberto por Sucata
Quando a sucata de aço é carregada no forno, os eletrodos formam um arco acima da carga sólida e próximo ao teto do forno, irradiando calor intenso. Se a sucata for disposta e distribuída corretamente, os eletrodos penetram rapidamente na carga, cobrindo o arco com ela.
Nesta fase, a carga absorve diretamente a energia radiante do arco, com troca de calor mínima envolvendo o revestimento do forno. Isso permite que o forno opere com a máxima tensão e potência do arco, enquanto os queimadores auxiliares operam em plena capacidade para acelerar o aquecimento e a fusão.
2. Estágios intermediários e finais: exposição do arco e envolvimento do revestimento
À medida que a sucata derrete, o arco fica exposto ao banho fundido, e o revestimento do forno começa a participar da troca de calor. As zonas de menor temperatura do banho fundido são aquecidas principalmente pela radiação do revestimento.
Como o ângulo entre a parede do forno e o banho é ligeiramente superior a 90°, e o teto do forno é quase paralelo à superfície do banho, o teto desempenha um papel fundamental no aquecimento do banho.
A distribuição de potência do arco pode ser expressa como:
P_arco = P_útil + P_perda + P_armazenamento
P_útil – Energia que aquece a escória e o aço fundido, incluindo radiação de arco direta e radiação refletida do revestimento;
P_perda – Calor perdido através do revestimento e outras vias;
P_armazenamento – Energia absorvida pelo revestimento, elevando sua temperatura.
3. Influência das mudanças de temperatura na transferência de calor
No início da fase de fusão, a grande diferença de temperatura entre o banho fundido e o revestimento permite uma transferência significativa de calor radiante. No entanto, à medida que a temperatura do banho aumenta:
P_útil diminui;
P_perda e P_armazenamento aumentam;
O consumo de energia aumenta e a temperatura do revestimento também.
Quando a temperatura do revestimento se aproxima do limite refratário, ocorrem danos, especialmente no teto do forno.
4. Estratégias de economia de energia e proteção de revestimentos
Para reduzir a perda de calor, diminuir o consumo de energia e prolongar a vida útil do revestimento e do teto do forno, a potência do arco deve ser gradualmente reduzida à medida que a temperatura do banho fundido aumenta.
Na fabricação de aço, os pontos fracos no revestimento geralmente aparecem quando cerca de 70% da sucata é derretida, levando a condições de “queima” causadas pelos fatores de transferência de calor mencionados acima.
