A História
A tecnologia de Forno Elétrico a Arco (EAF) antecede o ano de 1970, em sua maioria consistindo de sistemas não refrigerados por água, porém projetados com revestimento de chapas de aço. Com o crescimento da eficiência do processo EAF, dutos refrigerados por água foram introduzidos pois o reparo dos feixes de dutos era caro e as chapas de aço de revestimento desgastavam em taxas elevadas. Sistemas de tubos refrigerados por água rapidamente tornaram-se mais econômicos do que o predecessor revestimento refratário por chapas de aço. Com o passar do tempo, as cargas de processo em EAF continuaram a crescer e até mesmo dutos com placas refrigeradas não provinham suficiente troca térmica. A geração seguinte de sistemas EAF foram projetados com painéis de tubos de água, em uso atualmente. Dutos construídos com painéis de tubos de água são muito mais eficientes na condução térmica do que sistemas de chapas pois o fluxo de água é mais rápido e mais distribuído.
Durante a década de 1990, a utilização de sistemas de energia química com queimadores entrou rapidamente em uso comum. Sistemas de energia química aumentaram drasticamente a eficiência do EAF e reduziram o tempo entre as fundições por decorrência. O resultado, entretanto, foi a redução da vida dos painéis de tubos de água. A vida dos painéis de tubos de água, particularmente nas seções entre o teto do EAF e saída da câmara de combustão não foram medidas durante anos. A indústria chegou a um ponto em que o calor excessivo atingiu um nível em que mesmo o aço carbono não era mais o material adequado para a construção de dutos refrigerados. Isto tornou-se um desafio pois a alta vazão de água ficou insuficiente para uma troca térmica aceitável e suficiente para o resfriamento da seção de dutos.
Verificações Operacionais
A indústria chegou a um ponto na tecnologia de processo EAF em que para aumentar-se a vida útil de sistemas refrigerados era requerida uma significativa evolução na taxa de troca térmica e materiais aprimorados tornaram-se necessários para permitirem a operação em temperaturas de metal mais elevadas. Para esse efeito, os projetistas de sistemas refrigerados experimentaram materiais diferentes de tubulações de P22 (Cr-Mo), aço inoxidável, bronze-alumínio até outras formas de revestimento e refrigeração por spray.
Almejando o objetivo da confiabilidade operacional de alguns anos, nenhum dos métodos aplicados foram suficientes para fazer com que os sistemas refrigerados operassem consistentemente ou atingissem os resultados desejados. Os proprietários avaliaram vários materiais ensaiando uma grande variedade de resultados desde materiais de alto custo com retorno inaceitável sobre o investimento, redução de vida útil, até falhas nas aplicações.
Mecanismos de Falhas
Trincas por Fadiga Térmica ocorrem porque os gases expostos à superfície das paredes dos tubos ou das chapas apresentam temperaturas superiores ao lado frio dos tubos. Esta variação de temperatura é cíclica de acordo com o modo de operação de sistemas EAF resultando em baixos ciclos de troca de térmica os quais eventualmente produzem trincas por fadiga térmica. Ademais, redução da espessura de parede ocorre porque os painéis de tubos de água são expostos a temperaturas em que os gases se tornam corrosivos causando corrosão.
Por estas superfícies também serem expostas a vazões de particulados médias para altas, a camada de oxidação é erodida pelas partículas que se destacam do novo metal para formarem uma camada de oxidação. As camadas oxidadas são facilmente erodidas por serem pouco resistentes e por terem baixa tenacidade em sua aderência com o metal base. Historicamente, nesta indústria, a resposta para esse problema tem sido a adoção de tubos mais espessos para prover uma tolerância de corrosão maior para esse problema de erosão-corrosão, porém na maioria dos casos isto simplesmente leva a temperaturas no metal mais altas na superfície dos tubos o que acelera o mecanismo de erosão-corrosão. Finalmente, nas áreas em que a temperatura do ciclo operacional é suficientemente baixa, pode-se encontrar condensação de sais bem como de água. Frequentemente nestas regiões pode ocorrer uma acelerada perda de espessura das paredes pela erosão-corrosão. Em alguns casos, a combinação de água e contaminantes de processo pode gerar um ambiente que resultará em corrosão por pit nas paredes durante períodos não operativos. Condensação é tipicamente observada quando o ar ambiente é mais quente do que a água em circulação na tubulação. O efeito de condensação pode também ocorrer quando o teto é deslocado da fornalha para carregamento ou manutenção. Durante esse tempo, o sistema é envolto em ar ambiente quente. Quanto maior o período o sistema estiver absorvendo ar quente, tanto maior será a propensão de criar um ambiente corrosivo se o sistema de resfriamento por água estiver à temperatura mais baixa. Historicamente, a resposta para esse problema tem sido a instalação de tubos mais espessos, porém na maioria dos casos isto simplesmente leva a temperaturas no metal mais altas na superfície dos tubos o que acelera o mecanismo de erosão-corrosão.
Alternativa de Sucesso para Extensão de Vida para Dutos e Coifas
A tecnologia Unifuse® foi patenteada pela WSI resultando em um processo de fabricação de tubos bimetálicos usando um processo de solda automatizado de fusão total. Os parâmetros de soldagem do revestimento são controlados através de automação e projetados para criar uma extremamente baixa energia de soldagem (heat input) para minimizar a diluição de solda e espessura da zona afetada pelo calor (ZAC). Os tubos produzidos são bastante dúcteis o que permite que o construtor execute curvas e dobras necessárias para atender a configuração de projeto do componente.
Unifuse® 180 e Unifuse® 360 para Aplicações em EAF
Com o foco em mecanismos de falha primários incluindo perda de espessura de parede causada por erosão-corrosão, e trincas por fadiga térmica ocasionadas por processos cíclicos de operação utilizados em plantas com EAF, uma forma de mitigação de sucesso é requerido para todos. A adição metalúrgica de uma liga 625, realizada pelo processo de soldagem de revestimento patenteado e comprovado da WSI provê um remédio excelente para os modos de falhas típicos em sistemas refrigerados de dutos de EAF e coifas de BOF. Como resultado, o Revestimento por Soldagem Unifuse® com liga 625 está modificando o paradigma de como a indústria verá dutos refrigerados de EAF e coifas refrigeradas de sistemas BOF tornando-os permanentes como ocorre com vários outros componentes de EAF, ou BOF, os quais tem suas vidas úteis medidas em décadas e não meramente em alguns anos ou até mesmo em meses somente. Estes baixos custos operacionais de manutenção não usuais relativos à longos períodos de vida útil fazem com que as coifas de BOF e dutos de EAF produzidas pelo processo patenteado Unifuse® de Soldagem de Revestimento da WSI com liga 625 sejam as soluções de custo mais reduzido em comparação com substituição de equipamentos. Considerando a eliminação de parada não programada por falha prematura ou reparo inesperado, adicionado ao ganho de tempo em paradas programadas na substituição de dutos refrigerados de aço carbono ou versões em dutos de bronze-alumínio, o custo operacional é ainda mais reduzido fazendo com que o processo patenteado de Revestimento por Soldagem Unifuse® da WSI seja o menor custo de propriedade de sistemas de dutos refrigerados de EAF ou coifas refrigeradas de BOF.
WSI – Líder Mundial em Soluções de Extensão de Vida
Se a fornalha necessita ser reparada emergencialmente ou durante uma parada programada, a WSI tem uma liderança inovadora incomparável baseada em resultados comprovados em fornalhas e caldeiras por mais de 40 anos. WSI possui o maior portfólio de projetos de Extensão de Vida e procedimentos qualificados para atender desafios específicos e únicos. Descubra mais sobre nossas várias soluções de Extensão de Vida e tecnologias baseadas em engenharia em WSI.
[1] American Society of Mechanical Engineers, Boiler & Pressure Vessel Code, Section I, “Rules For Construction of Power Boilers”, ASME, New York, 2017.
[2] Industrial Technical Report, “Unifuse™ Weld Overlay: A Proven BOF Hood Reliability/Maintenance Improvement Program”, Suwanee GA. 2000.
[3] G. Lai, Unpublished information, Welding Services Inc
[4] G. Lai, Technical Report, “Superalloys & Innovative Surface Protection Technologies for Life Extension of BOF Hoods”
