I. Antecedentes do Projeto e Especificações do Equipamento

Este estudo de caso envolve um forno de fusão por indução de frequência média, modelo WDL-KGPS-500, com capacidade nominal de 0,5 toneladas e capacidade máxima de 0,6 toneladas, projetado para aplicações de fusão de alumínio. O equipamento emprega aquecimento por indução de frequência média e é equipado com um sistema de inclinação hidráulica para descarga de alumínio fundido.

A característica de configuração mais notável deste equipamento é o seu esquema de compatibilidade com a rede elétrica: o lado da fonte de alimentação é alimentado a 440V/3P/60Hz, enquanto a tensão de entrada da fonte de alimentação de frequência média é especificada em 380V. Isso significa que o equipamento é destinado a regiões de rede de 60Hz (como Coreia do Sul, partes da América Central e do Sul e Oriente Médio), exigindo um transformador ou unidade de adaptação de tensão, interna ou externa ao gabinete da fonte de alimentação, para reduzir a tensão da rede de 440V para 380V antes de alimentar a fonte de alimentação de frequência média. Essa dupla adaptação de tensão e frequência é um parâmetro que deve ser confirmado antecipadamente durante a fase de projeto elétrico para projetos de exportação.

II. Sistema de Fonte de Alimentação de Frequência Média KGPS

O sistema de fonte de alimentação adota a fonte de alimentação de frequência média baseada em tiristores KGPS, com potência nominal de 400 kW, tensão de saída de frequência média de 2400 volts e frequência de saída de 1000 Hz. O fator de potência excede 0,9 e a taxa de sucesso de partida é de 100%. A seção retificadora é uma ponte trifásica totalmente controlada com uma estrutura retificadora trifásica de seis pulsos e um inversor conectado em paralelo.

O circuito de controle emprega uma arquitetura de placa de circuito digital de oitava geração, apresentando adaptabilidade de ampla faixa de frequência, controle de potência constante, partida suave por varredura de frequência sem pressão e feedback de tensão-corrente de malha dupla. A partida por varredura de frequência sem pressão significa que o sistema escaneia automaticamente as frequências durante a partida, estabelecendo oscilação de frequência média ao encontrar o ponto de ressonância da carga – evitando a sensibilidade às variações de parâmetros de carga inerentes aos métodos de partida de excitação separada.

O sistema de proteção abrange condições de sobrecorrente, sobretensão, subcorrente, subtensão, perda de água e perda de fase. Quando qualquer parâmetro de proteção excede o limite definido, o sistema bloqueia automaticamente a saída de pulso e desconecta a energia do circuito principal. O painel do gabinete da fonte de alimentação inclui leituras completas de tensão, corrente e potência, juntamente com indicadores de status de operação.

O gabinete do capacitor fornece compensação paralela de frequência média, reduzindo as perdas de transmissão de potência reativa nas linhas de distribuição. A capacidade do banco de capacitores é dimensionada para a frequência de ressonância da bobina de indução, garantindo operação próxima ao ponto de ressonância sob condições nominais.

III. Projeto da Bobina de Indução e Blindagem do Yoke Magnético

A bobina de indução é o componente central de conversão de energia, construída em cobre T2/TU1 com espessura de parede de 4 mm. Quando energizada, a bobina gera um campo magnético alternado de 1000 Hz que induz correntes parasitas na carga metálica dentro da fornalha, gerando calor. O projeto da bobina é baseado em princípios de campo eletromagnético e verificado através de software de computador dedicado, com o desvio entre a potência operacional real e a potência de projeto controlado em até 5%.

O isolamento entre espiras é processado usando técnicas avançadas de isolamento, com tecnologia de fixação dedicada reduzindo a vibração axial da bobina. A parede interna da bobina é pulverizada com materiais isolantes importados resistentes a altas temperaturas, e um sistema de alarme de vazamento da fornalha é instalado – quando o alumínio fundido vaza para a camada da bobina, o sistema o detecta precocemente e sinaliza a condição, prevenindo incidentes de ruptura da fornalha. Um revestimento refratário de 10 a 15 mm de espessura é aplicado à superfície interna da bobina, servindo tanto para facilitar a construção do revestimento da fornalha quanto para prevenir a deformação térmica do revestimento.

Os yokes magnéticos são de construção em perfil crescente, laminados a partir de chapas de aço silício laminado a frio e fixados com talas de aço inoxidável. A superfície de contato entre o yoke e a superfície externa da bobina é curva, proporcionando contato superficial em vez de contato linear, alcançando melhor eficiência de fixação e reduzindo o vazamento de fluxo magnético. As chapas de aço silício são reforçadas com talas dedicadas em vez de parafusos passantes, maximizando a área magnética efetiva e reduzindo o aquecimento localizado. Os yokes magnéticos blindam simultaneamente o vazamento de fluxo magnético, previnem o aquecimento do corpo da fornalha e suportam e fixam a bobina de indução.

IV. Sistema de Inclinação Hidráulica

A inclinação da fornalha é acionada por um sistema hidráulico com dois cilindros dispostos em ambos os lados do corpo da fornalha para elevação, com o retorno da fornalha realizado por gravidade. A estação hidráulica é equipada com motores duplos e bombas duplas – uma em serviço e uma em espera, com capacidade de comutação automática. O tanque de combustível é totalmente fechado e soldado para evitar vazamento de óleo hidráulico.

A faixa de ângulo de inclinação é de 0 a 95 graus, com operação suave sem choques ou rastejamento, velocidade ajustável e capacidade de manter em qualquer posição. A operação de inclinação é controlada por válvulas manuais, adequada para processos de fundição que exigem controle preciso do volume de vazamento de alumínio fundido.

V. Molde do Cadinho e Formação do Revestimento

Um detalhe de configuração deste equipamento é que ele fornece um molde de cadinho em vez de um cadinho de grafite acabado. O molde do cadinho é formado a partir de chapa de ferro de 3 mm e é usado para controlar a forma e o posicionamento do volume do revestimento refratário durante a formação. O usuário deve selecionar o material de revestimento e o método de compactação/sinterização de acordo com o metal específico a ser fundido e o processo de fundição – uma diferença no nível de operação do usuário em comparação com soluções que fornecem diretamente cadinhos de grafite acabados. A função de posicionamento do molde do cadinho garante a consistência dimensional da cavidade do revestimento, mantendo assim a distância de acoplamento entre a fornalha e a bobina de indução estável dentro da faixa de projeto.

VI. Sistema de Resfriamento a Água e Cabos de Resfriamento

Os cabos refrigerados a água são construídos com fio de cobre sem oxigênio de múltiplos fios TU1, revestidos em tubo de borracha resistente a fogo de alta resistência, com conectores formados a frio garantindo resistência de contato e resistência à tração. O lado da fonte de alimentação requer uma vazão de água de resfriamento de no mínimo 8 m³/h, enquanto o lado do corpo da fornalha requer no mínimo 12 m³/h. A temperatura da água de saída no lado da fonte de alimentação não deve exceder 35°C, e no lado do corpo da fornalha não deve exceder 45°C, com a pressão da água de entrada mantida entre 0,15 e 0,35 MPa.

O sistema de resfriamento a água emprega um método de resfriamento circulante totalmente fechado usando água desmineralizada como meio circulante. A principal vantagem da circulação de água desmineralizada reside em evitar danos por superaquecimento à fonte de alimentação, tiristores, capacitores, módulos IGBT e bobina de indução causados por deposição de incrustações; além disso, a água desmineralizada não contém componentes condutores iônicos, portanto, os componentes de resfriamento não serão danificados por eletrólise. O sistema não requer tanque de água ou torre de resfriamento, ocupa espaço mínimo e tem baixo consumo de água de reposição.

O sistema de resfriamento é composto por três partes: máquina principal, tanque de água e caixa de controle. A máquina principal inclui o invólucro, o resfriador de cobre, o sistema de exaustão, o sistema de pulverização, o separador de água, o anel coletor e a bomba de pulverização. O tanque de água inclui a bomba principal (uma em serviço, uma em espera), tanque de água de aço inoxidável, gabinete elétrico, sistema de controle de temperatura e sistema de controle de pressão. A caixa de controle permite a operação remota do sistema de resfriamento a água, exibindo a temperatura da água e permitindo a configuração de operação atrasada após o horário de trabalho.