OPERACIÓN DEL HORNO
ELÉCTRICO DE ARCO – CON
EJEMPLOS
Autor: Luis Ricardo Jaccard
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Introducción
• Ciertos temas relacionados con la operación de los hornos de
arco eléctrico son bastante conocidos pero, otros, especialmente
aquellos que se refieren a los efectos de los parámetros
eléctricos sobre los consumos (energía y electrodos) o sobre las
características del arco (estabilidad y longitud) son,
frecuentemente, motivo de malentendidos.
•
A veces se piensa que el regulador de las corrientes del horno
posee la capacidad de aumentar potencias, reducir consumos de
energía, modificar longitudes y/o estabilizar los arcos, cuando
esto en realidad es consecuencia única de los valores de tensión,
corriente y reactancia del circuito escogidos por los responsables
de la operación.
2
Parámetros eléctricos y consumos de energía
• Sin duda, elegir los parámetros de operación (tensión, corriente
y reactancia) correctos es fundamental para obtener la potencia
activa requerida y la productividad prevista, con arco estable
(factor de potencia adecuado) y con los menores consumos de
electrodos posibles, sin erosionar excesivamente las paredes y la
bóveda del horno, evitando sobrecargar el transformador y los
conductores o perturbar excesivamente la red eléctrica.
• Pero, salvo en casos extremos, los parámetros eléctricos de
operación tienen poca o ninguna influencia en la cantidad de
energía necesaria para producir una determinada cantidad de
acero.
3
Consumo de energía
El consumo de energía para producir una tonelada de acero depende del
tamaño del horno, del tipo de carga, de los tiempos de horno parado y
de horno operativo, de las pérdidas térmicas en el ambiente y en el
agua de enfriamiento de las paredes, de las pérdidas en la escoria, en
el pié liquido y en la refrigeración de electrodos y, depende, también,
de la temperatura de vaciado del acero, del rendimiento metálico y,
entre otros factores, de las pérdidas eléctricas en los conductores.
Balance de energía típico para un horno de 100 toneladas que opera
preponderantemente con chatarra cargada con dos cestos:
Energía de
entrada: 565 kWh/t
Energía útil: 380 kWh/t
Energía perdida en la escoria: 55 kWh/t
Pérdidas eléctricas en los conductores: 20 kWh/t
Pérdidas en los gases y cuba: 110 kWh/t
Energía total de salida: 565 kWh/t
4
Consumos de energía eléctrica y química
• En los hornos modernos, la energía es suministrada no sólo en la forma
eléctrica pero también en la química (oxígeno reaccionando con el
carbono).
• En el ejemplo anterior, el horno demandaba una cantidad de energía
de 565 kWh por tonelada de producto, pero esa energía podría ser
suministrada con diferentes proporciones de energía eléctrica y
química, por ejemplo:
Energía total
Energía química
Energía eléctrica
565
105
460
565
145
420
565
185
380
• Se trata del mismo horno consumiendo siempre la misma cantidad de
energía pero con diferentes porcentajes de energía química/total.
5
Pérdidas eléctricas
•
•
Las pérdidas eléctricas (I².r) son las que ocurren en los conductores del horno en
función de la circulación de corriente. Veamos cual es el efecto de estas pérdidas sobre
el consumo de energía para un horno que posee una resistencia de pérdidas de
0,4 mOhm, opera normalmente con 1200 V, 60 kA y factor de potencia 0,75. Se parte
de la premisa que, para el tipo de carga normal de este horno, el consumo de energía
es de 565 kWh/t, siendo 165 kWh/t correspondientes a energía química.
V
(V)
I
(kA)
P
(MW)
Potencia de
pérdidas e.
(MW)
Pérdida
eléctrica
(kWh/t)
Consumo
energia
(kWh/t)
Consumo
energia q.
(kWh/t)
Consumo
energía e.
(kWh/t)
1200
60
93,5
4,3
18,4
565,0
165
400,0
1200
50
77,9
3,0
15,6
562,2
165
397,2
700
60
54,5
4,3
31,6
578,2
165
413,2
Se observa que al reducir la corriente de 60 kA para 50 kA ocurre una muy pequeña
reducción del consumo de energía acompañada de una muy fuerte reducción de la
potencia activa (menor productividad). La reducción de la tensión de 1200 V para
700 V obviamente provoca una fuerte caída de la potencia con cierto aumento del
consumo de energía.
6
Análisis de los consumos de energía
•
•
•
•
•
•
El consumo de energía de un horno depende fuertemente del tipo de carga.
Cuando la chatarra es de baja densidad o el horno es de volumen reducido a veces es
necesario realizar la carga del horno con tres o cuatro cestos por colada. Para cargas
con más de dos cestos, a cada carga adicional, en un horno de 50 toneladas, el
consumo de energía aumenta en aproximadamente 25 kWh/t. Para nuestro ejemplo
original, si la carga fuera realizada en cuatro etapas el consumo de energía total
(eléctrica + química) podría aumentar para 615 kWh/t ( sería un poco menor para un
horno de 100 toneladas).
Normalmente los consumos de energía son referidos a las toneladas de producto y, si
el rendimiento metálico es muy bajo, el consumo específico aumenta. Si el horno
consumía 565 kWh por tonelada de producto con el rendimiento metálico de 89 %, el
consumo con una chatarra de menor densidad, que provoque un rendimiento de
83 %, aumentaría para 606kWh/t, aproximadamente.
También hay que considerar el efecto que una chatarra sucia puede provocar en la
energía perdida en la escoria, al obligar a utilizar mayor cantidad de cal.
Temperatura final del acero elevada es una causa obvia de mayor consumo.
Tiempos tap to tap elevados, especialmente cuando resultan de altos tiempos de
horno inoperante, son generalmente la principal causa de consumo excesivo.
7
Potencia ativa
• Si bien los valores de tensión, corriente y reactancia no provocan un
efecto significativo sobre el consumo de energía del horno, los mismos
son fundamentales para obtener la productividad deseada con arco
estable, bajos consumos de electrodos y normal agresión del arco a las
paredes.
• Para alcanzar una cierta producción de acero por hora, será necesaria una
determinada Potencia: P (kW) = Cee (kWh/t) x G(t) / Power On (h), donde
Cee es el consumo específico de energía eléctrica, G(t) es el peso de
producto por colada y Power On es el tiempo de horno operativo por
colada.
• Para un determinado proceso, como fue visto, el horno precisa de una
cierta cantidad total de energía que puede ser provista con mayor o
menor proporción de energía química. El tiempo de horno operativo será
siempre proporcional al consumo específico de energía eléctrica pero,
disminuirá cuando se aumente el consumo de energía química.
8
Tiempo Power On
• Ejemplo:
Tiempo Power On para horno de 100 toneladas, con consumo de
energía total de 565 kWh/t, diferentes consumos de energía química y
diferentes valores de potencia activa:
Energía Energía Energía
total
química eléctrica
(kWh/t) (kWh/t) (kWh/t)
Tiempo
Power On
para 80 MW
(minutos)
Tiempo
Power On
para 85 MW
(minutos)
Tiempo
Power On
para 90 MW
(minutos)
565
125
440
33,0
31,0
29,3
565
145
420
31,5
29,6
28,0
565
165
400
30,0
28,2
26,6
565
185
380
28,5
26,8
25,3
565
205
360
27,0
25,4
24,0
9
Tensión y longitud del arco
• La tensión de arco Va es igual a V x cos fi/1,73, donde V es la tensión entre
fases en vacío y cos fi es el coseno fi real en la barra infinita. Sea un horno que
opera con una potencia activa de 75 MW y un factor de potencia real de 0,75,
alimentado por un transformador de 100 MVA con 1300 V, 1100 V y 900 V:
Potencia (MW)
Tensión aplicada
(V)
Corriente
(kA)
Tensión de arco (V)
75
1300
44,4
563
75
1100
52,5
476
75
900
64,1
390
• Para estas tres alternativas la productividad va a ser prácticamente igual. La
principal diferencia es que con las tensiones más altas se opera con corrientes
más bajas (menores consumos de electrodos) y con longitudes de arco
(proporcionales a la tensión de arco) más altas (mayor agresión del arco a las
paredes).
10
•
•
•
Reactancia del circuito
Para mantener el factor de potencia real de 0,75 para las tres alternativas del ejemplo
anterior ciertamente tuvo que ser modificado el valor de la reactancia del circuito
para cada caso.
Del circuito equivalente del horno se puede deducir que el seno del ángulo  es
directamente proporcional al producto de la corriente y de la reactancia e
inversamente proporcional a la tensión aplicada: seno  = I . X . 1,73 / V. Para obtener
un factor de potencia de 0,75, el seno deberá ser igual a 0,66.Los valores reales
(considerado efecto de armónicas) de las reactancias para el ejemplo anterior serían
los siguientes:
Potencia (MW)
Tensión aplicada
(V)
Corriente
(kA)
Reactancia real
(mOhm)
75
1300
44,4
11,2
75
1100
52,5
8,0
75
900
64,1
5,3
Para obtener un determinado factor de potencia, al aumentar la tensión debe ser
aumentada la reactancia.
11
Reactancia operacional y estabilidad de arco
• La reactancia operacional (o real) Xop del circuito es superior a la
reactancia medida con onda sinusoidal X debido al efecto de las
armónicas. El factor Xop/X aumenta cuando aumenta el coseno fi. A
medida que se disminuye la corriente o la reactancia, el coseno fi
aumenta y la tensión de arco (Va cos fi) también aumenta. Pero, a partir
de cierto valor, una nueva disminución de corriente provoca un aumento
mayor de la reactancia del circuito, causando una disminución del coseno
fi real y, en consecuencia, de la tensión de arco. Ese punto de operación es
conocido como límite de estabilidad.
• Para el regulador conseguir mantener un cierto valor de corriente es
necesario que una disminución de corriente provoque un aumento de la
tensión de arco y, por lo tanto, para corrientes inferiores al límite de
estabilidad el regulador no consigue mantener el valor de corriente
previsto.
12
ARCO INESTABLE
Para tensión de 1000 V y reactancia de 6 mOhm
550
Electrodo
500
Tensão de arco (V)
Cuando una disminución de corriente provoca una
disminución de la tensión de arco (en lugar de un
aumento, como sería normal), el regulador no consigue
mantener la corriente constante, los electrodos suben y
bajan sin parar.
450
400
ZONA DE ARCO
INESTABLE
350
ZONA DE ARCO
ESTABLE
300
250
200
kA
150
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
Arco inestable
Explicación del gráfico anterior
Para disminuir la corriente es necesario aumentar la longitud del arco, subiendo los
electrodos. En condiciones normales, el aumento de la longitud del arco provoca
una disminución de la caída de tensión y, en consecuencia, la tensión de arco
aumenta. Tenemos entonces una condición estable, porque la longitud del arco fue
aumentada por el regulador y la tensión de arco aumentó en igual proporción por
efecto del circuito. Pero, cuando se intenta regular una corriente inferior a la
correspondiente al límite de estabilidad, la distancia entre los electrodos y la carga
es mayor que la necesaria para mantener el arco con la tensión disponible y ocurre
la extinción. Al cortarse la corriente, el regulador desciende los electrodos hasta
provocar una nueva ignición. Pero, la corriente resultante va a ser superior a la
prevista y el regulador sube de nuevo los electrodos hasta que una nueva extinción
ocurre. De esta forma, el electrodo se mantendrá subiendo y bajando sin parar. Este
fenómeno es conocido como “pumping”. En este caso existe una incompatibilidad
entre la tensión escogida y la corriente, que, además de disminuir mucho la
potencia activa, puede provocar vibraciones en los brazos y electrodos y
movimientos bruscos de los cables refrigerados.
14
Arco largo y arco inestable
• Es bastante común que se asocie un arco largo con un arco inestable. En
realidad, un arco puede tener una gran longitud y ser perfectamente
estable. La longitud del arco es definida por la tensión de arco pero la
estabilidad se define por el coseno fi sinusoidal que no puede ser superior a
un determinado valor (aproximadamente 0,85 para el período de
perforación, 0,88 para fusión y 0,90 para refino). Ejemplo para X = 6 mOhm,
perforación.
V
I (kA)
Cos fi sinus.
Cos fi real
Va
Condición arco
1200
65
0,826
0,670
464
Estable
1200
60
0,854
0,686
475
+/- estable
1200
55
0,879
0,695
481
Inestable
1200
50
0,901
0,699
484
Muy inestable
1200
45
0,921
0,698
483
Muy inestable
15
Arco largo y arco corto
• Evidentemente, definir un arco largo o un arco corto es una cuestión relativa.
De un punto de vista práctico se podría decir que para los hornos actuales de
gran capacidad, un arco de 250 mm es un arco corto, un arco de 450 mm es un
arco largo y uno de 650 mm es muy largo. En realidad, según fue visto, es
posible estabilizar arcos de cualquier longitud y actualmente las limitaciones
para aumentar más la longitud del arco son: el desgaste de las paredes y la
posibilidad de realizar una escoria espumosa de mayor altura.
• Sin embargo, en relación a este tópico también existen algunas confusiones.
Algunos fabricantes colocan en sus reguladores una opción de “arco corto” o
“arco largo” que en realidad corresponde a “más corriente” o “menos
corriente”. En realidad, como puede ser visto en la tabla anterior, una
disminución de la corriente provoca un aumento muy pequeño de la tensión de
arco y a partir de cierto punto desestabiliza el arco. El principal efecto de la
reducción de corriente es la caída de potencia y, por tanto, de la productividad.
16
Consumo de electrodos
El consumo de electrodos (kg/t), para igual consumo de energía eléctrica
(kWh/t), es proporcional a la relación entre la corriente y la tensión del arco I/Va
(consumo de punta) y a una relación un poco más compleja que corresponde al
consumo por oxidación pero que básicamente muestra una dependencia con
(H x D/I²), donde H x D es la superficie de oxidación del electrodo (H es la altura
de oxidación y D es el diámetro del electrodo). Con base en la fórmula se
concluye que el consumo de electrodos es inversamente proporcional a la
tensión de arco, siempre y cuando el diámetro del electrodo se adapte a la
corriente (al disminuir corriente, disminuir diámetro de electrodos). No siempre
una reducción de la corriente provoca una disminución del consumo de
electrodos porque cuando la corriente es demasiado baja en relación al diámetro
de los electrodos una reducción de corriente provoca un aumento del consumo
por oxidación superior a la reducción del consumo de punta. Este efecto se
agudiza todavía más cuando la corriente cae abajo del límite de estabilidad (ver
figura).
17
Consumo de electrodos
18
Consumo de electrodos
Consumo de electrodos (kg/t), para 700 V y 1100 V, reactancia 4 mOhm,
electrodos 600 mm, consumo de energía eléctrica 415 kWh/t
5.2
4.9
4.7
4.4
Horno de baja impedancia
4.2
3.9
3.7
kg/t
3.4
3.2
2.9
700 V
2.7
43 MW
2.4
1100 V
2.2
1.9
95 MW
1.7
1.4
1.2
0.9
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
Corriente (kA)
19
Flicker y distorsión armónica
En forma resumida, sin entrar profundamente en este importante tema,
podemos decir que los niveles de flicker (parpadeo de la iluminación) y
de distorsión armónica son proporcionales a la potencia de cortocircuito
Scf del horno (potencia reactiva cuando los electrodos entran en
contacto directo con la carga metálica). Del punto de vista operacional lo
que puede ser realizado para disminuir en aproximadamente 20 % los
niveles de perturbación (flicker y armónicas), sin disminuir la potencia
activa, es operar con bajo factor de potencia real (aproximadamente
0,63/0,65), porque con esta condición se obtiene una menor relación
Scf/P, además de un arco más estable (ver figura).
20
Flicker
"Potencia de cortocircuito / potencia de cortocircuito máxima", para
igual potencia activa, en función del factor de potencia real - Fusión
1.05
1.00
0.95
0.90
Flicker
mínimo
0.85
0.80
0.75
0.36
0.39
0.42
0.45
0.48
0.51
0.54
0.57
0.60
0.63
0.66
0.69
0.72
0.75
0.78
0.81
Factor de potencia real
21
Resumen
• Para obtener la máxima productividad (t/h) es necesario operar con el
máximo valor de potencia activa que sea compatible con las
dimensiones del horno y con las características del transformador y del
circuito de alimentación.
• La potencia activa es igual al producto “tensión de arco x corriente”.
Para determinada potencia activa, cuanto más alta sea la tensión de
arco, mayor será la agresión del arco a las paredes y, en general, menor
será el consumo de electrodos.
• El tiempo de horno operativo (Power On) será proporcional al consumo
específico de energía eléctrica e inversamente proporcional a la
potencia activa.
• Una mayor proporción de energía química reduce el consumo de
energía eléctrica e indirectamente reduce el tiempo Power On.
22
Resumen
• Hornos grandes operados en condiciones normales, con bajos tiempos
de paradas, carga de densidad adecuada que permita bajo número de
cargas e alto rendimiento metálico (0,89/0,90), carga limpia que reduzca
la cantidad de escoria y, temperatura de vaciado de 1620/1640 ºC,
normalmente necesitan de una cantidad de energía específica de
aproximadamente 545 a 565 kWh por tonelada de producto
(palanquillas) o 485 a 508 kWh por tonelada de carga metálica.
• Una parte de la energía suministrada es de origen químico. El consumo
específico de energía eléctrica depende de la cantidad de energía
química provista. Si determinado horno opera con consumo de energía
de 565 kWh/t y son suministrados 165 kWh/t de energía química, el
consumo de energía eléctrica será de 565 – 165 = 400 kWh/t. Es común
que en las acerías se establezcan metas de consumos de energía
eléctrica, cuando, en realidad, el objetivo debería ser buscar el mínimo
consumo de energía total (eléctrica + química).
23
Resumen
• Para que el regulador consiga mantener un arco estable, el circuito
eléctrico debe poseer un cierto valor de reactancia que dependerá de la
tensión y de la corriente utilizadas (seno fi sinusoidal = I . X . 1,73 / V
debe ser suficientemente elevado como para que el coseno fi sinusoidal
no sea superior a determinado valor, por ejemplo, 0,85 para el período
de perforación).
• La estabilidad del arco no tiene ninguna relación con la longitud del
arco, que depende sólo de la tensión de arco. Un arco puede ser de gran
longitud y ser estable, desde que haya una adecuada relación tensión,
corriente y reactancia.
• A veces se da a entender que un arco largo corresponde a la operación
con baja corriente. En realidad, la disminución de la corriente provoca
un pequeño aumento de la tensión de arco y a partir de un cierto punto
causa arco inestable.
24
Resumen
• Para operar con una determinada potencia activa y los menores niveles
de perturbación de la red eléctrica (flicker y armónicas) es conveniente
operar con bajos factores de potencia reales (0,60 a 0,65) pero para esto
se necesita un transformador con mayor potencia aparente (MVA).
• Los parámetros eléctricos de operación (tensión, corriente, potencia,
tensión de arco), en general no tienen gran influencia sobre los
consumos específicos de energía. La excepción son casos extremos,
como la operación abajo del límite de estabilidad (reactancia o corriente
demasiado bajas para la tensión del transformador) o la operación con
tensiones demasiado bajas y corrientes demasiado altas (elevadas
pérdidas eléctricas).
Muchas Gracias
25
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Operación de los hornos eléctricos de arco – Con ejemplos