Parámetros Eléctricos de Operación del horno de Arco
El circuito equivalente del horno de arco es muy simple:
X es la reactancia del circuito, V es la tensión en vacío, Va es la tensión de arco e I es la corriente. El arco es resistivo, por tanto, la corriente está en fase con la tensión de arco. La tensión de arco es definida por la longitud del arco. Las principales correlaciones entre los parámetros son ( para un circuito monofásico ):
Va = V x cos fi
I = V x sen fi / X
X = V x sen fi / I
cos fi = cos(asen fi ) = cos(asen(I x X / V ))
P = Va x I = V x I x cos fi = V2 x cos fi x sen fi / X
Puede ser incluida la resistencia de pérdidas del circuito para calcular el rendimiento eléctrico del horno.
Una pequeña complicación es el hecho de la reactancia del circuito variar en función de la etapa de operación y del coseno fi. Por ese motivo, para hacer los cálculos de los parámetros operacionales del horno generalmente es necesario partir de un determinado coseno fi y, para cada etapa de operación, afectar a la reactancia del correspondiente factor operacional (que puede variar entre 1,05 e 1,45 aproximadamente).
Productividad y consumo de energia del horno de arco
Para producir una tonelada de acero es necesaria una cantidad de energía que depende del tipo de carga metálica, del tipo de producto, de la temperatura final, del tipo y cantidad de escoria y de otros factores. Si el horno es mal operado, con elevados tiempos de paradas, con frecuentes aperturas de la bóveda o con tiempos de afine muy dilatados, los consumos de energía por tonelada aumentan. Sin embargo, de un modo general, para producción de acero, en condiciones normales, se espera que el horno consuma aproximadamente 550 kWh por tonelada de acero. Una porción de esa energía es normalmente producida por medios químicos, generalmente inyectando oxígeno, pero la principal parte es suministrada por el arco eléctrico. Como ejemplo, puede ser considerado un horno que opere consumiendo 30 Nm³ de oxígeno por tonelada de acero producida. En este caso, la energía suministrada por la combustión del carbono será igual a 30 Nm³/t x 3,5 kWh/Nm³ = 105 kWh / t. Y, para completar la producción de una tonelada de acero serán necesarios 550 kWh/t – 105 kWh/t = 445 kWh/t que serán provistos por el arco eléctrico. La producción horaria del horno será proporcional a la potencia activa (kW) e inversamente proporcional al consumo específico de energía eléctrica. En el ejemplo anterior, si la potencia activa fuese de 44.500 kW, la productividad sería de 44.500 kW / 445 kWh / t = 100 t/h. Si el horno tuviese una capacidad de 100 toneladas, el tiempo de horno conectado (PowerOn) sería de 100 t / h / 100 t = 1 hora. Y, si los tiempos de parada por colada fuesen de 0,25 h, el tiempo total para producir las 100 toneladas (tiempo tap to tap) sería de 1,25 horas, la productividad real sería 100 t / 1,25 h = 80 t/h y, la producción en el período de 24 horas sería 24 h x 80 t/h = 1920 toneladas.
El consumo específico de energía depende fuertemente del tipo de carga. Los hornos que utilizan carga de prerreducidos, además de calentar la carga hasta la temperatura de sangrado (1620 a 1735 ºC) necesitan proveer la energía necesaria para reducir porcentajes de óxido de hierro que pueden variar entre 5 y 10 %. La energía necesaria para reducir una tonelada de óxido de hierro es muy elevada y, por ese motivo, el consumo específico de energía operando con carga de prerreducidos puede ser 50 a 100 kWh/t superior al de una carga de chatarra. No obstante, los hornos que operan con alto porcentual de prerreducidos consiguen actualmente niveles muy elevados de productividad debido a la excelente escoria espumosa, que permite la utilización de elevados niveles de potencia por tonelada, y a los bajos tiempos muertos.
Reducción de los consumos de electrodos
El consumo de electrodos es el índice operacional que posee la mayor dependencia con los parámetros eléctricos de operación. Hasta los años 80, el consumo específico de electrodos de un horno de fusión era de 4 a 6 kilogramos de grafito por tonelada de acero producida. Al final de los años 90, los consumos eran del orden de 1,5 kg/t.
La reducción de los consumos de electrodos fue conseguida principalmente a través del aumento de las relaciones tensión / corriente. Los transformadores de los hornos fueron modificados para operar con tensiones más elevadas y, para mantener los bajos cosenos fi, necesarios para estabilizar el arco en la fusión de chatarra, fueron instalados reactores en serie. En el caso de los hornos que operan con carga continua de prerreducidos o, en general, en hornos que operan con buena escoria espumosa, la reducción de los consumos puede ser obtenida operando con altas tensiones y alto coseno fi, sin necesidad de reactores.
( Ver, en este sitio, el trabajo técnico "Consumo específico de electrodos" y "Algunos mal entendidos sobre la operación de los hornos de arco").
Aumento de la productividad de los hornos de arco a través del aumento de la tensión secundaria de los transformadores
La ventaja de la operación con tensiones más elevadas ya era defendida en el inicio de los años 80. Infelizmente, hasta el final de esa década, pocos hornos habían sido modificados. En Brasil tuvimos la oportunidad de realizar el proyecto del aumento de las tensiones y potencias de los hornos de la Siderúrgica Barra Mansa en 1988, modificando los transformadores de 24 MVA - 415 V para 30 MVA – 830 V Posteriormente, en los años 90, realizamos una gran cantidad de repotenciaciones en diversos hornos del Brasil y de otros países.
Las tensiones más elevadas permiten la operación con potencias más altas sin necesidad de modificar el circuito secundario del horno (barras, cables flexibles, buses, garras porta-electrodos y electrodos). La inversión se paga en pocos meses con la reducción de los consumos de electrodos. Para estabilizar el arco en la fusión a veces es necesario aumentar la reactancia del circuito, instalando reactores serie.
En el pasado, la operación con tensiones y potencias específicas elevadas no era posible por causa del elevado desgaste de refractarios que provocaba. Al final de los años 70, las paredes y bóvedas refrigeradas con agua permitieron incrementar un poco las potencias y las tensiones. El principal impulso para operar con altas tensiones y potencias fue dado por el desarrollo de las escorias espumosas que blindan el arco, protegiendo las paredes, que ocurrió al final de los años 80. Actualmente son utilizadas tensiones de 900 V y potencias de 45 MW en hornos de apenas 40 toneladas. Los hornos de gran capacidad (100 a 250 toneladas) actualmente operan con tensiones de 900 a 1.300 V y con transformadores de 100 a 170MVA. Sin embargo, en el caso de estos hornos, hoy en día se prefiere aumentar más las corrientes, que llegan a 75 kA, para operar con menor longitud de arco y menor irradiación de calor a las paredes, como forma de alcanzar tiempos de colada próximos de 30 minutos, sin provocar calentamiento excesivo de las paredes del horno.
Flicker provocado por los hornos de arco
Las variaciones de la longitud del arco provocan fluctuaciones de tensión que se propagan por el circuito de alimentación hasta llegar a los usuarios de baja tensión. Infelizmente, la frecuencia de esas fluctuaciones coincide con la frecuencia de fluctuación de la iluminación que es detectada por el ojo humano (1 a 15 Hz, aproximadamente), provocando un cierta incomodidad a los consumidores residenciales. Actualmente, el nivel de flicker es medido por instrumentos calibrados de acuerdo con los estudios de la UIE (Unión Internacional de Electrotermia) realizados a partir de 1980 y posteriormente adoptados por la norma IEC 868. La unidad de medición es el Pst y, de acuerdo con las recomendaciones iniciales, un valor de Pst igual o superior a 1 pu provocaría niveles de perturbación considerados inadmisibles. El valor de Pst de referencia seria el medido en la Alta Tensión, en el llamado punto común de acoplamiento con los otros consumidores. Sin embargo, mediciones de campo realizadas posteriormente mostraron que entre la alta tensión y la baja tensión ocurre una atenuación natural del flicker, que, en ciertos casos, puede llegar a 50 %, concluyéndose que para que el usuario residencial, conectado en la baja tensión, observe un efecto similar a 1pu, el valor de Pst provocado por el horno sobre la AT debería alcanzar valores muy superiores a 1pu (2pu, en el caso de la atenuación de 50 %).
Los niveles de flicker son proporcionales a la relación entre la potencia del horno y la potencia de cortocircuito del punto común de acoplamiento con los otros consumidores. Por ese motivo, la forma más directa de disminuir los niveles de flicker es el aumento de la potencia de cortocircuito de la red de alimentación o la reducción de la potencia del horno. La primera, normalmente no puede ser realizada o exige inversiones muy elevadas y, la segunda reduce la productividad del horno.
Actualmente, para reducir el flicker algunas empresas recomiendan los compensadores shunt (SVC), los cuales, utilizando bancos de capacitores fijos y reactancias controladas por semiconductores, inyectan en la red cantidades de energía reactiva de igual amplitud y signo opuesto a las variaciones de reactivo demandadas por el horno. Estos dispositivos, en general, son de elevado precio y baja eficacia y reducen el flicker en aproximadamente 40 %.
Fuerzas electrodinámicas provocadas por las corrientes que circulan por los brazos y electrodos
Las corrientes que circulan por los conductores del horno provocan campos magnéticos variables creando fuerzas que pueden llegar a quebrar los electrodos. Adicionalmente, las fluctuaciones en baja frecuencia de la corriente provocan vibraciones en brazos y columnas del horno. Las fuerzas son proporcionales a las corrientes de pico al cuadrado e inversamente proporcionales a las distancias entre electrodos. Por ese motivo, en algunos casos, después de la reducción de los diámetros primitivos, realizada con la intención de disminuir el índice de erosión del arco sobre los refractarios, ocurrieron aumentos de las vibraciones en brazos y quiebras de electrodos. Por otro lado, como la máxima corriente depende de la tensión y es inversa de la reactancia, en ciertos casos en los cuales fue aumentada la tensión sin el adecuado aumento de la reactancia ocurrieron fallas semejantes.
Rotación de fases y apriete de los electrodos
Este tal vez sea el más conocido efecto de los parámetros eléctricos del horno. En general, las empresas que proveen electrodos y asistencia técnica saben que la rotación de fases debe ser anti-horaria para que el momento de torsión sobre los electrodos sea tal que provoque el ajuste de los mismos. Una secuencia de fases en el sentido horario provoca aflojamiento de los electrodos y, eventualmente, la caída de columnas.
El problema es que muchas veces se confunde la secuencia de fases de alimentación (R,S,T) con la secuencia de fases física ( electrodos 1,2 e 3 ), que es la que realmente interesa, llegándose a conclusiones equivocadas.
Desgaste de refractarios
La erosión provocada por el arco sobre los refractarios fue objeto de profundos estudios en los años 60 y 70 cuando todavía no se disponía de paneles refrigerados ni de escorias espumosas. W. Schwabe definió la expresión que permite evaluar el grado de erosión provocado por el arco sobre las paredes del horno. Actualmente, la preocupación con los refractarios es menor, pero, de cualquier forma, el índice de erosión de refractarios continua siendo una herramienta útil para definir el probable desgaste de refractarios cuando la escoria espumosa no es adecuada o durante los períodos de final de fusión cuando la chatarra ya está fundida y todavía no existe escoria espumosa.
El índice de erosión de refractarios de Schwabe puede ser resumido de la siguiente forma:
RI = Va x Pa / b²
Donde Va es la tensión del arco, Pa es la potencia del arco y b es la distancia entre la faz del electrodo y la pared del horno. Los factores que provocan aumento del desgaste del refractario son los mismos que disminuyen el consumo de electrodos.
Especificación de transformadores e reactores
Para determinadas capacidades de los hornos y para los niveles de producción previstos son definidos los parámetros eléctricos de operación: potencia activa promedio, tensión secundaria y coseno fi. Una vez conocidos estos parámetros es posible especificar el transformador. Para poder calcular la reactancia del reactor serie, se calcula primero la reactancia que el circuito debería poseer y se compara con la reactancia existente en el circuito.
Una vez definidas las principales características del transformador y del reactor es necesario verificar los aspectos del proyecto eléctrico del transformador: tipo de conmutación, faja de tensiones máxima a mínima, tensión primaria más adecuada, clase de tensión, tipo de enfriamiento, tipo constructivo del transformador, ensayos, protecciones, accesorios, etc.
Corrección del factor de potencia - Bancos de capacitores
La principal perturbación provocada por el horno de arco son las fluctuaciones de tensión de frecuencia inferior a la industrial (flicker). No obstante, el horno de arco genera también corrientes armónicas (frecuencias múltiplos de la fundamental) que por su vez causan distorsiones de la onda de tensión de la red. El horno de arco genera una gama bastante ancha de frecuencias armónicas, siendo las de mayor amplitud la 3a, la 2a, la 5a y la 4a, en ese orden. Pero, los valores promedio de las amplitudes de las corrientes armónicas de los hornos son relativamente bajos, en comparación con los generados por los convertidores que usan tiristores. En la práctica, algunos pocos semiciclos de la corriente muestran porcentajes elevados de distorsión, pero, en promedio, éstos no pasan de 5 % para las principales armónicas.
La necesidad de filtros de armónicas depende básicamente de la obligatoriedad de cumplir normas más o menos exigentes sobre distorsión de tensión. De un punto de vista práctico, es posible, en gran parte de los casos, instalar los bancos de capacitores sin filtros, desde que se tome la precaución de desplazar la frecuencia de resonancia paralelo de las principales frecuencias armónicas. La necesidad de instalar filtros de armónicas es inevitable cuando existen compensadores estáticos (SVC), ya que estos al poseer dispositivos de estado sólido controlados por la variación del ángulo de disparo provocan elevados niveles de armónicas.
Armónicas y filtros de armónicas
La principal perturbación provocada por el horno de arco son las fluctuaciones de tensión de frecuencia inferior a la industrial ( flicker ). No obstante, el horno de arco genera también corrientes armónicas ( frecuencias múltiplos de la fundamental ) que por su vez causan distorsiones de la onda de tensión de la red. El horno de arco genera una gama bastante ancha de frecuencias armónicas , siendo las de mayor amplitud la 3a, la 2a, la 5a y la 4a, en ese orden. Mas, los valores promedio de las amplitudes de las corrientes armónicas de los hornos son relativamente bajos, en comparación con los generados por los convertidores que usan tiristores. En la práctica, algunos pocos semiciclos de la corriente muestran porcentajes elevados de distorsión, pero, en promedio, éstos no pasan de 5 % para las principales armónicas.
La necesidad de filtros de armónicas depende básicamente de la obligatoriedad de cumplir normas más o menos exigentes sobre distorsión de tensión. De un punto de vista práctico, es posible, en gran parte de los casos, instalar los bancos de capacitores sin filtros, desde que se tome la precaución de desplazar la frecuencia de resonancia paralelo de las principales frecuencias armónicas. La necesidad de instalar filtros de armónicas es inevitable cuando existen compensadores estáticos (SVC), ya que estos al poseer dispositivos de estado sólido controlados por la variación del ángulo de disparo provocan elevados niveles de armónicas.
De cualquier forma, en muchos proyectos se decide instalar filtros de armónicas en la subestación para garantizar que no ocurran amplificaciones muy elevadas de las tensiones y de las corrientes de los bancos de capacitores. Una buena solución puede ser la instalación de filtros de 3a armónica (sintonizados en aproximadamente 2,9 x fundamental). El proyecto de los filtros debe tomar en consideración la sobretensión de régimen permanente provocada por los inductores sobre los capacitores, además de las sobretensiones provocadas por las armónicas, las sobretensiones de energización de los capacitores y los impulsos de tensión provocados por las corrientes de inrush de los transformadores del horno. En el caso de los filtros de 2a armónica, este último tipo de sobretensión es crítico y obliga a sobredimensionar los bancos de capacitores, encareciendo el proyecto.
Sobretensiones
El circuito de alimentación de los hornos de arco es similar a cualquier otro circuito de alimentación industrial. Una pecularidad de este circuito es el elevado número de maniobras del transformador del horno ( generalmente conectado en 13,8 kV, 23 kV o 33 kV, mas también, en ciertos casos, en 46 kV, 69 kV y hasta 120 kV ), que puede llegar a 100 por dia. Otra característica es la existencia de bancos de capacitores de alta potencia. Para maniobrar el horno, son utilizados actualmente interruptores de vacío. Las principales protecciones contra las sobretensiones de maniobra son los supresores de impulsos de maniobra, más conocidos como pararrayos ( o apartarrayos ) ya que son los mismos dispositivos utilizados para proteger contra descargas atmosféricas. Estos supresores, a partir de 1980 aproximadamente, pasaram a ser fabricados con óxidos metálicos, como el óxido de zinc. En el caso de un transformador instalado, por ejemplo, en 24 kV, el nivel de aislación del mismo debe ser adecuado para soportar tensiones de impulso de hasta 150 kV y los pararrayos, para ese nivel de tensión, normalmente actuan con aproximadamente 60 kV. Para los transformadores de horno se recomienda instalar los pararrayos no sólo entre fase y tierra mas también entre fases. En el caso de los disyuntores de vacío, existe um fenómeno conocido como múltiples reigniciones que eventualmente ( dificilmente ) podría provocar sobretensiones de alta frecuencia que podríam averiar al transformador, especialmente cuando existem capacitores de "surge"en el primario del transformador y capacitores de corrección del factor de potencia en la subestación principal. Para proteger contra este tipo improbable de sobretensión, un fabricante de disyuntores de vacío recomienda los circuitos de protección RC, conectados entre fase y tierra. Otro tipo de sobretensión bastante común es el "restrike" que ocurre durante la desconexión de los bancos de capacitores, cuando los interruptores no son adecuados o están con defectos. Estas sobretensiones son de alta energía y normalmente provocan fallas en los pararrayos.
Protecciones contra sobrecorriente
El ajuste de las protecciones de sobrecorriente de los hornos de arco debe seguir algunos criterios diferenciados. En la operación normal del horno ocurren cortocircuitos entre los electrodos y la chatarra que pueden provocar corrientes superiores al doble de la nominal del transformador durante pocos segundos. Si los relés de sobrecorriente son ajustados en la forma convencional, actuando rápidamente para corrientes inferiores a las de los cortocircuitos normales de la operación del horno, ocurrirán frecuentes actuaciones del relé que perjudicarán la operación del horno. Por otro lado, es conveniente que si la duración de esas sobrecorrientes es superior a algunos segundos, los relés actúen. También sería deseable que los relés actuasen instantáneamente al ocurrir un cortocircuito en las barras de salida del transformador y, ciertamente, deben actuar instantáneamente en el caso de un cortocircuito en la tensión primaria.