Parâmetros Elétricos de Operação do Forno a Arco
O circuito equivalente do forno a arco é muito simples:
X é a reatância do circuito, V é a tensão em vazio, Va é a tensão de arco e I é a corrente. O arco é resistivo, portanto a corrente está em fase com a tensão de arco. A tensão de arco é definida pelo comprimento do arco. As principais correlações entre os parâmetros são ( para um 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
Pode ser incluída a resistência de perdas do circuito para calcular o rendimento elétrico do forno.
Uma pequena complicação é o fato da reatância do circuito variar em função do estágio de operação e do cosseno fi. Por esse motivo, para fazer os cálculos dos parâmetros operacionais do forno geralmente é necessário partir de um determinado cosseno fi e, para cada estágio de operação, corrigir a reatância com o correspondente fator operacional ( que pode variar entre 1,05 e 1,45 aproximadamente ).
Produtividade e consumo de energia do forno a arco
Para produzir uma tonelada de aço é necessária uma quantidade de energia que depende do tipo de carga metálica, do tipo de produto, da temperatura final, do tipo e quantidade de escória e de outros fatores. Se o forno for mal operado, com elevados tempos de paradas, com frequentes aberturas da abóbada ou com tempos de refino muito demorados, os consumos de energia por tonelada aumentam. Entretanto, de um modo geral, para produção de aço, em condições normais, se espera que o forno consuma aproximadamente 550 kWh por tonelada de aço produzido. Uma porção desta energia é normalmente produzida por meios químicos, através da injeção de oxigênio, mas a principal parcela é suprida pelo arco elétrico. Como exemplo pode ser considerado um forno que opere consumindo 30 Nm³ de oxigênio por tonelada de aço produzida. Nesse caso, a energia fornecida pela combustão do carbono e outros elementos será de 30 Nm³/t x 3,5 kWh/Nm³ = 105 kWh / t. E, para completar a produção de uma tonelada de aço serão necessários 550 kWh/t – 105 kWh/t = 445 kWh/t que serão fornecidos pelo arco elétrico. A produção horária do forno será proporcional à potência ativa (kW) e inversamente proporcional ao consumo específico de energia elétrica. No exemplo anterior, se a potência ativa for de 44.500 kW, a produtividade será de 44.500 kW / 445 kWh/t = 100 t/h. Se o forno tiver uma capacidade de 100 toneladas, o tempo de forno ligado (Power On) será de 100 t / h / 100 t = 1 hora. Se os tempos de parada por corrida forem de 0,25 h, o tempo total para produzir as 100 toneladas (tempo tap to tap) será de 1,25 horas, a produtividade real será de 100 t / 1,25 h = 80 t/h e, a produção no período de 24 horas será de 24 h x 80 t/h = 1920 toneladas.
O consumo específico de energia depende fortemente do tipo de carga. Os fornos que utilizam carga de pré- reduzidos, além da necessidade de aquecer a carga até a temperatura de vazamento (1620 a 1735 ºC ) precisam fornecer a energia necessária para reduzir níveis de óxido de ferro que podem variar entre 5 e 10 %. A energia necessária para reduzir uma tonelada de óxido de ferro é muito elevada e por esse motivo, o consumo específico de energia operando com carga de pré-reduzidos pode ser de 50 a 100 kWh/t superior ao da carga de 100 % de sucata. Apesar desse inconveniente, os fornos que operam com alto percentual de pré-reduzidos conseguem atualmente níveis muito elevados de produtividade em razão da excelente escória espumante, que permite a utilização de elevados níveis de potência por tonelada, e dos baixos tempos mortos.
Redução dos consumos de eletrodos
O consumo de eletrodos é o indicador operacional que depende mais fortemente dos parâmetros elétricos de operação. Até os anos 80, os consumos específicos de eletrodos dos fornos de fusão eram de 4 a 6 quilogramas de grafita por tonelada de aço produzida. No final dos anos 90, os consumos eram da ordem de 1,5 kg/t.< /p>
A redução dos consumos de eletrodos foi conseguida principalmente através do aumento das relações tensão / corrente. Os fornos tiveram seus transformadores modificados para poder operar com tensões mais elevadas. Para manter os baixos cossenos fi, necessários para estabilizar o arco na fusão de sucata, foram instalados reatores em série. No caso dos fornos que operam com carga contínua de pré-reduzidos ou, em geral, nos fornos que operam com boa escória espumante, a redução dos consumos pode ser obtida operando com as altas tensões e ao mesmo tempo com alto cosseno fi, dispensando os reatores.
(Ver, neste site, o trabalho técnico “Consumo específico de eletrodos” e “Alguns equívocos sobre a operação dos fornos a arco”).
Aumento da produtividade dos fornos a arco através do aumento da tensão secundária dos transformadores
A vantagem da operação com tensões mais elevadas já era conhecida no início dos anos 80. Infelizmente, até o final dessa década, poucos fornos tinham sido modificados. No Brasil tivemos a oportunidade de realizar o projeto do aumento das tensões e potências dos fornos da Siderúrgica Barra Mansa em 1988, modificando os transformadores de 24 MVA - 415 V para 30 MVA – 840 V ao qual se seguiram nos anos 90 uma série de potencializações que realizamos em diversos fornos do Brasil e de outros países.
As tensões mais elevadas permitem a operação com maiores potências sem necessidade de modificar o circuito secundário do forno (barramentos, cabos flexíveis, buses, garras porta-eletrodos e eletrodos). O investimento se paga em poucos meses com a redução dos consumos de eletrodos. Para estabilizar o arco na fusão é necessário aumentar a reatância do circuito, instalando reatores série.
No passado, a operação com tensões e potências específicas elevadas não era possível por causa do elevado desgaste de refratários que provocava. No final dos anos 70, as paredes e abóbadas refrigeradas com água permitiram incrementar um pouco as potências e as tensões. O principal impulso para operar com altas tensões e potências foi dado pelo desenvolvimento da operação com escórias espumosas que blindam o arco, protegendo às paredes, o qual ocorreu no final dos anos 80. Atualmente são utilizadas tensões de 900 V e potências de 45 MW em fornos de apenas 40 toneladas. Os fornos de grande capacidade (100 a 250 toneladas) atualmente operam com tensões de 900 a 1.300 V e transformadores de 100 a 170MVA Os fornos de grande capacidade (100 a 250 toneladas) atualmente operam com tensões de 900 a 1.300 V e transformadores de 100 a 170MVA. Entretanto, no caso destes fornos, hoje em dia prefere-se aumentar também as correntes, que podem chegar a 75 kA, para operar com menor comprimento de arco e menor irradiação de calor às paredes, como forma de atingir tempos de corrida próximos de 30 minutos, sem provocar aquecimento excessivo das paredes do forno.
Flicker provocado pelos fornos a arco
As variações do comprimento do arco provocam flutuações de tensão que se propagam para o circuito de alimentação até atingir os usuários de baixa tensão. Infelizmente, a frequência dessas flutuações coincide com a frequência de flutuação da iluminação que é detectada pelo olho humano (1 a 15 Hz, aproximadamente), provocando um certo incômodo aos consumidores residenciais. Atualmente, o nível de flicker é medido por instrumentos calibrados conforme os estudos realizados pela UIE (União Internacional de Eletrotermia) a partir de 1980 e posteriormente referendados pela norma IEC 868. A unidade de medição é o Pst e, de acordo com as recomendações iniciais, um valor de Pst igual ou superior a 1 pu provocaria níveis de incômodo considerados inadmissíveis. O valor de Pst que permitiria definir o grau de perturbação seria o medido na alta tensão, no chamado ponto comum de acoplamento com os outros consumidores. Entretanto, medições de campo mostraram que entre a alta tensão e a baixa tensão ocorre uma atenuação natural do flicker, que, em certos casos, pode chegar a 50 %, concluindo-se que para o usuário residencial, ligado na baixa tensão, observar um efeito similar a 1 Pst, o valor de Pst provocado pelo forno sobre a AT deve atingir valores muito superiores a 1 pu (2 pu, no caso da atenuação de 50 %).
Os níveis de flicker são proporcionais à relação entre a potência do forno e a potência de curto-circuito do ponto comum de acoplamento com os outros consumidores. Por esse motivo, a forma mais direta de diminuir os níveis de flicker é o aumento da potência de curto-circuito da rede ou a redução da potência do forno. A primeira, normalmente não pode ser realizada ou exige investimentos muito elevados e, a segunda reduz a produtividade do forno.
Atualmente, para reduzir o flicker algumas empresas recomendam os compensadores shunt (SVC) que através de bancos de capacitores fixos e reatâncias controladas por semicondutores injetam na rede quantidades de energia reativa de signo oposto as variações de reativo demandadas pelo forno. Estes aparelhos, em geral, são de elevado preço e reduzem os níveis de flicker em aproximadamente 40 %.
Forças eletrodinâmicas provocadas pelas correntes que circulam pelos braços e eletrodos
As correntes que circulam pelos condutores do forno provocam campos magnéticos variáveis criando forças que podem chegar a quebrar os eletrodos. Adicionalmente, as flutuações em baixa frequência da corrente provocam vibrações em braços e colunas do forno. As forças são proporcionais aos quadrados dos valores de pico das correntes e inversamente proporcionais as distâncias entre eletrodos. Por esse motivo, em alguns casos, após a redução dos diâmetros primitivos, realizada com o intuito de diminuir o índice de erosão do arco sobre os refratários, ocorrem aumentos das vibrações em braços e quebras de eletrodos. Por outro lado, como a máxima corrente depende da tensão e é inversa da reatância, em certos casos nos quais foi aumentada a tensão sem o adequado aumento da reatância ocorreram falhas semelhantes.
Rotação de fases e aperto dos eletrodos
Este talvez seja o mais conhecido efeito dos parâmetros elétricos do forno. Em geral, as empresas que fornecem eletrodos e assistência técnica sabem que a rotação de fases deve ser anti-horária para que o torque sobre os eletrodos seja tal que provoque o aperto dos mesmos. Uma sequência de fases no sentido horário provoca afrouxamento dos eletrodos e eventualmente quedas de colunas.
O problema é que muitas vezes é confundida a sequência de fases de alimentação (R,S,T) com a sequência de fases física (eletrodos 1,2 e 3), que é a que realmente interessa, chegando-se a conclusões erradas.
Desgaste de refratários
A erosão provocada pelo arco sobre os refratários foi objeto de profundos estudos nos anos 60 e 70 quando ainda não se dispunha de painéis refrigerados nem de escórias espumantes para proteger as paredes. W. Schwabe definiu a expressão que permite avaliar o grau de erosão provocado pelo arco sobre as paredes do forno. Atualmente, a preocupação com os refratários tem passado a segundo plano, mas de qualquer forma, o índice de erosão de refratários continua sendo uma ferramenta útil para definir, nos casos em que a escória espumosa não é adequada ou nos períodos de final de fusão quando a sucata já está fundida e ainda não existe escória espumante, o provável desgaste dos refratários.
O índice de erosão de refratários de Schwabe pode ser resumido da seguinte forma:
RI = Va x Pa / b²
Onde Va é a tensão do arco, Pa é a potência do arco e b é a distância entre a face do eletrodo e a parede.
Os fatores que provocam aumento do desgaste do refratário são os mesmos que diminuem o consumo de eletrodos.
Especificação de transformadores e reatores
Para determinadas capacidades de forno e níveis de produção pretendidos são definidos os parâmetros elétricos de operação: potência ativa média, tensão secundária, cosseno fi. Uma vez conhecidos esses parâmetros, é possível especificar o transformador. A reatância que o circuito deve possuir para que se confirmem as devidas correlações entre esses parâmetros é calculada e comparada com a reatância existente no circuito para poder calcular a reatância do reator complementar.
Correção do fator de potência – Bancos de capacitores – Compensador estático
Dependendo do ponto de conexão da siderúrgica e da regulamentação vigente pode ser necessário manter níveis de cosseno fi superiores a 0,85, 0,92, 0,95 ou, até 0,98 em períodos de medição mensais ou em períodos de medição horários. Uma vez que o forno, especialmente durante o período de fusão, opera com cossenos fi inferiores aos limites, se faz necessário compensar a energia reativa para elevar o cosseno fi no ponto de conexão com a concessionária de energia.
A forma mais simples e econômica de compensar os reativos é a instalação de bancos de capacitores fixos. O cálculo da potência dos capacitores é bastante simples se o cosseno fi de operação for conhecido. Quando se instala um banco de capacitores deve-se tomar a precaução de verificar a frequência de ressonância paralelo dos capacitores com a rede, incluindo o transformador abaixador e, se houver uma ressonância próxima das frequências harmônicas geradas pelo forno (2a, 3a, 4a, e 5a) deve ser modificada a potência do banco para deslocar a frequência de ressonância. Depois de definida a potência efetiva e a reatância do banco, devem ser calculadas as tensões de serviço permanente e os aumentos de tensão provocados pelos harmônicos gerados pelo forno para poder definir a tensão nominal e a potência nominal do banco.
Harmônicos e filtros de harmônicos
A principal perturbação provocada pelo forno a arco são as flutuações de tensão de frequência inferior à industrial (flicker). Entretanto, o forno a arco também gera correntes harmônicas (frequências múltiplos da fundamental) que por sua vez causam distorções da onda de tensão da rede. O forno a arco gera uma gama de frequências harmônicas bastante larga, sendo as de maior amplitude a 3a, a 2a, a 5a e a 4a, nessa ordem. Entretanto, os valores médios das amplitudes das correntes harmônicas dos fornos são relativamente baixos, se comparados com os gerados pelos conversores tiristorizados. Na prática, alguns semiciclos isolados da corrente mostram percentuais elevadíssimos de distorção, mas, a média, no caso dos fornos a arco, não passa de 5 % para os principais harmônicos.
A necessidade de filtros de harmônicos depende basicamente da necessidade de atender normas mais ou menos exigentes no que se refere à distorção de tensão. De um ponto de vista prático, é possível em grande parte dos casos, instalar bancos de capacitores sem filtros, desde que se tome a precaução de afastar a frequência de ressonância paralelo das principais frequências harmônicas. A necessidade de instalar filtros de harmônicos é premente quando existem compensadores estáticos (SVC), os quais por possuírem dispositivos de estado sólido, controlados por variação do ângulo de disparo, provocam elevados níveis de harmônicos.
De qualquer forma, em muitos projetos se escolhe instalar filtros de harmônicas na subestação para garantir que não ocorram amplificações muito elevadas das tensões e correntes nos bancos de capacitores. Uma boa solução pode ser a instalação de filtros de 3a harmônica (sintonizados em aproximadamente 2,9 x fundamental). O projeto dos filtros deve tomar em consideração a sobretensão de regime permanente provocada pelos indutores sobre os capacitores, além das sobretensões provocadas pelas harmônicas, as sobretensões de energização dos capacitores e os surtos de tensão provocados pelas correntes de inrush dos transformadores do forno. No caso dos filtros de 2a harmônica, este último tipo de sobretensão é crítico e obriga a superdimensionar os bancos de capacitores, encarecendo o projeto.
Sobretensões
O circuito de alimentação dos fornos a arco é similar a qualquer outro circuito de alimentação industrial. Mas, uma particularidade deste circuito é o elevado número de manobras dos interruptores do transformador do forno (geralmente ligado em 13,8 kV, 23 kV ou 33 kV, mas também, em certos casos, em 46 kV, 69 kV e até 120 kV) que pode chegar a 200 por dia. Outra característica é a existência de bancos de capacitores de alta potência. Para manobrar o forno, são utilizados atualmente disjuntores a vácuo. As principais proteções contra os surtos de manobra são os supressores de surtos, mais conhecidos como para-raios já que são os mesmos dispositivos utilizados para proteger contra as descargas atmosféricas. Esses supressores, a partir de 1980 aproximadamente, passaram a ser projetados com óxidos metálicos, como o óxido de zinco. No caso de um transformador instalado em 24 kV, o nível de isolamento do mesmo deve suportar surtos de até 150 kV e os para-raios, para esse nível de tensão, normalmente atuam com aproximadamente 60 kV. Para os transformadores de forno se recomenda instalar os para-raios não apenas entre fase e terra mas também entre fases. No caso dos disjuntores a vácuo, existe um fenômeno conhecido como reignições múltiplas que poderia provocar sobretensões de alta freqüência que poderiam avariar ao transformador, especialmente quando existem os chamados capacitores de surto no primário do transformador e os capacitores de correção do fator de potência na subestação principal. Para proteger contra este tipo improvável de sobretensão, um fabricante de disjuntores a vácuo recomenda os circuitos de proteção RC, conectados entre fase e terra. Outro tipo de sobretensão bastante comum é o chamado restrike que ocorre no desligamento de bancos de capacitores quando os interruptores não são adequados ou estão defeituosos. Estas sobretensões são de alta energia e normalmente provocam falhas nos para-raios.
Proteções contra sobrecorrentes
O ajuste das proteções de sobrecorrente dos fornos a arco deve seguir alguns critérios diferenciados. Na operação normal do forno ocorrem curtos-circuitos entre os eletrodos e a sucata que podem provocar correntes superiores a duas vezes a nominal durante poucos segundos. Se os relés de sobrecorrente fossem ajustados na forma convencional, atuando rapidamente na ocorrência de correntes inferiores às dos curtos-circuitos no secundário do transformador, ocorreriam frequentes disparos que prejudicariam a operação normal do forno. Por outro lado, é conveniente que se essas sobrecorrentes se mantiverem por períodos superiores a alguns segundos, os relés atuem. Também seria desejável que os relés atuassem instantaneamente no caso de ocorrer um curto-circuito no barramento de saída do transformador e, certamente, devem atuar instantaneamente no caso de um curto circuito na média tensão.