HORNOS
ELECTRICOS TRIFASICOS
DE
ARCO
Ing. Juan Carlos Pino Gaviño
Lima
Perú
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1. EL HORNO DE ARCO COMO CARGA ELECTRICA 1.1 . Generalidades. Los hornos de arco como medio de fusión del hierro y acero y reducción de materiales, se están utilizando cada vez más en la industria siderúrgica. En los hornos de arco se producen fundiciones con una estructura uniforme y excelentes cualidades técnicas, es decir gran resistencia a la tracción, flexión, cizallamiento e impacto. Los hornos de arco tienen ventajas sobre otros sistemas debido a: -Producción de calor sin combustión, resultando una atmósfera limpia en el horno. Esto implica que se pueden evitar daños ecológicos, conservando la emisión de humos, polvo, ruidos y calor a un mínimo. -Adaptación a varios tipos de proceso de fundición. Los hornos de arco pueden usarse para fundir aceros ordinarios, aceros con aleaciones, esponja de hierro y cualquier tipo de hierro de chatarra. Además, pueden emplearse fácilmente aditamentos tales como: agitadores electromagnéticos, sistemas de inyección para aditivos, diversos tipos de recubrimientos de refractarios,sistemas de enfriamiento por agua, sistemas auxiliares de calentamiento, equipos de carga continua etc. Pudiéndose adaptara cualquier tipo de programa de fusión de manera óptima. -Utilización de insumos variados, es decir posibilidad de usar chatarra, minerales de hierro pre-reducido, hierro, hierro esponja, inclusive tiene posibilidades de fundir otros materiales como corindón, cemento de fusión, lana de escoria etc. -Elevada concentración de energía, los actuales hornos de arco pueden tener una relación específica de fusión del orden de 550 a 850 kVA/Tn en hornos de alta potencia. Normalmente son de 300 a 450 kVA/Tn. Estas relaciones específicas de fusión elevadas, permiten acortar significativamente el tiempo total, así como el ciclo de operación en
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cada gradín del transformador de horno de arco, permitiendo incrementar la producción significativamente. - Facilidad de regulación, la precisión de la regulación eléctrica se extiende a la transmisión de calor. La respuesta es rápida. -Facilidades de operación- Es posible automatizar el funcionamiento de los hornos de arco, facilitando la operación de la acería como conjunto. - Suministro simple y cómodo de energía. 1.2 – COMPONENTES DE LA INSTALACION DE UN HORNO DE ARCO Básicamente los componentes de la instalación de un horno de arco son: -
El horno de arco y los electrodos. El transformador de horno de arco. El interruptor de horno de arco. El equipo de control, regulación y automatización del horno de arco. 1.2.1- El Horno de Arco y los Electrodos – El horno de arco trifásico, consiste en un recipiente de acero forrado en su interior de una capa de material refractario (Ver Figura 2). La solera está constituida por una concavidad poco profunda, formada en el revestimiento inferior. La cubierta es desmontable y está construida en forma de cúpula, con material refractario, sostenida por un anillo de acero. La cubierta tiene tres agujeros circulares dispuestos generalmente en forma de triángulo equilátero, a través de los cuales pasan los electrodos de carbón o grafito. Cada electrodo está fijado a un brazo móvil que lo sostiene con un control independiente por cada fase, de tal manera de regular la longitud del arco que se forma entre el extremo del electrodo y la carga de material o el baño del material derretido cuando se alcanza la fusión. La carga sirve de electrodo común para los tres arcos y forma una conexión en estrella del circuito trifásico en este punto. Los arcos formados entre los electrodos y 3
el metal contenido en el horno generan la energía calorífica necesaria para llegar a los 1600⁰C y fundir el acero. La tendencia general es emplear electrodos de grafito, aunque en algunos casos se usan los de carbón. El consumo de los electrodos se debe principalmente a la volatización o a la combustión y en algunos casos por rotura. En condiciones medias, el consumo de los electrodos de grafito es aproximadamente la mitad de los de carbón, siendo el consumo de los electrodos de grafito en fusión de 2 a 5 Kg. y los de carbón de 4 a 7.5 Kg por tonelada de metal fundido. Los hornos de arco se especifican generalmente por la capacidad de carga, el diámetro del crisol, la potencia del transformador del horno, la potencia del cortocircuito y en algunos casos la velocidad de fusión.
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La elección del tamaño del horno para trabajos de fundición se basa en varios factores: producción media, producción máxima y mínima, facilidades para el colado, peso de las piezas, plan de trabajo y limitaciones del suministro de energía. En la TABLA 1 se presentan algunas características de hornos de arco comerciales. TABLA 1 CARACTERISTICAS DE HORNOS DE ARCO TRIFASICOS Diam.Crisol(m) 1.22 1.37 1.52 1.82 2.13 2.43 2.74 3.00 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.3 4.6 4.9 5.2 5.5 5.8 6.1 6.4 6.7
Cap.Carga(Tn) 0.4-0.5 0.5-0.7 0.7-0.9 1.4-1.8 2.3-2.7 3.2-4.1 4.5-5.5 10 -12 12-15 15-18 18-22 22-26 26-31 32-39 40-49 44-57 56-58 64-82 76-96 90-112 104-130 120-148 6
Pot.Nom. (MVA) 0.25 0.35 0.5 0.75 1.0 1.5 2.0 5.5 7.0 8.0 10 12.5 15 20 25 30 35 40 45 52 62 72
Pot.Max(MVA) 0.35 0.5 0.75 1.0 1.5 2.0 2.5 6.6 8.4 9.6 12 15 18 24 30 36 42 48 54 63 75 86
1.2.2. El Transformador de Horno de Arco.El transformador de horno de arco es uno de los componentes más importantes de la instalación, tanto técnicamente como desde el punto de vista de la inversión efectuada. Su construcción debe soportar las condiciones operativas del horno, que son mucho más exigentes que en los transformadores de potencia ordinarios, ya quesufren cortocircuitos continuos, aún desbalanceados, producidos en el horno de arco, cuya energía calorífica liberada se utiliza para fundir el metal. Las características del transformador de horno son: - Alta tensión primaria con un amplio margen de tensiones secundarias relativamente bajas, con sus correspondientes corrientes secundarias intensas del lado del horno. - Alta frecuencia de cambio de gradines por día. - Robustez para soportar los cortocircuitos durante la fusión de metales, es decir, debentener capacidad para soportar los esfuerzos electrodinámicos producidos por los cortocircuitos. - Funcionamiento exclusivo para el horno de arco. - No precisa características especiales de regulación. La característica Tiempo –Potencia de un horno en el período de fusión, presenta una relación descendente, correspondiente al gradiente de temperatura en el interior de la cámara del horno, a medida que la carga del metal pasa del estado sólido al estado de fusión. Al final del período de fusión, la potencia necesaria tiene un valor prácticamente constante de acuerdo con las pérdidas de calor del propio horno. Así continúa hasta que se vierte el metal, al final del ciclo de trabajo. La potencia consumida por el horno es proporcional al cuadrado de la tensión aplicada, por lo tanto la tensión debe reducirse a medida que 7
el ciclo clórico avanza para seguir la disminución del gradiente de temperatura. Esta marcha ideal se obtiene en la práctica operando con varias tensiones al variar los gradines del transformador del horno. El transformador del horno debe estar diseñado de forma que se pueda regular su tensión secundaria entre límites muy amplios, en ocasiones con conmutadores bajo carga. En la toma mas elevada la tensión debe ser lo suficientemente grande para que pueda suministrar la potencia estipulada (fusión) al horno mientras que en la toma mas baja la tensión debe ser lo bastante pequeña para conseguir arcos estables con las pequeñas potencias requeridas para el mantenimiento de la temperatura de afine. Existen transformadores de horno variables bajo carga y sin carga. Algunos transformadores tienen conmutadores de conversión estrella triangulo para obtener mayor variedad de tensiones. El tipo preferido de transformador es el de refrigeración por agua, aunque se emplean bastante los transformadores autorefrigerados y con enfriamiento por circulación forzada de aceite. En algunas ocasiones, por razones de espacio y peso se emplean tres unidades monofásicas. 1.2.3. El Interruptor del Horno de Arco.Otro de los elementos importantes de la instalación de alta tensión del horno, es el interruptor del horno de arco. Tiene las siguientes características: - Soporta constantemente la corriente reactiva inductiva de cortocircuito creada en los electrodos. - Es capaz de interrumpir todas las corrientes de operación, incluso las corrientes de cortocircuito, creadas en los electrodos. Es decir tiene elevada capacidad de ruptura. - No debe crear sobretensiones inadmisibles.
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- Las cámaras de extinción y componentes mecánicos soportan un trabajo intensivo (alrededor de 5 a 100 operaciones al día). - Rapidez de funcionamiento. Como hay que conectar y desconectar al horno varias veces durante cada ciclo de trabajo, es necesaria una tensión del interruptor que se adapte mejor a esta manera de operación, debiendo tenerse en cuenta la selección de esta tensión en los costos del transformador intermedio. 1.2.4 – El Sistema de Regulación, Control y Automatización del Horno 1.2.4.1. El Sistema de Regulación de los Electrodos La principal función del sistema de regulación de los electrodos es mantener el punto óptimo de operación, que ha sido fijado por el personal operativo o por un sistema automático de control, buscando requerimientos particulares de fusión. El punto de operación óptimo, que debe ser mantenido lo más exactamente posible, determina la potencia activa y el factor de potencia. Esto implica tomar los datos eléctricos del arco, compararlos con los valores deseados y deslizar los electrodos en proporción al error, de tal manera que la longitud del arco sea corregida. Las características deseables del equipo de regulación de electrodos son: - Fijación simple y clara de los valores prescritos. - Detección precisa de los datos eléctricos del arco (tensión y corriente). - Modificación rápida de la longitud del arco, en todos los estados de funcionamiento, es decir, independientemente de la etapa de trabajo (fusión, transición o afino). - Eliminación de desconexiones indeseadas del horno debido a cortocircuitos francos. 9
- Independencia del sistema (alimentación del valor de consigna, medición y regulación) respecto a las oscilaciones en la red. - Características de la regulación ajustable de acuerdo con el material a fundir. - Eliminación de errores de maniobra. - Alta confiabilidad de servicio. La tensión del transformador de arco puede ser ajustado en varios escalones dependiendo de la posición del gradín. Para ajustar la longitud del arco se desplazan los brazos portaelectrodos, mediante un sistema hidráulico. Cada fase del electrodo posee regulación independiente. La alimentación de la energía depende de la tensión del transformador y de la distancia entre los electrodos y la chatarra o el material fundido. Estas dos dimensiones juntas fijan el punto de operación del horno de arco, es decir la tensión, la corriente, el factor de potencia y la potencia del arco. La tarea de regulación de los electrodos consiste en acercar los electrodos a la chatarra o al metal fundido, encender el arco y mantener el punto de trabajo deseado. Durante la fusión se producen roturas de arco, debidas a la completa fusión de la chatarra o cortocircuitos entre los electrodos por caída de chatarra. En la etapa de afinamiento activo se producen movimientos del baño y de las escorias. Asimismo pueden producirse interrupciones en el suministro de energía. Estos incidentes deben ser subsanados regulando los electrodos en cada una de las fases o en las tres fases, sin que el sistema trifásico se vuelva inestable. La regulación de los electrodos debe guardar cierta lógica en lo relacionado a las prioridades de las señales de mando. -Prioridad 1: Mando manual de los tres electrodos de manera simultánea. -Prioridad 2: Mando manual de un solo electrodo.
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-Prioridad 3: Elevación automática de los electrodos a la máxima velocidad en caso de cortocircuito franco o cuando actúe el dispositivo de protección por rotura del electrodo. Los electrodos que no participan en el cortocircuito se elevarán de manera lenta. -Prioridad 4: Elevación lenta de los electrodos al desconectar el horno, con el fin de impedir la inmersión de los mismos, en el caso que se esté trabajando sobre un plano de metal fundido con un arco muy corto. - Prioridad 5: Regulación automática de los electrodos. La regulación de los electrodos influye en el desgaste del revestimiento refractario, el desgaste de los electrodos, las perturbaciones sobre la red de alimentación, la duración de trabajo de la carga y por lo tanto el consumo específico de energía y finalmente la rentabilidad de la explotación. 1.2.4.2. El Sistema de Control del Horno de Arco Adicionalmente a los equipos de regulación de los electrodos se puede incorporar procesadores con el objeto de optimizar el funcionamiento de los hornos de arco. Estos equipos pueden controlar los requerimientos de energía durante el proceso, controlando la tensión y la corriente basadas en un programa de operación preestablecido. Se puede controlar de esta manera la posición de los gradines del horno del transformador de acuerdo con los datos del proceso tales como: la calidad de la chatarra que determina la energía específica, tanto para la fusión, como para el afinamiento y el peso de las cargas de trabajo (Tn).Asimismo, se pueden incorporar limitadores de potencia que pueden efectuar rechazos de cargas secundarias como cortocircuitos de refrigeración, sistemas hidráulicos etc., con el objeto de de limita5r la máxima demanda consumida y por lo tanto el valor de facturación presentado por el suministrador de energía eléctrica. 1.2.4.3. El Sistema de Automatización del Horno de Arco Si varios hornos de arco trabajan simultáneamente y se desea que sea de manera sincronizada, se requiere de una computadora de procesos 11
para obtener la mejor utilización de los hornos, logrando la optimización de la energía total, limitación de las máximas demandas, mejor control del proceso y reduciendo las labores rutinarias del personal de operaciones. Una computadora de procesos podría emplearse para el control de todo el proceso metalúrgico, con funciones tales como solución de pesos de las cargas, problemas de almacenamiento, análisis metalúrgicos, reportes de producción y operación, inventarios, costos de materiales así como supervisar los sistemas de regulación de electrodos de los hornos, control de gradines del transformador del horno, controlar los equipos de optimización de consumo de energía, consumo de oxígeno, control de precalentamiento etc. En general, esta computadora de procesos llevaría a una reducción de costos, mejor utilización de la acería, incremento de la disponibilidad de los equipos, cálculo de aleaciones, control de consumo de energía, operación de los hornos de arco y monitoreo general de la planta facilitando la explotación y produciendo acero más económico. 1.2.5. Otros Equipos Adicionales 1.2.5.1. Reactores En los hornos de arco, al iniciarse el calentamiento, la carga está fría y el arco cebado entre los electrodos y el metal o chatarra es muy inestable. Luego las condiciones mejoran por la presencia de vapores metálicos en el camino seguido por el arco adquiriendo el circuito estable según la magnitud de la reactancia. El comportamiento del circuito de un horno de arco durante el período inicial de calentamiento, puede mejorarse empleando una tensión baja de funcionamiento (equivalente a tener una reactancia alta en el circuito del horno) durante el período inicial de encendido, para limitar las fuertes corrientes de cortocircuito que ocurren durante la fusión y para estabilizar los arcos. En hornos pequeños es usual añadir reactores en serie en el lado de alta del transformador de arco, ya que la medida anterior no es suficiente, pudiendo llegar a ser la reactancia total 12
(incluyendo el transformador, los electrodos, los conductores y el reactor) del orden del 50%, teniendo como base los valores nominales del transformador. No hay valores normalizados para circuitos de horno de arco (transformador de horno de arco y conductores) pudiendo ser satisfactoria una reactancia del 40% al 60% de los valores nominales. En el caso de hornos pequeños, de 10 MVA o menores, es necesario añadir reactores en serie con el transformador de horno de arco. En hornos mayores, el transformador de arco tiene una reactancia suficiente no siendo necesario el reactor. 1.2.5.2. Conductores Entre los electrodos y el transformador de horno de arco, se encuentran los cables flexibles, las barras y los tubos conductores. Estos cables alimentan los electrodos dispuestos generalmente en triángulo equilátero y son refrigerados por agua. Es necesario que la impedancia de estos elementos sea igual en sus tres fases para evitar desequilibrios en la potencia de los arcos, siendo prácticamente de 75% al 85% de la impedancia total del circuito del horno. Su función es llevar las altas corrientes de cortocircuito desde el transformador del horno de arco a los electrodos, originando la potencia necesaria para la fusión de los metales. Sobre los brazos de los electrodos y formando la unión entre éstos y los cables de encuentran los ductos de cobre o aluminio, que son generalmente de forma tubular y están refrigerados por agua. 1.2.5.3. Instalación Hidráulica. La instalación hidráulica tiene las siguientes funciones: - Desplazar los electrodos para una correcta regulación del arco. - Abrir y cerrar la tapa del horno. - Bascular el horno. - Accionar la puerta para retirar las escorias. 13
Esta instalación debe tener tiempos de reacción muy cortos con el objeto de que el equipo de regulación de electrodos y/o la computadora de procesos en instalaciones más sofisticadas, pueden desempeñar efectivamente su función optimizadora. 1.2.5.4. Tableros de Mando, Protección y Medición Como cualquier instalación eléctrica, la del horno de arco debe contar con apropiados sistemas de protección y medición, así como de su correspondiente tablero de mando. 1.3. FUNCIONAMIENTO DEL HORNO DE ARCO El ciclo de trabajo de un horno de arco puede tener una duración de dos a nueve horas, dependiendo del tipo de horno de arco, de su tamaño, de los requerimientos metalúrgicos, del material usado y de la manera de operar el horno. 1.3.1. Funcionamiento de acuerdo al Tipo de Horno Actualmente se reconocen dos tipos de hornos de arco de acuerdo con su relación específica de fusión (REF); los hornos de tipo normal de 250 a 550 KVA/Tn y los de Ultra Alta Potencia (UHP: ultra high power) de 550 a 850 KVA/Tn.
REF = Potencia Aparente Nominal del Horno (Transformador) Capacidad de Carga La definición de tipo de horno no depende del tamaño, ya que pueden encontrarse hornos de 75 Tn con REF entre 250 y 450 kVA/Tn (tipo normal con REF entre 550 y 800 kVA/Tn (tipo UHF). Los hornos de tipo normal trabajan con arcos largos y los de tipo UHP trabajan con arcos cortos, mayores corrientes y Factores de potencia más bajos. Sin embargo su comportamiento como generador de perturbaciones es similar, con cierta ventaja para los hornos de tipo UHP, ya que experimentos efectuados por W.E. Schawabe y R. Kasper en 14
Europa y USA han demostrado que en los períodos iníciales de fusión de la chatarra se minimizan las fluctuaciones de tensión con hornos de tipo UHP.
Para ilustrar las diferencias en cuanto al tiempo que emplea en la fusión un horno normal y un horno UHP, consideramos los siguientes datos de un horno de arco: a) Datos Material Utilizado: Acero Dulce al Carbón Capacidad de Carga: 60 Tn Diámetro de la Cuba: 5.5 m Energía específica. 360 kWh/Tn Eficiencia: 89 % Factor de Uso: 75 % Horno Normal: Sn= 20,000 kVA FP= 0.71 Horno UHP: Sn=50,000 kVA FP=0.65
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REF= 250 kVA/Tn REF= 625 kVA/Tn
b) Horno Normal T = 80Tn x360 kWh/Tn x 60 min. /h = 182 min. 20,000kVA x0.89x0.71x0.75
c) Horno de Ultra Alta Potencia (UHP) T = 80 Tn x 360 kWh/Tn x60 min /h = 80 min 50,000 kVA x0.89 x0.65 x0.75 Se observa que el horno UHP es más rápido que el normal, acortando por lo tanto el período de fusión y por ende el ciclo total de trabajo. Considerando unos 100 minutos de tiempo en ambos casos para mantenimiento del horno , carga de material, afinamiento, cambios de gradines y eventuales retrasos, la producción se incrementa en el ciclo total, para hornos UHP en: Incremento =100 x (100+182) /(100+80) = 157 % Otra ventaja adicional es el ahorro en refractarios al utilizar arcos cortos, en lo referente a daños. Sin embargo el consumo natural del material refractario es mayor en hornos UHP por la mayor potencia empleada. La vida típica de las paredes de refractario en hornos normales es de 160 a 200 ciclos de trabajo. En cambio en hornos UHP duran de 80 a 110 ciclos de trabajo. Para efectuar una adecuada selección del horno para una instalación es necesario realizar un análisis económico del proceso de producción además de los análisis técnicos. 1.3.2 Ciclo de trabajo del Horno de Arco El ciclo típico de trabajo de un horno de arco puede durar de tres a ocho horas, es decir de ocho a tres ciclos de trabajo al día. Sin embargo, hay casos en que se han logrado hasta doce ciclos de trabajo al día, o sea una duración de dos horas por ciclo.
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Al inicio del ciclo de trabajo, se utiliza potencia limitada para obtener un agujero de metal fundido en la chatarra. Luego se cambia el gradín para iniciar la fusión a máxima potencia, que se efectúa en dos o tres etapas consecutivas, tal como se muestra en la Figura 4. Las etapas de un ciclo de trabajo típico en un horno de arco UHP de 80 Tn REF=687.5 kVA/Tn. Son: a) Preparación y operaciones de mantenimiento que se requieren en el horno (20 min.) b) Carga del primer cesto de chatarra 40% de la carga total (10 min.) c) Perforación en el primer cesto de chatarra (1 min.) En esta etapa se utiliza un gradín de tensión baja, con un factor de potencia medio (75% en atraso aproximadamente) y potencia de 55 a 60% de la máxima, hasta obtener un agujero de profundidad inicial de 60 cm para proteger el techo y las paredes del refractario del horno. Cuando se ha logrado esto, se puede utilizar la plena potencia del horno. d) Inicio de la fusión del primer cesto de chatarra (10 min). Se comienza el período de fusión con un factor de potencia medio (75% de atraso aproximadamente) utilizando la plena potencia. Se logran tres perforaciones en la chatarra con un baño de metal fundido en el fondo, sin exponer las paredes del refractario. La energía consumida en este momento es de unos 120 kWh/Tn. e) Cambio de gradín y fusión del 70% del primer cesto de chatarra (12 minutos). Se emplea un factor de potencia (65% en atraso aproximadamente) para lograr arcos cortos y proteger las paredes del refractario de la erosión. La potencia es aproximadamente 80% a 85% de la máxima potencia. La energía consumida es de unos 360 kWh/Tn en esta etapa. La potencia disminuye al haberse cambiado el gradín a una posición de tensión menor. f) Carga del segundo cesto de chatarra 30% de la carga total (10 min) g) Perforación en el segundo cesto de chatarra (1min). Procedimiento similar al del primer cesto, paso (c). h) Inicio de la fusión del segundo cesto de chatarra (10 min). Procedimiento similar al del primer cesto, paso (d). 17
i) Cambio de gradín y fusión del segundo cesto de chatarra (10 min). Procedimiento similar al del primer cesto, paso (e) j) Carga del tercer cesto, 30% de la carga total (10 min). k) Perforación en el tercer cesto de chatarra (1 min). Procedimiento similar al del primer cesto, paso (c). l) Inicio de la fusión del tercer cesto de chatarra (10 min). Procedimiento similar al del primer cesto, paso (d). m) Cambio de gradín y fusión del tercer cesto de chatarra (10 min). Procedimiento similar al del primer cesto, paso (e) n) Cambio de gradín y fusión del 30% del primer cesto de chatarra faltante (15 min). Se utiliza un gradín y factor de potencia bastante bajo (60% de atraso aproximadamente) para lograr arcos cortos. La potencia es aproximadamente de 60 a 65% de la máxima. La energía consumida es de 360 KWh/Tn. o) Cambio de gradín y afinamiento de la carga total de chatarra (30 min). En esta etapa se utiliza el gradín que proporciona la potencia más baja, con el factor de potencia al mínimo posible (55% de retraso aproximadamente) y arcos muy cortos. La potencia es bastante baja. La energía es aquella necesaria para suministrar las pérdidas del baño, siendo de aproximadamente 60 kWh/Tn. p) Retrasos (10 min) considere los tiempos para mediciones de temperatura, obtención de muestras, añadidos de aditivos etc. q) Cambio de gradín para iniciar otro ciclo (10 min). El tiempo total de este ciclo de trabajo es de unas tres horas. TABLA II DURACIONES TIPICAS EN UN CICLO DE TRABAJO DE HORNOS DE ARCO Hornos de Potencia Normal (RP) Período de Fusión (Pm)
(8/24) T
(1/3) T
33%
Período de Afine (Pm/2)
(12/24) T
(1/2) T
50%
Cargas, retardos, cambio, Descargas, etc.
(4/24) 18
(1/6)
16.75
Tiempo total (T)
(1) T
(1) T
100%
En un horno de 16 MVA, 45Tn, 356 kVA/Tn se ha obtenido que el periodo de fusión sea de 35% del tiempo total. Hornos de Ultra Alta Potencia (UHP) Horno de 35 MVA, 80 Tn, 688 KVA/Tn Período de Fusión
80 min.
44.4 %
Período de Afinamiento
30 min.
16.7 %
Cargas
30 min
6.7%
Retardo, etc.
40min
22.2%
Tiempo total
180 min
100%
Mantenimiento,
Hornos de 75 MVA, 140 Tn, 536KVA/Tn Período de Fusión
90 min
46.1%
150min.
45.5%
Período de Afine
60 min
30.8%
70 min
21.2%
Cargas
15 min.
7.7%
35 min
10.6%
Mantenimiento
30 min.
15.4%
75 min.
22.7%
195 min.
100%
330min.
100%
Tiempo total
1.3.2.1 Período de Fusión En el período de fusión, la carga sólida se derrite y es cuando se suministra la mayor cantidad de energía. Este período se caracteriza por la inestabilidad del arco y por las grandes fluctuaciones de corriente, al saltar irregularmente el arco sobre la chatarra sólida no uniforme. Se pueden producir asimismo, desmoronamientos de chatarra originando cortocircuitos francos fa sean monofásicos, bifásicos o trifásicos, al tocar el metal sólido con los electrodos, 19
volviéndose este período muy inestable y perturbaciones más fuertes a la red de suministro.
originando
las
Tal como mencionamos, el horno no se carga totalmente de una sola vez sino gradualmente en dos o tres cestos o cargas reduciéndose la potencia al final de cada etapa para impedir sobrecalentamiento del material refractario. 1.3.2.2. Período de Afinamiento Este período es la etapa final del ciclo de trabajo, siendo la energía suministrada aquella necesaria para compensar pérdidas y mantener la temperatura de trabajo estable en el baño o caldo de metal derretido. La potencia del horno se reduce notablemente a veces hasta cerca de 10% , siendo las perturbaciones generadas mucho menores, al ser un material homogéneo y trabajar el horno en forma estable , produciendo menores fluctuaciones de corriente. En el período de afine se define la calidad del acero que se produce, siendo de alrededor de 30 min para calidades sencilla de acero hasta 2 horas para aceros especiales. Entre el período de fusión y el de afinamiento existe un período de transición en que coexisten pedazos de chatarra sólida en el baño líquido de metal fundido.
1.3.3 Índices de operación de Hornos de Arco Con el objeto de analizar los hornos de arco desde el punto de vista de su operatividad como carga eléctrica, se definirán algunos índices de operación. 1.3.3.1 Factor de Planta El Factor de Planta (FPL) es un índice que nos da una idea de la eficiencia de una carga para tomar su potencia máxima instalada en un período determinado. Se define como la relación entre la potencia
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media consumida Pm en el período en cuestión, a su potencia máxima instalada Pmax. FPL = 100 x (Pm / Pmax)
%
1.3.3.2. Duración de Utilización de Planta La duración de utilización de planta DUP, es otra manera de expresar la eficiencia para absorber su potencia máxima instalada en un periodo determinado. Se define como el tiempo equivalente en que la carga tomaría su potencia máxima instalada, respecto al período T de referencia. Generalmente este período T de referencia. Generalmente este período T de referencia es el año o sea 8760 horas. DUP = FPL x (T/100) En el caso de los hornos de arco, la DUP anual es baja, del orden de las 2500 horas al año. En algunas instalaciones en las que se ha optimizado el funcionamiento de los hornos se ha llegado a 3500 horas al año. Los factores de planta correspondiente a estas DUP son: FPL = 100 x (DUP/ T) FPL1= 100 x (2500/8760) = 28.5 % FPL2= 100x (3500/8760) = 39.9 % Es decir el factor de planta de un horno de arco se encuentra entre 30% y 40%. 1.3.3.3. Factor de Carga En el caso en que una carga no tome su máxima potencia instalada, por limitaciones voluntarias o involuntarias, se emplea el factor de carga FC. Se define como la relación entre la potencia media consumida Pm en el período en cuestión, a su máxima demanda registrada MD, en el mismo período. FC = 100 x (Pm/ MD) %
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En el caso de los hornos de arco, se pueden imponer restricciones operativas, para limitar la potencia máxima tomada de la red, tales como fijar un límite máximo de gradín de transformador de horno. De esta manera al limitar la tensión secundaria, se limita la demanda máxima y la potencia de cortocircuito del horno y por lo tanto las perturbaciones que originaría en una red débil. Lógicamente en este caso no estaría empleando la máxima potencia instalada del horno de arco, por lo cual es necesario que los fabricantes de hornos y el cliente coordinen estrechamente con el suministrador de energía, respecto a la planificación e instalación de hornos. El FC de los hornos de arco es difícil de mantener a un valor de 70%. 1.3.3.4. Duración de Utilización de la Carga Tal como en el caso del factor de planta es posible definir la duración de utilización de la carga DUC, como el tiempo equivalente en que la carga tomaría su máxima demanda, respecto al período T de referencia DUC = FC x (T/100) Este índice, como el anterior, se puede obtener cuando el horno está ya operativo. 1.3.3.5 Coeficiente de Indisponibilidad Programada El coeficiente de indisponibilidad programada CIP se define como la relación entre el tiempo en que la carga estaría indisponible por trabajos programados TIP, ya sean mantenimiento preventivo u correctivo, al período T en consideración. CIP = 100 x (TIP/T) % En los hornos de arco, el CIP es del orden de 15 a 20% debido a trabajos programados, tales como cambios de refractarios, reparaciones, restitución de electrodos gastados o rotos, mantenimiento preventivo de la instalación etc.
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1.3.3.6 Disponibilidad Operacional La disponibilidad operacional DO se define como relación de tiempo en que está disponible el equipo TD al período de referencia T. DO = 100 x (TD/T) % En el caso en que no se produzcan indisponibilidades forzadas, la DO de los hornos puede estar entre el 80 y 85 % es decir alrededor de 7000 a 7500 horas al año. 1.3.3.7. Factor de Uso El Factor de Uso FU es una especie de factor de carga utilizado para el período de fusión de los hornos de arco. Refleja el hecho, que aún en el caso de la fusión, la utilización de la máxima potencia obtenible del horno no es plena. El FU en los hornos de arco es del orden del 75%. 1.3.4. Consumo de Energía de Horno de Arco La fusión de los metales incluye además del cambio de estado un ulterior calentamiento a determinada temperatura conocida como temperatura de colado. En el caso del hierro, el punto de fusión es de 1530 °C, produciéndose luego un sobrecalentamiento hasta unos 1600°C. La energía específica del hierro para alcanzar la temperatura de fusión es de unos 360 KWh por tonelada de material sólido. Sin embargo, debido a que se debe entregar mayor energía para compensar la absorción del revestimiento refractario del horno o para alcanzar la temperatura de colado, estos valores son mayores. El contenido de calor para alcanzar la temperatura de colado es aproximadamente 900 KWh/ Tn. Aproximadamente se puede decir que la producción de un horno cuando está en servicio es de una tonelada de metal fundido por hora y por megavatio de potencia entregada. Esto debido a que la potencia se corta frecuentemente para adicionar chatarra o instalar una nueva sección de electrodo, tomar muestra, medir temperaturas para verter el metal fundido o se reduce a un nivel adecuado para mantener la 23
temperatura después que el metal se ha derretido y mientras se lleva a cabo el proceso de afinamiento. 1.3.4.1. Consumo de Energía Activa Tal como lo mencionamos, el factor de planta de un horno de arco es bajo, comparado con otras cargas: por ejemplo el de un centro minero es de 60 %. Un horno de arco de 20 Mw. Con duración anual de 2500 hora consumirá la siguiente energía activa (EA) EA = 20 x (2500/ 1000) = 50 GWh7añp Asumiendo una tarifa de S/.20 / KWh para energía activa diurna y S/.12 /KWh para tarifa activa nocturna y suponiendo que la EA se divida equitativamente en energía diurna y nocturna. EA Diurna
: (25 GWh x 20 KWh) = 500 millones de soles al año
EA Nocturna: (25 GWh x 12 KWh) = 300 millones de soles al año Total
= 800 millones de soles al año
1.3.4.2 Consumo de Energía Reactiva Los hornos de arco, trabajan con factores de potencia en atraso, fuertemente inductivos. Tal como mencionamos; el factor de potencia de operación d3el horno de arco se encuentra entre 65% y 80% siendo un valor normal 70%. Asumiendo el factor de potencia de 70% en atraso como promedio, prácticamente podemos considerar en nuestro ejemplo que la energía reactiva es igual a la activa en un horno sin compensar, es decir: ER = 50 GVARh. Asumiendo una tarifa de 9 soles/KVARh para la energía reactiva, entonces: Costo de ER = 50 GVARh x (9 soles /KVARh) =450 millones soles anuales. 24
1.3.4.3. Máxima Demanda Los hornos de arco; aunque emplean potencias activas considerables, no contienen un diagrama de carga uniforme sino más bien fluctuante con demandas de fuertes picos originados en las variaciones de corrientes de los arcos. Un maxímetro normal con períodos de integración de 15 minutos, registraría una demanda que no reflejaría las exigencias reales de la red. En el Perú se han efectuado intentos para considerar este hecho, tales como utilizar un registro gráfico y tomar períodos de integración de hasta 2 minutos. En nuestro caso del horno de 20 Mw y asumiendo una tarifa de 4500 soles /Kw tendremos: Costo = 20 Gw x 4500 soles/Kw= 90 millones de soles mensuales =1080 millones de soles anuales En conclusión, el monto facturable anual, aún sin considerar los impuestos de ley, será mayor de 2000 millones de soles con este horno de 20 Mw. 1.4. EL CIRCUITO DE POTENCIA DEL HORNO DE ARCO 1.4.1. Análisis del Circuito Secundario del Horno El circuito secundario o de baja tensión del horno de arco está compuesto por conductores, desde el secundario del transformador el horno hasta los electrodos (cables flexibles, barras conductoras y tubos conductores). Estos conductores se pueden representar por un circuito equivalente trifásico, en estado estable. Los conductores se representan como una impedancia y los electrodos como una resistencia ya que su reactancia es despreciable comparada con aquella. El Esquema trifilar se encuentra en la figura mostrada. 25
1.4.1.1. Simbología Vr, Vs, Vt
Voltajes fase a neutro (valor eficaz) del secundario del
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transformador de horno de arco, en forma fasorial. R1, R2, R3 Resistencias de los cables de las fases R, S, T X1, X2, X3 Reactancias inductivas de los cables en las fases R, S, T Incluyendo el efecto propio y mutuo. Ř1, Š1, Ť1 Resistencia en los electrodos en las fases R, S, T. Îr, Îs, Ît
Corrientes en forma fasorial de la fases R, S, T, con los electrodos sumergidos en el metal fundido.
Îa, Îb
Corrientes de bucle en forma fasorial.
1.4.1.2. Ecuaciones del Circuito Secundario Ūr - Ūs = Ūs - Ūt ((r1 + r1') + (r2+ r2') +j(x1+x2)) - ((r2+r2') +jx2)
- ((r2+r2') +jx2)
+ ((r2+r2') + (r3+r3') +j(x2+x))
Îa' X Îb'
Si consideramos que Rr = r1 + r1'
y
Îr = -Îa'
Rs =
y
Îs = Îa' + Îb'
r2+r2'
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Rt =
r3+r3'
y
Ît = Îb'
Entonces: Ūr – Ūs = Îa (Rr +jX1) + (Îa'- Îb') (Rs+ jX2) Ūs - Ūt = Îb (Rt +jX3) - (Îa' -Îb') (Rs + jX2) Reemplazando por las corrientes de fase: Ūr - Ūs = - Îr (Rr +jX1) + Îs (Rs+ jX2) Ūs - Ūt = Ît (Rt +jX3) - Îs (Rs + jX2) 1.4.1.3. Reactancias de los Conductores Secundarios Las reactancias inductivas X1, X2, X3 de las fases R, S, T dependen de la disposición de los conductores (generalmente tubulares refrigerados por agua) que los modelaremos como cilindros de paredes delgadas. Los circuitos secundarios de los hornos de arco emplean dos tipos de disposiciones: a) Disposición Equilátera.- Los conductores forman un triángulo equilátero. La reactancia inductiva por fase es: X= x1=x2=x3= 4 π f l Ln (D /Rc) x 10⁻⁷ b) Disposición Coplanar.- Los conductores están alineados en el mismo plano. La reactancia inductiva equivalente por fase es: X= 4π.f.l. Ln (1.25992. D/Rc) x 10⁻⁷ X: Reactancia inductiva de los conductores; por fase, en ohmios. f: Frecuencia, en Hertzio l: Longitud de los conductores, en metros D: Distancia entre los conductores, en metros Rc: Radio medio geométrico de los conductores, en metros. Igual al radio para conductores tubulares Ln: Logaritmo neperiano En realidad, en una disposición coplanar: las reactancias X1 y X3 son iguales entre sí, pero mayores que la reactancia de la fase central X2.
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Esta diferencia es sensible y puede originar potencias de arco diferentes en cada una de las fases, por lo cual en el diseño se busca equilibrar las reactancias haciendo que el conductor de la fase media tenga menor diámetro que los conductores de las fases exteriores. La disposición equilátera no tiene este inconveniente ya que las reactancias son iguales entre sí y el circuito secundario está perfectamente equilibrado. En algunos casos se emplea más de un conductor por fase, en las disposiciones ya mencionadas. 1.4.1.4. Circuito Secundario Equivalente Al haberse logrado que el circuito secundario del horno de arco sea equilibrado (Ver Fig. 6), basta analizar solo una fase, es decir: V = (rt’ + jxt’) I’ En la práctica puede existir un pequeño desbalance de hasta 2% V: tensión secundaria del circuito del horno de arco, o sea la de baja tensión del transformador de horno, que es variable mediante los gradines. rt’: resistencia total por fase del circuito secundario, pero en la práctica es igual a la del electrodo r', ya que la resistencia de los cables, barras y tubos conductores es despreciable frente a aquella. xt’: reactancia inductiva total por fase del circuito secundario, pero en la práctica es igual a la de los conductores, ya que la reactancia de los electrodos es despreciable. Es el componente más importante del circuito de baja tensión y Entre tres a diez veces mayor que la resistencia. I’: Corriente del circuito secundario cuando los electrodos están sumergidos en metal fundido. Los parámetros del circuito secundario del horno pueden obtenerse de ensayos en el campo, con la prueba de cortocircuito.
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TABLA III VALORES EXPERIMENTALES DE RESISTENCIA Y REACTANCIA INDUCTIVA DE CIRCUITOS SECUNDARIOS DE HORNO DE ARCO Peso Chatarra (Tn)
Diámetro Carcasa (m)
19 26 32 41 54 60 66 77 96 126
3.7 4.0 4.3 4.6 5.0 5.1 5.2 5.4 5.8 6.4
Potencia de transformador (MVA)
Voltaje de transformador Voltios
7.6/6.3 200-74 19.2/16 300-115 19.2/16 300-115 24 /20 350-120 38 / 31.5 475- 155 30 / 25 440-100 36 / 30 430- 144 48 /40 490-158 48 /40 490-158 60/50 590-164
Diámetro electrodos (cm)
35.5 35.5 45.7 45.7 45.7 50.8 50.8 55.9 55.9 61.0
Resistencia Conductores miliohms
React Ind Conductores miliohms
------0.76 0.45 ------------0.44 0.44 ----0.40 0.38
2.31 2.43 2.35 -------------2.38 ----2.44 2.7
En la TABLA III se presentan valores típicos de resistencia y reactancias de circuitos de baja tensión de hornos para diversas potencias y pesos de carga de chatarra. Es de señalar que por efecto de corrientes armónicas, la impedancia obtenida de ensayos, puede ser hasta 10% mayor que la calculada teóricamente. 1.4.2 Ecuaciones de la instalación de un horno de arco En un horno de arco normalmente se puede regular tanto la tensión; mediante los gradines del transformador del horno, como la corriente;
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con el sistema de regulación de posición de los electrodos variando la longitud el arco. Estas maniobras pueden realizarse en forma independiente una de otra. Para obtener la máxima potencia aparente posible, es necesario utilizar el máximo ajuste de tensión del gradín y la máxima corriente suministrada por el transformador del horno, esto ocurre cuando los tres electrodos están en cortocircuito sumergidos en el metal fundido. La reducción de la potencia puede conseguirse disminuyendo la tensión, la corriente o ambos a la vez. Desde el punto de vista económico es importante elegir los ajustes correctos. Cuando por diseño de la instalación del horno de arco se ha conseguido que el circuito sea equilibrado, es decir que las características eléctricas de los elementos de la instalación del horno sean iguales en sus tres fases, es posible estudiar solo una de ellas, en el estado de operación estable del horno de arco, mediante un circuito monofásico equivalente. En caso contrario es necesario estudiar fase por fase, siendo las potencias desiguales en cada una. El equilibrio del circuito de la instalación del horno de arco es muy importante, puesto que se trabaja con altas corrientes, tratando de obtener arcos cortos. Un circuito de horno desequilibrado por diseño producirá longitudes de arco y potencia diferentes en cada una de las tres fases creando sobrecalentamientos localizados, es decir puntos calientes que dan como consecuencia un consumo desigual del material refractario adyacente a los electrodos. El índice de erosión de refractario (IER) puede expresarse como: IER = PA. (VA -30) / 3d² PA: Potencia trifásica de los arcos, en Kilovatios VA: Tensión eficaz fase –neutro del arco, en voltios d : distancia del borde del electrodo al refractario, en centímetros Hay que tener en cuenta que la tensión del arco, es directamente proporcional a la longitud del arco (LA) según la relación empírica aproximada: LA = VA - C LA = Longitud media del arco, milímetros VA = Tensión del arco, Voltios 31
C = Constante entre 40 y 50 En conclusión, se debe mantener un arco corto y los electrodos lo más separados posible de las paredes del horno para evitar desgastes excesivos del refractario. Al tener los parámetros por fase del circuito del horno de arco iguales entre sí, podemos estudiar la instalación del horno mediante un modelo de un circuito monofásico equivalente que representamos en la Fig.7. Generalmente en los cálculos se desprecia la resistencia del circuito del horno de arco. En la TABLA IV mostramos valores típicos de las reactancias del circuito secundario del horno de arco más el transformador del horno, con eventual reactor limitador. TABLA IV REACTANCIAS INDUCTIVAS DE CIRCUITOS DE HORNO DE ARCO Potencia nominal Reactancia Capacidad del horno (MVA) % (Tn) 1 - 5 42 4 - 10 6 - 10 45 10 - 25 11 - 20 48 25 - 50 21 - 80 50 50 - 200
1.4.2.1. Simbología Considerando la Fig. 3 U = Tensión entre fases del circuito equivalente total V = U / √3 tensión entre fase y neutro del circuito. I = Corriente en el circuito de la instalación del horno X = X₀ + X₁ + X₂ + X₃ + X₄ Reactancia total por fase referida al secundario del transformador del horno incluida la del sistema, línea de transmisión, transformador intermedio, transformador de horno de arco con eventual reactor, reactancia del circuito secundario de baja tensión del horno (cables flexibles, conductores, barras y electrodos). R = R₀ +R₁ +R₂ + R₃ +R₄
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Resistencia de pérdida de los elementos mencionados anteriormente referidos al secundario del transformador del horno, siendo la más importante la de los electrodos. VA = Tensión de arco RA = Resistencia de arco R = r + RA Resistencia por fase del circuito del horno de arco total, incluida la resistencia de arco Z = Impedancia total del circuito S = Potencia aparente trifásica aplicada al circuito. Q= Potencia reactiva trifásica aplicada al circuito. P = Potencia activa trifásica aplicada al circuito. PR = Pérdidas activas trifásicas del circuito del horno de arco (excepto La del arco). PA = Potencia activa trifásica generada en los tres arcos. N = Rendimiento o eficiencia del circuito. FP = Factor de Potencia del Circuito. 1.4.2.2. Ecuaciones del Circuito Total Z² = R² + X² = (r + RA)² + X²
I² = V²/Z ²= U ²/ 3 (R²+X²)
S = 3 V.I = √3 U.I Q = 3.X. I² P² = S² - Q² PR = 3.r.I² PA = P- PR = 3RA I² VA = RA. I VA = 3 RA I² / 3 I = PA / 3I N = (PA/P) .100 FP = P /S
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Figura 3
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1.4.2.3. Máxima Potencia Absorbida por el Circuito del Horno de Arco La potencia activa trifásica aplicada al circuito total del horno (Punto A) es: P² = S² - Q² P² = (3 V I) ² - (3XI²) ² = 9V²I² - 9X² I⁴ Derivando P respecto a la corriente I e igualando a cero, se obtiene Iopt, que es la corriente que maximizará la potencia activa aplicada al circuito del horno: (DP/dI) = 0.5 (9 V² I² - 9 X² I⁴) ⁻⁰·⁵ (18 V² I – 36 X² I³) = 0 18 V² I - 36 X² I³ = 0 V² = 2 I² X² Iopt =V/ √2 .X = U²/ √6. X Por lo tanto, la potencia activa trifásica máxima aplicada será: Pmax² = 9 (Iopt) ² (V² - X². Iopt²) = 9V² (V² - V²X²/2X²) / 2X² Pmax = 3V²/2X = U²/ 2X La potencia aparente trifásica aplicada es: S = 3 V Iopt = 3V²/ √2 X = U²/ √2 X El Factor de potencia del circuito es FP = P/S = √2 /2 = 0.7071 La potencia reactiva trifásica aplicada es: Q = Pmax La resistencia de arco, cuando la potencia activa es máxima en el punto A, puede ser deducida, ya que al ser FP = 0.7071 R=X Punto A (RA+R₀ +R₁+R₂+R₃+R₄) = (X₀+X₁+X₂+X₃+X₄) RA = (X₀+X₁+X₂+X₃+X₄) -(R₀ +R₁+R₂+R₃+R₄) Para otros puntos del circuito y de acuerdo a la nota del APENDICE A, se puede obtener la resistencia del arco RA, que maximiza la potencia activa en puntos seleccionados del circuito. Punto B: RA = (R₄²+(X₀+X₁+X₂+X₃+X₄)²)⁰·⁵ - (R₀ +R₁+R₂+R₃)
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Punto C: RA = ((R₃+R₄)² +(X₀+X₁+X₂+X₃+X₄)²)⁰·⁵ - (R₀ +R₁+R₂) Punto D: RA = ((R₂+R₃+R₄)²+(X₀+X₁+X₂+X₃+X₄)²)⁰·⁵ -(R₀ +R₁) Punto E: RA = ((R₁+R₂+R₃+R₄)²+(X₀+X₁+X₂+X₃+X₄)²)⁰·⁵ - R₀ La máxima potencia aparente del circuito ocurre cuando la resistencia de arco es nula (R=0) es decir cuando los tres electrodos están sumergidos en el metal fundido ocasionando un cortocircuito trifásico franco. Esta condición es denominada potencia de cortocircuito del horno. Scch = U²/Z con RA=0 Scch² = U⁴ / (r² + X²) Como r<
RAopt ² = (R₀ +R₁+R₂+R₃+R₄)² + (X₀+X₁+X₂+X₃+X₄)² Esta deducción es coincidente con la nota del APENDICE A. La corriente que origina la máxima potencia activa generada en los arcos es: Iopt² = V² / ((r+RAopt) ²+ X²) = V²/ ((r+ (r²+X²)⁰·⁵)²+X² = V²/2. (r²+r (r²+X²)⁰·⁵ + X²) =U²/6. (r²+r (r²+X²)⁰·⁵ + X²) En el APENDICE A se obtiene el mismo resultado desde otro punto de partida. La potencia activa máxima generada por los tres arcos es: PAmax = 3 RA. Iopt² = 3(r²+X²)⁰·⁵ V²/2(r²+r (r²+X²)⁰·⁵ + X²) = (r²+X²)⁰·⁵ U²/2(r²+r (r²+X²)⁰·⁵ + X²) La potencia aparente aplicada al circuito es: S = 3V Iopt = 3 V²/ (2)⁰·⁵ (r²+r (r²+X²)⁰·⁵ + X²)⁰·⁵ = √3 U.Ipot =U²/ (2)⁰·⁵ (r²+r (r²+X²)⁰·⁵ + X²)⁰·⁵ La potencia aplicada al circuito es: P² = (3V Iopt) ²- (3XIopt) ² P²= 9V² (V²-V²X²/2(r²+r (r²+X²)⁰·⁵ + X²) 2(r²+r (r²+X²)⁰·⁵ + X²) P² = 9V⁴ (1-X²/2(r²+r (r²+x²)⁰·⁵+X²)) 2(r²+r (r²+X²)⁰·⁵ + X²) P² =U⁴ (1-X²/2(r²+r (r²+x²)⁰·⁵+X²)) 2(r²+r (r²+X²)⁰·⁵ + X²) El factor de potencia del circuito es: FP² = (1-X²/2(r²+r (r²+x²)⁰·⁵+X²)) 1.4.3. Curvas de Operación del Horno de Arco En base a las ecuaciones del ho4no de arco desarrolladas, es posible graficar curvas de potencia activa, potencia reactiva, potencia aparente y factor de potencia del circuito, así como potencia activa generada en los arcos, tensión de arco, resistencia de arco y eficiencia en función de la corriente. 37
Con el objeto de facilitar los análisis se ha diseñado un programa computacional CUHORI en base a las ecuaciones del horno de arco que grafica los resultados de estas ecuaciones. Se ha efectuado asimismo con el programa mencionado, un análisis paramétrico, (tabla V) del cual podemos concluir. - Manteniendo constante el valor de la reactancia , la potencia activa absorbida por el circuito del horno, disminuye al disminuir la tensión en una proporción cuadrática de la tensión aplicada en los bornes del circuito y se traslada hacia la izquierda, al aumentar la tensión el efecto es contrario. La corriente aumenta proporcionalmente con la tensión. - Manteniendo constante la tensión, la potencia activa máxima es proporcional a la inversa de la reactancia. La corriente aumenta proporcionalmente con la disminución de la reactancia del circuito. - Si aumentamos o disminuimos tanto la reactancia como la tensión podemos mantener constante la corriente, sin embargo la potencia activa aumenta con el cuadrado de la tensión. - Variando la tensión así como la reactancia de tal manera de mantener constante la relación U²/X, es posible mantener constante la potencia activa en el circuito del horno. Asimismo se ha diseñado otro programa CUHORQ, que permite graficar los diagramas circulares P-Q, es decir la potencia activa y la potencia aparente en función de la potencia reactiva, para cada tensión secundaria del transformador de horno de arco. De esta manera se han desarrollado programas para facilitar el estudio del funcionamiento de los hornos de arco. 1.4.4. La tensión de Operación y el Arco Se concluye tanto de las ecuaciones como de las curvas de operación que la potencia activa absorbida por el circuito del horno así como la potencia activa generada por los arcos, es proporcional al cuadrado de la tensión aplicada, es decir a la tensión seleccionada en el gradín del transformador de horno.
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Por lo tanto esto es un parámetro muy importante por su sensibilidad ya que de ello depende la potencia del arco y por lo tanto la capacidad de fundir el metal, con el calor generado (transmitido en parte por radiación y en parte por convección) y asimismo el grado de perturbaciones que originará en la red del suministro de energía. El rango de variación de la tensión de la red de suministro debido a las características propias de la operación del sistema eléctrico influirá también en la operación del horno de arco. Una variación de 10% en la tensión de suministro originará una variación en la potencia activa del horno de 21% o sea aproximadamente el doble. Los diseñadores de hornos de arco tienen en cuenta este hecho proporcionando generalmente gradines con tensiones más elevadas de lo necesario para compensar factores externos adversos y/o no estimados. Es conveniente acotar que en los cálculos se debe considerar la reactancia efectiva, que tiene en cuenta la presencia de corrientes armónicas introducidas por la característica no lineal del arco. En efecto la reactancia calculada teóricamente puede ser entre 5% a 15% menor respecto a la obtenida en los ensayos. A esta reactancia efectiva o la reactancia de operación puede ser de 10% a 30% mayor que la reactancia de cortocircuito (encontrada con la prueba de cortocircuito trifásico) dependiendo del número de cables por fase del circuito secundario del horno de arco y del factor de potencia. La tensión apropiada en el transformador del horno de arco (y por lo tanto la tensión en el arco) depende de la impedancia del circuito. Tal como se ha demostrado, la resistencia de arco que produce la máxima potencia generada por los arcos es igual al módulo de la impedancia del circuito. La impedancia del circuito que se considera es aquella desde los bornes de los electrodos hasta la barra infinita. Por lo tanto una impedancia de suministro mayor, requerirá una mayor resistencia de arco lo que trae
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consigo una corriente de arco menor y por lo tanto menor potencia de arco, para una tensión dada. La potencia del arco se puede aumentar elevando la tensión suministrada al horno y esta es la razón por lo cual una impedancia del circuito del horno mayor requiere una tensión mayor. Es decir la misma potencia de arco se puede mantener con menor tensión si la impedancia es menor. Hemos estado hablando de impedancia, sin embargo es conveniente recordar que el factor preponderante es la reactancia que es del orden de cinco a diez veces mayor que la resistencia. Asimismo es conveniente resaltar que la mayor parte de las reactancias se encuentran en el lado de baja tensión (y alta corriente) del circuito del horno de arco, es decir entre el secundario del transformador de arco y los electrodos. Entre el 15% y el 25% de la reactancia total está del lado de alta tensión del transformador de horno, hasta la barra infinita y entre el 85% y 75% en el lado de baja tensión, hasta los electrodos. Por lo tanto, cualquier esfuerzo en disminuir la reactancia del circuito de baja tensión contribuirá a que se requiera tensiones de transformador de arco más bajas. En algunas ocasiones, los suministradores de energía se han visto tentados a exigir reactancias de transformadores sobredimensionadas o incorporar reactores en serie al circuito de los clientes con hornos de arco, con el objeto de protegerse de las perturbaciones causadas por el horno. Sin embargo, esto puede ser compensado utilizando tensiones de transformador más altos, anulando la medida tomada. Al ser la reactancia total más alta y al consumir el horno su potencia activa máxima, las variaciones de potencia reactiva y las fluctuaciones de tensión son mayores debido al mayor I²X consumido en los transformadores con reactancias sobredimensionadas o reactores extras. Si se quiere limitar la potencia consumida por el horno se debe utilizar un gradín de tensión menor en el transformador de horno de arco que
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será equivalente a incrementar la reactancia vista por el suministrador de energía. Si se quiere limitar la potencia consumida por el horno se debe utilizar un gradín de tensión menor en el transformador de horno de arco que será equivalente a incrementar la reactancia vista por el suministrador de energía. Para disminuir la reactancia secundaria total, se pueden tomar algunas medidas: a.- En los transformadores: -Escoger la reactancia (tensión de cortocircuito) menor posible del rango normal en los transformadores, en el momento de solicitarlos al fabricante. -Usar la menor cantidad de transformadores en serie desde el punto de suministro hasta el horno de arco. - No utilizar niveles de tensión intermedios mayores a los necesarios. -Ubicar los gradines de los transformadores intermedios en tal posición que su reactancia sea menor. - Utilizar transformadores en paralelo para la alimentación de los hornos. -Sobredimensionar en lo posible la potencia aparente nominal de los transformadores, ya que operarlos a la menor potencia que la nominal da origen a menor caída de tensión en el transformador y en consecuencia menor reactancia aparente. La potencia aparente nominal del transformador de horno de arco se calcula dividiendo la máxima potencia activa tomado por el circuito entre el factor de potencia del mismo. Como el factor de potencia está entre 0.7 y 0.8, normalmente la potencia aparente será entre 40% y 25% mayor que la potencia activa máxima. En el caso de fundición de “pellets” prereducidos, la potencia máxima es casi constante y no sería posible subdimensionar el transformador de horno, para sobrecargarlo 41
(15 a 20%) durante los períodos de fusión, como podría efectuarse con otro tipo de carga, como chatarra. En un diseño normal, la potencia activa será de 80 a 90% la aparente o sea la potencia aparente nominal del horno será de 11% a 25% mayor que la máxima potencia activa del horno de arco. b.-En el horno de arco: -Reducir la longitud de los conductores (cables y barras) ya que la reactancia es directamente proporcional a ésta. -Aumentar el diámetro de los conductores de cada fase y/o disminuir la separación entre fases ya que la reactancia es directamente proporcional a la distancia entre fases e inversamente proporcional al radio de los conductores. - Utilizar configuración de los electrodos y conductores que minimizan la reactancia por fase. Un arco corto produce radiación térmica que principalmente está dirigida hacia abajo, en dirección a la carga, mientras que un arco largo produce mayor porcentaje de radiación térmica dirigida hacia arriba en dirección a la bóveda y a los costados del horno, con mayor desgaste del material refractario y por consiguiente mayor costo de explotación. En particular al finalizar el período de fusión, cuando la chatarra ya no protege las paredes y bóveda del horno es importante tener un arco corto. De las curvas de operación se observa que es preferible operar en el punto de máxima potencia de arco o hacia la derecha de éste (mayor corriente) ya que la tensión de arco será menor, y por lo tanto su longitud. La zona normal de trabajo estará entre los dos máximos de potencia activa (circuito y arco). Un arco es una descarga eléctrica en un gas, en nuestro caso el aire caracterizado por su pequeña tensión y su gran corriente. El arco se extingue cada vez que la corriente pasa por cero, y la tensión de reencendido entre la punta del electrodo y el material en el horno es 42
igual a la tensión secundaria del transformador de horno, entre fase y neutro en este momento. Esta tensión de reencendido tiene una importancia decisiva, y es mayor con factor de potencia alto que con factor de potencia bajo, cuando la potencia aparente y la reactancia del circuito están dadas. Por lo tanto, la estabilidad del arco depende del factor de potencia que tenga el circuito del horno. Asimismo, la estabilidad del arco depende de la corriente, ya que al ser esta mayor, el arco es más grueso y l región entre el electrodo y la carga está más ionizada. Por consiguiente, el arco se enciende antes y por mayor seguridad para corrientes grandes y por lo tanto para factores de potencia bajos. En consecuencia, es conveniente que el horno trabaje con un factor de potencia relativamente bajo para conseguir un funcionamiento estable al menos durante la etapa inestable, al comienzo del período de fusión. En conclusión, una reactancia del circuito de baja tensión menor, trae consigo el empleo de una tensión aplicada menor para una potencia de horno dada, y por lo tanto arcos de menor longitud, que causan menores desgastes al material refractario y mayor radiación térmica concentrada sobre la carga, con factor de potencia más bajo, dando arcos más estables. Asimismo al ser la reactancia menor hay beneficios adicionales, tales como menor potencia reactiva generada y por lo tanto menor tamaño de equipos de compensación de potencia reactiva, transformadores de horno de menores dimensiones y menores perturbaciones a la tensión de la red de suministro. APENDICE A Calculo de la corriente que origina la mayor potencia de arco de horno Si
Pa =P – PR = (S² - Q²)⁰·⁵ - 3 rI² = (9V²I² -9X² I⁴)⁰·⁵ - 3rI²
Derivando PA con respecto a I e igualando a cero para obtener la corriente óptima Iopt. DPA/dI = ½(9V²I²-9X²I⁴) ⁻⁰·⁵ (18 V²I – 36X²I³) DPA/dI = (9V²I²-18X²I³) (3I) ⁻'(V²-X²I²) ⁻⁰·⁵-6rI = 0 43
3V²-6X²I² - 6rI (V²- X²I²)⁰·⁵= V²- 2X²I² -2rI (V²-X²I²)⁰·⁵= 0 V²- 2X² I² -2rI² ((V/I) ²-X²)⁰·⁵= V²-2X²I²-2rI² (Z²-X²)⁰·⁵=0 Como (Z²-X²)⁰·⁵=r+RA V² - 2 I² (X²+r(r+RA)) =0 I = V / √2 (Z²+r²+rRA) ⁰·⁵ Como la resistencia de arco que origina la máxima potencia es. RAopt = (r²+ X²)⁰·⁵ ** Iopt' = V/√2 (r²+r (r²+X²)⁰·⁵ + X²)⁰·⁵ = U/√6 (r²+r (r²+X²)⁰·⁵ + X²)⁰·⁵ **NOTA La máxima potencia tomada por una carga ZL se produce cuando es igual al conjugado de la impedancia compleja de la fuente ZG es decir ZL = ZG, en este caso RAopt = ZL por lo que RAopt= [ZG*]= (r²+X²)⁰·⁵ NORMA PARA LIMITAR LAS PERTURBACIONES ORIGINADAS POR ACERIAS CON HORNO ELECTRICO A. OBJETIVO El objetivo de la presente norma es fijar los límites a las perturbaciones que originan las acerías con hornos de arco para evitar molestias y reclamos de otros usuarios. B. DEFINICIONES Punto de Conexión Común Es la barra de la red de suministro que está eléctricamente más cerca de la instalación de los hornos de arco de donde otros usuarios son alimentados actualmente o podían conectarse en el futuro. Potencia de Cortocircuito en el Punto de Conexión Común (SCC) Se entiende que es la potencia de cortocircuito trifásica aparente en la barra de suministro de la planta con hornos de arco, definida como punto de conexión común en la situación de mínima demanda (generación) normal. Los cálculos de cortocircuito deben efectuarse utilizando el promedio de las reactancias transitorias y 44
subtransitorias en las máquinas síncronas y sin sobrevaluar las tensiones iniciales en las barras. En consecuencia, es preferible contar con datos de flujo de potencia para las condiciones iniciales en la situación de mínima demanda y no despreciar la componente resistiva de los diversos elementos de la red para no sobrevaluar la potencia de cortocircuito en este caso particular. Las condiciones especiales de la red como configuraciones de mantenimiento (preventivo o correctivo) o de emergencia no deben considerarse. Potencia de Cortocircuito del Horno (Scch) Es la potencia aparente absorbida por todos los componentes de la instalación de horno de arco (electrodos, cables, barras, transformador de horno de arco, eventual reactor, etc.) cuando el complejo se alimenta a la tensión nominal y los electrodos están sumergidos en la chatarra fundida ocasionando un cortocircuito trifásico franco. Potencia equivalente de Varios Hornos Es la potencia (nominal Sne o la de cortocircuito Scche) de un horno ideal que instalada en un punto determinado produce el mismo efecto disturbante equivalente de todos los hornos instalados en la red, tanto en la misma barra como alejados eléctricamente. Para N hornos de arco en una instalación, la composición se efectúa exactamente utilizando el método desarrollado por F. Jenkins (The Electricity Council- Supply to Arc Furnaces- Engineering Recommendation P.7/2-July 1970). Sin embargo, una buena aproximación es utilizar la fórmula siguiente con m=4.
n
N
S=
(Si)ⁿ i=1
Para obtener la potencia equivalente considerando un criterio conservador se debe asumir m=2.
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En el caso de hornos de potencia igual para una evaluación rápida, asumir como factor multiplicativo: KN = 1 + N/10
(1 < N ≤ 6)
Potencia Equivalente de Hornos Alejados Eléctricamente En el caso de un horno Sj alejado eléctricamente de una barra de suministro “i” debe considerarse el factor Kij para tener en cuenta el efecto de este horno Sj sobre el nodo “i”, evaluándose la potencia equivalente Sij: Sij = Kij. Sj Kij = Zij / Zii S
= Potencia nominal o de cortocircuito del horno de Arco
Z
= Elementos de la matriz de impedancia de la red.
Depresión de Tensión (Vt) Es la caída de tensión producida durante el cortocircuito trifásico de los electrodos sumergidos en la chatarra fundida Vt = 100 x (Scche/Scc)
en %
Fluctuaciones de Tensión Son aquellos cambios bruscos del valor eficaz de la tensión entre un valor máximo y un valor mínimo sin exceder el 2% de la tensión nominal y con un período de oscilación menor a un segundo. La frecuencia de fluctuación en los hornos de arco puede variar de 1 a 30 Hertzios. Factor de Desbalance (FD) Se expresa por la relación de la tensión de secuencia inversa o negativa a la tensión de secuencia directa o positiva. 46
Armónicas Tensión o corriente que se presenta en la red eléctrica pero con una frecuencia que es múltiplo de la fundamental. C.- Limites de perturbaciones para hornos de arco por depresión de tensión La depresión de tensión ocasionada por los hornos de arco en el punto de conexión no será mayor a. Vt = 2.5% para tensiones menores a 132 KV. Vt = 2% para tensiones iguales o mayores a 132 KV Límites por Fluctuaciones de Tensión En el punto de conexión común no debe sobrepasarse en total una variación porcentual de tensión 8flicker) mayor al 0.3% referido a una frecuencia de 10 Hz. respecto a la tensión de suministro. Límites de Desbalance El factor de desbalance permanente en el punto de conexión común de la planta con hornos de arco no debe ser mayor a 0.75%. Limites de Distorsión Los hornos de arco no podrán introducir en el punto de conexión, armónicos de tensión mayor a los definidos con las fórmulas siguientes: Armónicas Pares Uh/Ul ≤ 0.5 % Armónicas Impares Uh/Ul ≤ 1%
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Distorsión ∞ D2 =
(Uh/Ul)²
≤ 1.5%
h=2 Uh = Tensión Armónica Ul = Tensión Nominal a la frecuencia industrial fundamental D = Factor de Distorsión El factor de Distorsión Total en una barra no podrá ser en ningún caso mayor al 3%. Hay que evaluar las armónicas hasta h=19, para efectos prácticos.
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Tamaños Máximos de horno de arco en función de la potencia de Cortocircuito País Scc/Scch Observaciones Min. Med. Max. Reino 36 48 60 Menor o igual a 132 kV. Unido 45 60 75 Mayor a 132 kV. Francia
50 33
Horno RP, arco largo, f.p=0.8 Horno UHP, arco corto, Intensidad elevada, f.p=0.7
Italia
40
Igual que Suecia
España
31
43
61
29
40
56
27
37
51
Alemania
50
57
63
Japón
29
35
40
49
Mayor de 130 kV, zona Siderúrgica. Mayor de 130 kV., zona Poco siderúrgica Resto de zonas
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