Introducción Ciertos temas relacionados con la operación de los hornos de arco eléctrico son bastante conocidos pero, otros, especialmente aquellos que se refieren a los efectos de los parámetros eléctricos sobre los consumos (energía y electrodos) o sobre las características del arco (estabilidad y longitud) son, frecuentemente, motivo de malentendidos.
A veces se piensa que el regulador de las corrientes del horno posee la capacidad de aumentar potencias, reducir consumos de energía, modificar longitudes y/o estabilizar los arcos, cuando esto en realidad es consecuencia única de los valores de tensión, corriente y reactancia del circuito escogidos por los responsables de la operación.
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Parámetros eléctricos y consumos de energía Sin duda, elegir los parámetros de operación (tensión, corriente y reactancia) correctos es fundamental para obtener la potencia activa requerida y la productividad prevista, con arco estable (factor de potencia adecuado) y con los menores consumos de electrodos posibles, sin erosionar excesivamente las paredes y la bóveda del horno, evitando sobrecargar el transformador y los conductores o perturbar excesivamente la red eléctrica. Pero, salvo en casos extremos, los parámetros eléctricos de operación tienen poca o ninguna influencia en la cantidad de energía necesaria para producir una determinada cantidad de acero. 2
Consumo de energía El consumo de energía para producir una tonelada de acero depende del tamaño del horno, del tipo de carga, de los tiempos de horno parado y de horno operativo, de las pérdidas térmicas en el ambiente y en el agua de enfriamiento de las paredes, de las pérdidas en la escoria, en el pié liquido y en la refrigeración de electrodos y, depende, también, de la temperatura de vaciado del acero, del rendimiento metálico y, entre otros factores, de las pérdidas eléctricas en los conductores. Balance de energía típico para un horno de 100 toneladas que opera preponderantemente con chatarra cargada con dos cestos: 3 Energía útil: 380 kWh/t Energía perdida en la escoria: 55 kWh/t Pérdidas eléctricas en los conductores: 20 kWh/t Pérdidas en los gases y cuba: 110 kWh/t Energía total de salida: 565 kWh/t
Energía de entrada: 565 kWh/t
Consumos de energía eléctrica y química En los hornos modernos, la energía es suministrada no sólo en la forma eléctrica pero también en la química (oxígeno reaccionando con el carbono). En el ejemplo anterior, el horno demandaba una cantidad de energía de 565 kWh por tonelada de producto, pero esa energía podría ser suministrada con diferentes proporciones de energía eléctrica y química, por ejemplo:
Se trata del mismo horno consumiendo siempre la misma cantidad de energía pero con diferentes porcentajes de energía química/total. 4
Pérdidas eléctricas Las pérdidas eléctricas (I².r) son las que ocurren en los conductores del horno en función de la circulación de corriente. Veamos cual es el efecto de estas pérdidas sobre el consumo de energía para un horno que posee una resistencia de pérdidas de 0,4 mOhm, opera normalmente con 1200 V, 60 kA y factor de potencia 0,75. Se parte de la premisa que, para el tipo de carga normal de este horno, el consumo de energía es de 565 kWh/t, siendo 165 kWh/t correspondientes a energía química.
Se observa que al reducir la corriente de 60 kA para 50 kA ocurre una muy pequeña reducción del consumo de energía acompañada de una muy fuerte reducción de la potencia activa (menor productividad). La reducción de la tensión de 1200 V para 700 V obviamente provoca una fuerte caída de la potencia con cierto aumento del consumo de energía.
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Análisis de los consumos de energía El consumo de energía de un horno depende fuertemente del tipo de carga. Cuando la chatarra es de baja densidad o el horno es de volumen reducido a veces es necesario realizar la carga del horno con tres o cuatro cestos por colada. Para cargas con más de dos cestos, a cada carga adicional, en un horno de 50 toneladas, el consumo de energía aumenta en aproximadamente 25 kWh/t. Para nuestro ejemplo original, si la carga fuera realizada en cuatro etapas el consumo de energía total (eléctrica + química) podría aumentar para 615 kWh/t ( sería un poco menor para un horno de 100 toneladas). Normalmente los consumos de energía son referidos a las toneladas de producto y, si el rendimiento metálico es muy bajo, el consumo específico aumenta. Si el horno consumía 565 kWh por tonelada de producto con el rendimiento metálico de 89 %, el consumo con una chatarra de menor densidad, que provoque un rendimiento de 83 %, aumentaría para 606kWh/t, aproximadamente. También hay que considerar el efecto que una chatarra sucia puede provocar en la energía perdida en la escoria, al obligar a utilizar mayor cantidad de cal. Temperatura final del acero elevada es una causa obvia de mayor consumo. Tiempos tap to tap elevados, especialmente cuando resultan de altos tiempos de horno inoperante, son generalmente la principal causa de consumo excesivo.
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Potencia ativa Si bien los valores de tensión, corriente y reactancia no provocan un efecto significativo sobre el consumo de energía del horno, los mismos son fundamentales para obtener la productividad deseada con arco estable, bajos consumos de electrodos y normal agresión del arco a las paredes. Para alcanzar una cierta producción de acero por hora, será necesaria una determinada Potencia: P (kW) = Cee (kWh/t) x G(t) / Power On (h), donde Cee es el consumo específico de energía eléctrica, G(t) es el peso de producto por colada y Power On es el tiempo de horno operativo por colada. Para un determinado proceso, como fue visto, el horno precisa de una cierta cantidad total de energía que puede ser provista con mayor o menor proporción de energía química. El tiempo de horno operativo será siempre proporcional al consumo específico de energía eléctrica pero, disminuirá cuando se aumente el consumo de energía química.
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Tiempo Power On Ejemplo: Tiempo Power On para horno de 100 toneladas, con consumo de energía total de 565 kWh/t, diferentes consumos de energía química y diferentes valores de potencia activa:
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Tensión y longitud del arco La tensión de arco Va es igual a V x cos fi/1,73, donde V es la tensión entre fases en vacío y cos fi es el coseno fi real en la barra infinita. Sea un horno que opera con una potencia activa de 75 MW y un factor de potencia real de 0,75, alimentado por un transformador de 100 MVA con 1300 V, 1100 V y 900 V:
Para estas tres alternativas la productividad va a ser prácticamente igual. La principal diferencia es que con las tensiones más altas se opera con corrientes más bajas (menores consumos de electrodos) y con longitudes de arco (proporcionales a la tensión de arco) más altas (mayor agresión del arco a las paredes).
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Para mantener el factor de potencia real de 0,75 para las tres alternativas del ejemplo anterior ciertamente tuvo que ser modificado el valor de la reactancia del circuito para cada caso. Del circuito equivalente del horno se puede deducir que el seno del ángulo ? es directamente proporcional al producto de la corriente y de la reactancia e inversamente proporcional a la tensión aplicada: seno ? = I . X . 1,73 / V. Para obtener un factor de potencia de 0,75, el seno deberá ser igual a 0,66.Los valores reales (considerado efecto de armónicas) de las reactancias para el ejemplo anterior serían los siguientes:
Para obtener un determinado factor de potencia, al aumentar la tensión debe ser aumentada la reactancia. 10 Reactancia del circuito
La reactancia operacional (o real) Xop del circuito es superior a la reactancia medida con onda sinusoidal X debido al efecto de las armónicas. El factor Xop/X aumenta cuando aumenta el coseno fi. A medida que se disminuye la corriente o la reactancia, el coseno fi aumenta y la tensión de arco (Va ?cos fi) también aumenta. Pero, a partir de cierto valor, una nueva disminución de corriente provoca un aumento mayor de la reactancia del circuito, causando una disminución del coseno fi real y, en consecuencia, de la tensión de arco. Ese punto de operación es conocido como límite de estabilidad.
Para el regulador conseguir mantener un cierto valor de corriente es necesario que una disminución de corriente provoque un aumento de la tensión de arco y, por lo tanto, para corrientes inferiores al límite de estabilidad el regulador no consigue mantener el valor de corriente previsto. 11 Reactancia operacional y estabilidad de arco
ZONA DE ARCO INESTABLE ARCO INESTABLE Para tensión de 1000 V y reactancia de 6 mOhm
Arco inestable Explicación del gráfico anterior Para disminuir la corriente es necesario aumentar la longitud del arco, subiendo los electrodos. En condiciones normales, el aumento de la longitud del arco provoca una disminución de la caída de tensión y, en consecuencia, la tensión de arco aumenta. Tenemos entonces una condición estable, porque la longitud del arco fue aumentada por el regulador y la tensión de arco aumentó en igual proporción por efecto del circuito. Pero, cuando se intenta regular una corriente inferior a la correspondiente al límite de estabilidad, la distancia entre los electrodos y la carga es mayor que la necesaria para mantener el arco con la tensión disponible y ocurre la extinción. Al cortarse la corriente, el regulador desciende los electrodos hasta provocar una nueva ignición. Pero, la corriente resultante va a ser superior a la prevista y el regulador sube de nuevo los electrodos hasta que una nueva extinción ocurre. De esta forma, el electrodo se mantendrá subiendo y bajando sin parar. Este fenómeno es conocido como “pumping”. En este caso existe una incompatibilidad entre la tensión escogida y la corriente, que, además de disminuir mucho la potencia activa, puede provocar vibraciones en los brazos y electrodos y movimientos bruscos de los cables refrigerados. 13
Arco largo y arco inestable Es bastante común que se asocie un arco largo con un arco inestable. En realidad, un arco puede tener una gran longitud y ser perfectamente estable. La longitud del arco es definida por la tensión de arco pero la estabilidad se define por el coseno fi sinusoidal que no puede ser superior a un determinado valor (aproximadamente 0,85 para el período de perforación, 0,88 para fusión y 0,90 para refino). Ejemplo para X = 6 mOhm, perforación.
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Evidentemente, definir un arco largo o un arco corto es una cuestión relativa. De un punto de vista práctico se podría decir que para los hornos actuales de gran capacidad, un arco de 250 mm es un arco corto, un arco de 450 mm es un arco largo y uno de 650 mm es muy largo. En realidad, según fue visto, es posible estabilizar arcos de cualquier longitud y actualmente las limitaciones para aumentar más la longitud del arco son: el desgaste de las paredes y la posibilidad de realizar una escoria espumosa de mayor altura.
Sin embargo, en relación a este tópico también existen algunas confusiones. Algunos fabricantes colocan en sus reguladores una opción de “arco corto” o “arco largo” que en realidad corresponde a “más corriente” o “menos corriente”. En realidad, como puede ser visto en la tabla anterior, una disminución de la corriente provoca un aumento muy pequeño de la tensión de arco y a partir de cierto punto desestabiliza el arco. El principal efecto de la reducción de corriente es la caída de potencia y, por tanto, de la productividad.
15 Arco largo y arco corto
Consumo de electrodos 16 El consumo de electrodos (kg/t), para igual consumo de energía eléctrica (kWh/t), es proporcional a la relación entre la corriente y la tensión del arco I/Va (consumo de punta) y a una relación un poco más compleja que corresponde al consumo por oxidación pero que básicamente muestra una dependencia con (H x D/I²), donde H x D es la superficie de oxidación del electrodo (H es la altura de oxidación y D es el diámetro del electrodo). Con base en la fórmula se concluye que el consumo de electrodos es inversamente proporcional a la tensión de arco, siempre y cuando el diámetro del electrodo se adapte a la corriente (al disminuir corriente, disminuir diámetro de electrodos). No siempre una reducción de la corriente provoca una disminución del consumo de electrodos porque cuando la corriente es demasiado baja en relación al diámetro de los electrodos una reducción de corriente provoca un aumento del consumo por oxidación superior a la reducción del consumo de punta. Este efecto se agudiza todavía más cuando la corriente cae abajo del límite de estabilidad (ver figura).
17 Consumo de electrodos
18 Consumo de electrodos
Flicker y distorsión armónica 19 En forma resumida, sin entrar profundamente en este importante tema, podemos decir que los niveles de flicker (parpadeo de la iluminación) y de distorsión armónica son proporcionales a la potencia de cortocircuito Scf del horno (potencia reactiva cuando los electrodos entran en contacto directo con la carga metálica). Del punto de vista operacional lo que puede ser realizado para disminuir en aproximadamente 20 % los niveles de perturbación (flicker y armónicas), sin disminuir la potencia activa, es operar con bajo factor de potencia real (aproximadamente 0,63/0,65), porque con esta condición se obtiene una menor relación Scf/P, además de un arco más estable (ver figura).
Flicker 20 Flicker mínimo
Resumen Para obtener la máxima productividad (t/h) es necesario operar con el máximo valor de potencia activa que sea compatible con las dimensiones del horno y con las características del transformador y del circuito de alimentación.
La potencia activa es igual al producto “tensión de arco x corriente”. Para determinada potencia activa, cuanto más alta sea la tensión de arco, mayor será la agresión del arco a las paredes y, en general, menor será el consumo de electrodos.
El tiempo de horno operativo (Power On) será proporcional al consumo específico de energía eléctrica e inversamente proporcional a la potencia activa.
Una mayor proporción de energía química reduce el consumo de energía eléctrica e indirectamente reduce el tiempo Power On. 21
Hornos grandes operados en condiciones normales, con bajos tiempos de paradas, carga de densidad adecuada que permita bajo número de cargas e alto rendimiento metálico (0,89/0,90), carga limpia que reduzca la cantidad de escoria y, temperatura de vaciado de 1620/1640 ºC, normalmente necesitan de una cantidad de energía específica de aproximadamente 545 a 565 kWh por tonelada de producto (palanquillas) o 485 a 508 kWh por tonelada de carga metálica.
Una parte de la energía suministrada es de origen químico. El consumo específico de energía eléctrica depende de la cantidad de energía química provista. Si determinado horno opera con consumo de energía de 565 kWh/t y son suministrados 165 kWh/t de energía química, el consumo de energía eléctrica será de 565 – 165 = 400 kWh/t. Es común que en las acerías se establezcan metas de consumos de energía eléctrica, cuando, en realidad, el objetivo debería ser buscar el mínimo consumo de energía total (eléctrica + química).
22 Resumen
Resumen Para que el regulador consiga mantener un arco estable, el circuito eléctrico debe poseer un cierto valor de reactancia que dependerá de la tensión y de la corriente utilizadas (seno fi sinusoidal = I . X . 1,73 / V debe ser suficientemente elevado como para que el coseno fi sinusoidal no sea superior a determinado valor, por ejemplo, 0,85 para el período de perforación).
La estabilidad del arco no tiene ninguna relación con la longitud del arco, que depende sólo de la tensión de arco. Un arco puede ser de gran longitud y ser estable, desde que haya una adecuada relación tensión, corriente y reactancia.
A veces se da a entender que un arco largo corresponde a la operación con baja corriente. En realidad, la disminución de la corriente provoca un pequeño aumento de la tensión de arco y a partir de un cierto punto causa arco inestable. 23
Resumen Para operar con una determinada potencia activa y los menores niveles de perturbación de la red eléctrica (flicker y armónicas) es conveniente operar con bajos factores de potencia reales (0,60 a 0,65) pero para esto se necesita un transformador con mayor potencia aparente (MVA).
Los parámetros eléctricos de operación (tensión, corriente, potencia, tensión de arco), en general no tienen gran influencia sobre los consumos específicos de energía. La excepción son casos extremos, como la operación abajo del límite de estabilidad (reactancia o corriente demasiado bajas para la tensión del transformador) o la operación con tensiones demasiado bajas y corrientes demasiado altas (elevadas pérdidas eléctricas). 24