Industria del Acero - Informe

INTRODUCCIÓN

En el presente informe se pretende describir en forma generalizada el funcionamiento de un horno de arco, la influencia que pueda provocar en la red eléctrica, el funcionamiento de este tipo de equipo, una simulación a través de SIMCAD de la operación del dispositivo.

Primero que nada se debe explicar que, por la información recopilada y los antecedentes respecto a este tema, este equipo opera en forma completamente aleatoria, es decir, la influencia o impacto de carga en la barra donde este conectado no depende de las características eléctricas del dispositivo o del tipo de material que se este fundiendo. Mas bien su operación quedará determinada por la cantidad de cortocircuitos provocados en cada una de las fases en forma totalmente al azar y los niveles de arco eléctrico provocados en cada aplicación de este dispositivo de la industria metalúrgica y minera. Sin embargo, estos mecanismos hoy en día vienen con dispositivos para compensar reactivos, sistemas de control para suavizar las corrientes a través de reactores los cuales se conectan y desconectan en momentos determinados de la operación del horno de arco, todo esto a fin de poder obtener un impacto de carga más suave y con la conexión de compensadores de reactivos para obtener contenidos armónicos de bajo orden.

Como antecedente en esta industria acerera se tienen hornos de arco de 12 MW, el que se califica como horno de tamaño medio. En otras industrias se pueden encontrar hornos de hasta 100MW de potencia, con gran capacidad de carga.

HORNOS DE ARCO

1. Características Constructivas

El horno de arco constructivamente posee una cuba, que es la componente de mayor volumen de este equipo, la cual está construida con paredes laterales verticales, cilíndricas y el fondo tiene la forma de un casquete esférico. Dentro de esta cuba se introduce la chatarra (material que se desea fundir).

En la parte superior de la cuba, sobre el nivel del baño de material fundido se encuentra la piquera que se utiliza para vaciar la colada y sangrar la escoria.

Se utilizan materiales refractarios, en la mayoría de los casos, para revestir la cuba y rara vez se utilizan materiales ácidos que además participan en el proceso metalúrgico de la fundición que se produce en el horno.

La tapa para cubrir la cuba es casi exclusivamente revestida con ladrillos de silicio.

Para provocar el arco, cortocircuito entre la chatarra y las fases se usan tres electrodos que pasan a través de la tapa y hacen contacto con el material. Estos electrodos pueden ser de grafito artificial o de carbón amorfo, se construyen con rosca interior prevista para roscado continuo, para poder gastarlos completamente. Para obturar los electrodos de la tapa, se emplean unos anillos enfriados por agua. Para sujetar los electrodos se emplean unos brazos porta-electrodos y a través de estos llega la alimentación de energía eléctrica. Unas columnas (en hornos grandes se utilizan columnas del tipo móviles) para electrodos fijan la trayectoria de estos dentro de la cuba.

Existen hornos pequeños y hornos grandes, los primeros se cargan manualmente y para los segundos el procedimiento de carga es por jaula.

Otro aspecto a destacar en la parte constructiva son los dispositivos de basculación, estos permiten que el horno pueda inclinarse, hay de tipos hidráulicos y mecánicos accionados por motor. El horno debe inclinarse unos 45º para la colada y hasta 15º para sangrar la escoria.

1. Funcionamiento:

El principio de funcionamiento puede ser explicado considerando el sistema transformador-horno en una representación monofásica.

[pic 2]

Figura 1

Donde:

Ra, Rb, Rc        :Resistencias primarias, secundarias y del cable transformador-horno respectivamente.

Xa, Xb, Xc        :Reactancias primarias, secundarias y del cable transformador-horno respectivamente.

Rh, Xh        :Resistencias y reactancias del horno.

Ru                :Rarco + Rcarga.

Ru es la resistencia útil del horno; es la que provoca el efecto electrotérmico útil que permite fundir el material de carga en la cuba.

Lo único que puede variarse es la distancia útil Ru, esto se logra modificando la distancia entre los electrodos y el material de carga (a fundir).

Para dejar en funcionamiento el horno, los electrodos se bajan hasta tocar la carga (cortocircuito); luego se levantan produciendo el arco eléctrico.

Durante la operación normal del horno, para obtener una colada de hierro uniforme, a partir de una carga de chatarra fría, se distinguen dos fases:

1. Período de fusión: En este período, toda la carga inicial y las cargas agregadas sucesivamente se llevan al estado de fusión (temperatura de 1400ºC aproximadamente).
2. Período de afinación:        La masa fundidad viene sobrecalentada hasta 1600ºC aproximadamente; esto con el fin de obtener la fluidez necesaria para el buen estado de la colada en las lingoteras.

Con el objeto de disminuir el período de fusión, se trata de usar la mayor tensión de arco compatible con el buen rendimiento y duración del horno. Rn efecto, la práctica ha demostrado que en este período no conviene superar los 140-150 (V), debido a que con tensiones mayores se obtienen arcos demasiados alargados que irradian una gran cantidad de calor hacia las paredes y tapa del horno, disminuyendo el rendimiento y la duración del revestimiento refractario.

En la etapa de afinación, se reduce la tensión hasta los 90 (V) aproximadamente con el fin de no obtener un sobrecalentamiento demasiado rápido.

En los hornos trifásicos, ambas tensiones pueden obtenerse conmutando el primario del transformador de delta a estrella (en vacío). El secundario del transformador siempre se encuentra conectado en estrella.

En el siguiente esquema se muestra la conexión típica de un horno de arco.

[pic 3]

Figura 2.-Horno de Arco

De la figura 2 se pueden distinguir:

1. Seccionador
2. Transformador de tensión
3. Amperímetro
4. Voltímetro
5. Watímetro/registrador
6. Contador
7. Interruptor de potencia
8. Transformador de intensidad
9. Bobina de reactancia
10. Interruptor para puentear
11. Transformador del horno
12. Accionamiento por motor del conmutador de tensiones
13. Transformador de intensidad
14. Cable flexible
15. Amperímetros
16. Voltímetros
17. Horno de arco
18. Tubos de Cu refrigerados por Agua
19. Punto de conexión en estrella

El horno tiene un consumo variable de corriente durante la fusión de la chatarra ya que durante este tiempo las distancias de los electrodos a la chatarra varía constantemente. La duración de las variaciones de corriente queda limitada por la velocidad con la cual pueden ajustarse los electrodos mediante la regulación. La corriente máxima absorbida por el electrodo depende, sin embargo, de la resistencia eléctrica en el circuito del horno. En estas instalaciones de horno, la resistencia óhmica es pequeña en relación con la inductiva, por lo que influye muy poco en la impedancia total. Por el contrario, con grandes intensidades de corriente y pequeñas tensiones, la resistencia inductiva determina los peak de corriente máxima posible. Por lo general, especialmente en los hornos pequeños, es necesario aumentar más la resistencia inductiva, utilizando una bobina de reactancia, a fin de mantener durante el período de fusión las variaciones de corriente dentro de límites que sean admisibles para la red. Mas aún, la resistencia inductiva determina también el factor de potencia de la instalación, el cual se encuentra directamente relacionado con la máxima magnitud de los peak de corriente. Si se desean peak de corrientes más pequeños, es necesario aumentar la reactancia. Por lo tanto, no puede concordarse buen factor de potencia con pequeños peak de corriente en los hornos de arco.

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