Estrategias de Control de Potencia para Incrementar la Eficiencia Energética en Hornos de Arco Eléctrico de Corriente Alterna Fernando Martell Chávez 1,2,*, Irma Yolanda Sánchez Chávez 1,2 1 Ingeniería Mecatrónica S. A. de C. V. 2 Tecnológico de Monterrey, División de Ingeniería y Arquitectura, Campus Aguascalientes Los hornos de arco eléctrico (HAE) juegan un rol primordial en la producción de acero, mejoras continúas en su tecnología y mejores prácticas operativas han permitido un mejor control del proceso de fundición y refinación de la carga metálica. En el presente trabajo de investigación describe la tecnología de los HAE, sus principios de funcionamiento y algunas de sus prácticas operativas. El presente trabajo establece la conveniencia de utilizar indicadores de estabilidad y de cobertura de arco como variables de proceso en los sistemas de control de la potencia de los HAE, y propone un control dinámico para optimizar la transferencia de potencia en los HAE con el objetivo de incrementar la eficiencia energética y lograr reducir el consumo específico de energía medido en kwh por tonelada de acero líquido producido. Palabras clave: horno de arco eléctrico, eficiencia energética, control de potencia 1. Introducción En menos de 50 años la acerías con hornos de arco eléctrico (HAE) se han transformado de ser instalaciones funcionales simples de bajo costo y pequeño volumen de producción de un mismo grado y calidad de acero, a ser plantas con tecnología continuamente en desarrollo capaces de producir mayores volúmenes de cualquier tipo de grado y calidad de acero. Los hornos de arco eléctrico han ido creciendo en capacidad instalada aumentando su participación en la producción mundial de acero hasta alcanzar niveles de un poco más de un tercio de la producción mundial. La energía eléctrica es el principal insumo energético de los HAE, por lo tanto, el control de los parámetros eléctricos que definen la longitud del arco y el nivel de potencia del horno es muy crítico para una operación eficiente, sin embargo para establecer esos niveles de operación se tienen que considerar las condiciones del proceso. Las prácticas operativas han ido evolucionando. Durante muchos años se definieron perfiles de potencia con arcos cortos y corrientes elevadas, buscando cubrir el arco en la escoria y reducir así el desgaste de los refractarios de las paredes laterales y bóveda. Las mejoras tecnológicas, como la utilización de sistemas de enfriamiento en paneles y bóveda, así como la práctica operativa de formación de escoria espumosa, han permitido utilizar mayores potencias, con arcos largos y menores corrientes, con las ventajas que ello reporta en cuanto a menor consumo de electrodos, mayor factor de potencia y potencia promedio * Autor para correspondencia: fmartell@ingmt.com Córdoba 204, Fracc. El Dorado, Aguascalientes, Ags., CP 20235
de funcionamiento y en consecuencia mejores eficiencias eléctrica y térmica, y aumento en la productividad. 2. Fundamentos Un HAE consiste en un sistema eléctrico industrial conectado por medio de múltiples cables de grueso calibre hacia los electrodos de grafito que están soportados por columnas y mástiles. El principio de operación básica consiste en establecer y controlar, a través de los electrodos, un arco eléctrico como fuente de potencia para formar un plasma que transfiera calor suficiente, por conducción, convección y radiación, que logre tanto la fundición de la chatarra, fierro de reducción directa y demás materiales que se adicionan tanto en la carga como en la refinación del baño líquido para lograr cierto grado de acero. En la Fig. 1 se muestra un horno de arco eléctrico de corriente alterna [2]. Figura 1. Horno SIEMENS-VAI-FUCHS [1] Un HAE tiene otros componentes y sistemas como lo son: los quemadores de gas natural y oxígeno que auxilian en el precalentamiento y fundición de la chatarra; las lanzas de oxígeno utilizadas durante la etapa de refinación del baño de acero; los sistemas de adiciones de minerales ferrosos, caliza y carbón para formación y espumamiento de escoria; sistemas mecánicos para el giro de la bóveda del horno y para la inclinación de cuba y bóveda para el vaciado; y el sistema de enfriamiento de los paneles. A partir de un transformador de potencia de gran capacidad conectado a un bus de medio voltaje se deriva separadamente un sistema eléctrico que puede constar de uno o más transformadores y que pueden tener reactores en serie. En los HAE del tipo de corriente alterna (AC), el sistema eléctrico consta de un transformador conectado en delta tanto en el primario como en el secundario al cual se conectan los electrodos en cada fase. Los hornos de corriente directa (CD) utilizan varios transformadores, uno por cada sistema rectificador controlado por pulsos que se conectan en paralelo para sumar capacidad de corriente hacia el electrodo que se utiliza como cátodo; esta configuración requiere de electrodos o placas montadas en la cuba del horno para cerrar el circuito eléctrico con los rectificadores. Los hornos de CA siguen siendo la configuración más predominante, sin
embargo, el porcentaje de instalaciones de hornos de CD va en aumento debido a las ventajas reportadas como mejor control de la potencia activa y estabilidad del arco. Durante el proceso de fundición y refinación se requieren de grandes cantidades de energía, y el requerimiento de potencia puede cambiar súbitamente por la naturaleza no lineal y caótica del arco y por las condiciones dinámicas del proceso. Estos cambios en la carga causan problemas como: variaciones y desbalances en el voltaje, distorsión de la onda de voltaje de la fuente y un bajo factor de potencia. Existen diversos tamaños de hornos en términos de peso de vaciado y del tamaño nominal de sus sistemas de potencia, los cuales se clasifican en alta potencia, muy alta potencia y ultra alta potencia [2]. Se denomina colada (heat) al proceso completo de fundición y refinación de una o más cargas de chatarra combinadas con otros minerales ferrosos, durante una colada los parámetros eléctricos del arco eléctrico varían drásticamente, debido a las condiciones de inestabilidad del arco durante las etapas iniciales de profundización y fundición, pero conforme aumenta la cantidad de carga fundida las condiciones de estabilidad mejoran y es posible transferir más potencia eléctrica. El ciclo completo de la colada incluye las siguientes etapas: carga inicial de chatarra; profundización; fundición, puede incluir una o más recargas de chatarra con sus etapas de profundización y fundición; y las etapas finales de refinación y de vaciado. 3. Estado de la Técnica El arco eléctrico es controlado mediante un sistema hidráulico con una unidad de potencia y grandes cilindros que permiten el moviendo vertical de los electrodos, aunque también existen instalaciones con sistemas de malacates y cables de acero que usan motores eléctricos como impulsores. Los actuales sistemas de control emplean perfiles potencia, sin embargo, estos sistemas primordialmente buscan operar en la máxima potencia del sistema eléctrico con el fin de transferir la máxima potencia hacia los arcos eléctricos. En la figura 3 se muestra el modelo equivalente de un HAE de corriente alterna [4]. R X HAE R HAE X arco R arco V 1 X tra R tra R tra X tra N S X HAE R HAE X arco R arco g V 3 R tra X tra V 2 T X HAE R HAE X arco R arco Figura 2. Circuito eléctrico de un horno de corriente alterna [4] En la definición de los puntos óptimos operativos de potencia en los hornos de arco eléctrico, es de suma relevancia identificar el punto de operación donde la potencia activa
sea máxima en el arco eléctrico y que a su vez implica la máxima transferencia de potencia eléctrica hacia la carga; ese punto de potencia máxima no es fácil de calcular por la nolinealidad del arco eléctrico y las condiciones dinámicas de la colada. En la Fig. 3 se puede notar también que el punto de máxima eficiencia ocurre para valores menores de corriente respecto a los cuales se obtiene la máxima potencia en el arco eléctrico. Figura 3. Curvas de potencia y eficiencia en hornos de arco eléctrico; adaptado de [5] El valor de la corriente para el nivel de potencia máxima del arco en condiciones sinusoidales se selecciona considerando las pérdidas del sistema eléctrico debidas a resistencias de las líneas de alimentación desde el punto de acoplamiento común, es decir, estimando la resistencia total desde el bus infinito hasta la punta de los electrodos. Es por esta razón que el punto de máxima potencia en el arco se obtiene en un valor de corriente menor al del valor máximo de la potencia que puede obtenerse de la fuente y que queda definido por el valor total de reactancia de la línea. Por otra parte es importante mencionar que debido a que se tienen diferentes condiciones dinámicas de estabilidad del arco y a que los arcos eléctricos imponen distorsión armónica variante durante el proceso de la colada, el valor de reactancia operativa será también dinámico, por lo cual las diferentes etapas de la colada requerirán diferente valores de corriente para obtener los valores de máxima potencia del arco [6]. La eficiencia térmica juega un rol primordial en la definición de los puntos operativos en potencia dado que la utilidad de los diferentes mecanismos de transferencia de calor es variable a través de la colada. Diversos estudios han concluido en la conveniencia de incrementar la radiación térmica en presencia de chatarra, existen indicadores como el índice de desgaste de refractario (RWI) propuesto por Schwabe [7], ecuación (1), que permite evaluar el efecto de incrementar la longitud de arco y se obtiene en relación inversamente proporcional a la distancia de los electrodos a la coraza. (1)
Existen propuestas teóricas como el modelo de radiación térmica de Dittmer y Krüger [8], dado en la ecuación (2), que establece que el calor disipado por radiación térmica será también directamente proporcional al incremento del voltaje del arco y, en este caso, inversamente proporcional a una potencia fraccional de la corriente. Al igual que en la propuesta de Schwabe, se considera que se obtendrá mayor radiación térmica utilizando un valor mayor de voltaje del arco. (2) 4. Indicadores de Arco y Control dinámico de la potencia El objetivo principal del presente trabajo de investigación es el de proponer ideas para ser tomadas en cuenta en esfuerzos de optimización de los HAE; estas ideas consideran un enfoque de uso eficiente de energía y establecen que es posible controlar la potencia en punto de operación de mayor eficiencias energéticas tanto térmica como eléctrica. Para la optimización y control de los procesos es conveniente definir indicadores de funcionamiento que sirvan como variables de proceso. Mediante el análisis espectral de las señales de voltaje y corriente del arco es posible correlacionar el contenido armónico con la estabilidad del arco, entendiendo la estabilidad como la desviación de la variable de proceso respecto a su punto de operación. En la Fig. 4 se muestran los valores de los indicadores de estabilidad y cobertura [4,9], en éstos se pueden distinguir las diferentes etapas de la colada, de esta manera estos indicadores de las condiciones del arco son sumamente útiles en la definición de las etapas de la colada. En el presente trabajo de investigación se utiliza el procesamiento digital de la señales de voltaje y corriente para determinar la estabilidad y cobertura del arco. Figura 4. Indicadores de estabilidad y cobertura de arco
En la Fig. 5 se muestra la estrategia propuesta para el control de la potencia donde se muestra que el nivel de potencia operativa queda definido tanto por el tap seleccionado en el transformador como por la referencia (set-point) de corriente (o de impedancia) que finalmente establecerá un valor de longitud del arco a través del sistema de regulación de arco y del sistema de control de electrodos. Es importante la retro-alimentación de los indicadores de estabilidad y cobertura que se dan hacia el control de la potencia. Figura 5. Control dinámico de la potencia en un horno de arco eléctrico En general, se pueden especificar tres criterios para la selección de los valores de corriente de referencia (o set point) aplicada al regulador de electrodos ante las diversas condiciones de arco, lo primeros dos criterios son los siguientes: 1) Un mayor radiación térmica implica mayor transferencia de calor cuando los arcos están brindados por chatarra, se tiene que la corriente se puede estimar en el punto de mayor radiación térmica: 2) Cuando ya no hay presencia de chatarra, la eficiencia térmica se obtiene cubriendo los arcos con escoria espumosa y es cuando se puede operar al máximo nivel de potencia del arco y determinar su valor de corriente: Ambos criterios implican mayor eficiencia eléctrica (mayor factor de potencia) que los puntos de operación de mayores corrientes convencionalmente utilizados, y que si bien, implican máxima potencias operativas del transformador, no necesariamente aseguran una mayor potencia transferida hacia los arcos eléctricos y la carga. Un tercer criterio es aplicado al final de la colada cuando ya no se tiene suficiente escoria espumosa y eso implica que se tenga que reducir la longitud del arco ya sea reduciendo el voltaje (tap) del transformador y utilizando el valor nominal de corriente operativa (para ese tap). Los tres criterios previamente discutidos se resumen en la tabla 1. (3) (4)
Tabla 1. Criterios operativos para las diferentes etapas de colada CONDICION DEL ARCO En condiciones de arco inestable en presencia de chatarra Cuando el arco es estable y está cubierto de escoria Cuando el arco ya no es tan estable por la condición de que ha bajando el nivel de escoria CRITERIO DE LONGITUD DE ARCO Se puede incrementar la radiación térmica de los arcos eléctricos, esto es, incrementar la longitud de arco ayudará a transferir más potencia a la carga de chatarra incrementando la eficiencia térmica del proceso de fusión Se puede operar a la máxima potencia útil de los arcos eléctricos, esto permitirá mayor transferencia de potencia hacia el baño de acero Se debe de operar con un nivel de voltaje y corriente que establezcan arcos más cortos. Los criterios de la tabla 1 justifican la utilización de mayores longitudes de arco para incrementar la radiación en condiciones de arco inestable en presencia de chatarra y permiten también estimar el punto máximo de potencia del arco en condiciones de estabilidad y cobertura de arco. Resultados prácticos Se ha desarrollado e implementado un sistema de adquisición de datos para un horno de arco eléctrico de corriente alterna para el procesamiento digital de los indicadores de estabilidad y cobertura con el objetivo de identificar correctamente las etapas de la colada. En la Fig. 6 se muestra como para una colada experimental se obtienen menores valores de corriente operativa a lo largo de la colada, lo cual implica menor consumo específico de energía por kwh/t sin afectar la productividad. Figura 6. Comparación del promedio de corriente de una colada experimental y de una colada típica de operación Aplicando los criterios previamente mencionados se estimaron también los valores de corriente para cada etapa de la colada y de esta manera se pudo rediseñar el perfil de potencia. En la Fig. 7 se muestran la curvas de potencia obtenidas de una colada con mayores referencias de corriente y de una colada experimental, observando los recuadros podemos apreciar como los rangos operativos en las curvas de potencia han sido
modificados hacia rangos de menor corriente tanto para condiciones de arco inestable como para condiciones de arco estable. Figura 7. Comparación de curvas de potencia (arriba: colada original, abajo: colada experimental) Los resultados operativos de aplicar estos conceptos es haber obtenido un ahorro de 9.6 kwh (2.2%) por tonelada de acero liquido; adicionalmente se obtuvo un ahorro en el consumo de electrodos estimado en 8%. Ambas mejoras se obtuvieron sin incrementar el tiempo de conexión, es decir, sin afectar la velocidad de fusión del horno. Información más detalla de estos resultados operativos se puede consultar en [10]. Conclusiones Los criterios para la selección del valor de corriente juegan un papel muy relevante en la transferencia eficiente de la potencia una vez que las condiciones del arco han sido determinadas por indicadores de estabilidad y cobertura. Las ideas propuestas en el presente trabajo de investigación han permitido confirmar y justificar la utilidad en el uso de arcos largos para incrementar la radiación térmica en presencia de chatarra y un criterio mejor definido para operar el horno en la potencia máxima en los arcos en condiciones de estabilidad y cobertura del arco. Los valores de corriente propuestos son menores a los convencionalmente utilizados por lo cual proporcionan mayor eficiencia energética. Las
mejoras obtenidas por implementar las estrategias de control, que aquí se recomiendan, se explican y justifican únicamente por el incremento en las eficiencias térmicas y eléctricas. Agradecimientos Agradecemos el apoyo recibido para la realización de este trabajo. Se aplicaron fondos del CONACYT del Programa de Estímulos a la Innovación 2014 en la modalidad INNOVAPYME, proyecto número 210545. Referencias 1. [Online]. Available: www.metalproducing.com 2. F. B. Reuben, Thoughts on Improving the Electric Arc Furnace Model, Power and Energy Society General Meeting - Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, 2008 IEEE 3. B. Bowman and K. Krüger, Arc Furnace Physics, Verlag Stahleisen, Düsseldorf, 2009. 4. F. Martell, Energy Efficient Power Control of Alternate Current Electric Arc Furnaces, Disertación Doctoral, Tecnológico de Monterrey, México, 2012. 5. Y. Toulouevski and I. Ziburov, Innovation in Electric Arc Furnaces, Springer-Verlag Berlín, 2009. 6. F. Martell, M. A. Ramírez, A. Llamas and O. Micheloud, Theoretical estimation of peak arc power for Electric Arc Furnaces, ISIJ International, Vol. 53, No. 5, (2013), pp. 1. 7. T.E. Miller, Reactive Power Control in Electric Systems, Wiley, Hoboken, NJ, 1982. 8. B. Dittmer and K. Krüger, Theoretical approach to modeling thermal radiation in electric arc furnaces, Electro-Heat International, Vol. 4, (2009), pp. 195. 9. F. Martell, A. Deschamps, R. Mendoza, M. Meléndez, A. Llamas and O. Micheloud, Virtual Neutral to Ground Voltage as Stability Index for Electric Arc Furnaces, ISIJ International, Vol. 51, No. 11, (2011), pp. 1846. 10. F. Martell, R. Mendoza, A. Llamas and O. Micheloud, Increasing Energy Efficiency of the Electric Arc Furnace at Tenaris Tamsa, Annual Conference of the Association of Iron and Steel Technology (AISTech) 2012, Atlanta, USA, pp. 793.