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Horno doble de arco de corriente continua y bajo consumo de energía, para chatarra de baja calidad

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pero en las condiciones normales de un horno de arco tiene siempre un valor inferior a la unidad. El peso de la carga de chatarra se calcula con la fórmula siguiente: Peso de la carga =

peso de colada rendimiento

(1)

Considerando un rendimiento del 92%, para obtener 100 t de peso de colada es necesaria una carga de 109 t. Para calentar chatarra de calidad normal desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de colada (∼ 1630 ˚C), se necesitan aproximadamente 380 kWh/t de carga.

El horno de arco de corriente continua con doble cuba de ABB, con consumo de energía optimizado, proporciona a las acerías una unidad de fusión que permite producir competitivamente acero bruto a partir de chatarra de baja

Energía de fusión = = 380 kWh · 109 t = 41 420 kWh t

(2)

calidad. Una refinada técnica de quemadores complementarios y lanzas de oxígeno permite precalentar la chatarra ahorrando una considerable cantidad

La energía de fusión es idéntica a la ener-

de energía y reduciendo la solicitación sobre el medio ambiente.

gía necesaria físicamente; es, por tanto, el mínimo de energía necesaria.

L

os trabajos de desarrollo del nuevo

horno de arco de corriente continua con

Balance energético de los hornos de arco

Pérdidas no estacionarias Las pérdidas no estacionarias son las pérdi-

doble cuba (EODCTEAF, Energy Optimized Los «gastos» en el balance

das que se producen durante el proceso de

de energía

fusión, es decir, que varían en función del

nuevas vías para optimizar el consumo

El balance energético de un horno de arco

tiempo, pero que no se producen –o si se

total de energía en la fabricación de acero

voltaico, y de cualquier otro horno de fu-

producen son poco importantes– cuando el

–y con él el porcentaje de corriente eléctri-

sión, presenta las tres «posiciones princi-

horno está parado. Son las siguientes:

ca– empleando la acreditada tecnología

pales de gastos» siguientes:

•

de corriente continua de ABB. La materia

• • •

Direct Current Twin Electric Arc Furnace) 1 se han centrado en la búsqueda de

prima principal para la carga será chatarra de baja calidad (es decir, con bajo peso

las pérdidas no estacionarias, las pérdidas estacionarias.

específico y alto contenido de impurezas orgánicas) y, en menor cantidad, otros

pérdidas por los gases de escape (humos),

las sustancias a fundir,

• • • •

calor extraído con la escoria, pérdidas por radiación del arco, pérdidas durante la carga del horno, pérdidas eléctricas.

materiales ferrosos, como el hierro-espon-

Material a fundir

Estas pérdidas son inevitables, puesto que

ja, el arrabio y otros similares.

El rendimiento de hierro y de sustancias

dependen del proceso, pero el control del

Comparado con los hornos de cons-

acompañantes, tanto las deseables como

mismo permite reducirlas o incluso minimi-

trucción convencional, el nuevo horno de

las indeseables, varía según la clase de

zarlas.

ABB da resultados muy superiores con

materias primas utilizadas para la carga,

Para los gases de escape y la escoria,

combustibles fósiles y con las sustancias

esto significa que, fundamentalmente, hay

que de forma natural están contenidas en

que reducir el volumen total de ambos.

el arrabio o en el hierro-esponja. Esto ha

Para influir sobre las pérdidas por radia-

sido posible gracias a que el proceso de

ción, lo más sencillo es acortar el tiempo

postcombustión tiene lugar en el horno

con arco.

mismo y está controlado con gran preci-

La pérdida durante la carga del horno

sión.

es la suma de las pérdidas por los gases

La Tabla 1 muestra las posibilidades del horno de arco de corriente continua con doble cuba.

18

Revista ABB

Hubert Trenkler

de escape y por la radiación. Tiene un

ABB Industrie AG

orden de magnitud de 12–20 kWh/m2 aproximadamente (m2 = superficie de la

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1

El nuevo horno de arco con doble cuba, para una producción anual de 750 000 t de acero

masa en fusión; min = tiempo en minutos

Las pérdidas eléctricas en el transfor-

rante tiempos prolongados, independien-

entre la apertura y el cierre de la bóveda).

mador, en el rectificador, en la reactancia y

temente –o casi independientemente– del

Para un horno de 100 t esto significa unas

en los componentes de transporte de

control del proceso. Podemos citar las si-

pérdidas de 400 a 450 kW/min. La forma

energía dependen fundamentalmente de la

guientes:

más sencilla de reducirlas es minimizar la

corriente y de la duración de funciona-

•

duración del proceso de carga.

miento. Al igual que las pérdidas por radia-

Puesto que los gases de escape no

ción, también estas pérdidas disminuyen

sólo producen pérdidas de energía, sino

sensiblemente al reducir la duración de

que durante su formación son fuentes de

funcionamiento del arco.

la pérdida de calor a través del revestimiento refractario del horno, pero sobre todo

•

las pérdidas por refrigeración, es decir, el calor disipado en el agua de refrigera-

calor, se intenta aprovechar en la medida

ción de los paneles de las paredes y de

de lo posible la energía que contienen,

la bóveda del horno.

tanto la sensible como la ligada química-

Pérdidas estacionarias

Estas pérdidas se producen independien-

mente, directamente en la unidad de fu-

Las pérdidas estacionarias, o en régimen

temente de que el horno esté en funciona-

sión.

permanente, son las que se producen du-

miento o no. Son unas pérdidas especial-

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mica liberada por el arco. Además de la energía eléctrica se utilizan otros portado-

Tabla 1: Característica del horno de arco de corriente continua con dos cubas (EODCTEAF) Producción anual Peso de colada Potencia eléctrica Potencia del transformador Diámetro del electrodo Consumo de electrodo Consumo de:

> 750 000 90 64 100 28 1,4

carbón cal fuel-oil oxígeno energía eléctrica

45 50 10 60 < 340

res, que liberan energía química durante el proceso de funcionamiento del horno de arco.

t t MW MVA inch kg/t

Estos procesos químicos de transformación se pueden subdividir en dos grupos:

•

procedimientos puramente metalúrgicos,

kg/t kg/t l/t Nm3/t kWh/t

•

procesos complementarios de combustión.

Procedimientos metalúrgicos Los procesos metalúrgicos, que por su mente gravosas para los costes de operación si el horno está parado, ya que es necesario compensarlas al ponerlo en marcha de nuevo.

propia naturaleza pueden ser extremada-

l kcal (50 + 30) m ⋅150 2 ⋅5 = l m min kWh kcal = 70 = 60 000 min min 2

(3)

mente complejos, liberan grandes cantidades de energía, dependiendo de los materiales utilizados y de la calidad del acero que se quiera colar. Por ejemplo, la oxida-

Podemos ilustrar la situación con un pequeño ejemplo de cálculo. Un horno de

Las pérdidas estacionarias totales de un

ción de los elementos acompañantes del

construcción convencional para 100 t de

horno de este tipo alcanzan un valor de

arrabio libera una cantidad de energía con

carga tiene cerca de 50 m2 de paneles re-

unos 80 kWh/min. Con esta energía se

la que se podría fundir un peso de chata-

frigerados por agua en las paredes y unos

podría calentar 1 t de chatarra fría hasta

rra equivalente a un tercio del peso propio

casi 600 ˚C.

del arrabio.

30

m3

en la bóveda. Por cada

m2

de su-

perficie refrigerada deben circular 150 li-

Aunque esta aportación energética del

tros de agua por minuto. Si el agua de re-

proceso metalúrgico reduce la necesidad

frigeración tiene una diferencia de tempe-

«Ingresos» en el balance térmico

de energía eléctrica, no puede considerar-

ratura de 5 ˚C entre la entrada y la salida,

Los «ingresos de energía» de un horno de

se como sustitución de energía propia-

la pérdida por enfriamiento tiene el valor

arco provienen en primer lugar de la con-

mente dicha, pues se produce siempre,

siguiente:

versión de energía eléctrica en energía tér-

por la propia naturaleza del proceso.

2

Diagrama de funcionamiento de un horno de arco P t

Potencia Tiempo

3

Diagrama de funcionamiento de un horno de arco P t

Procesos complementarios de combustión Se puede conseguir una sustitución en

Potencia Tiempo

sentido estricto de energía eléctrica utilizando portadores suplementarios de energía fósil, conjuntamente con el aire u oxígeno.

100 %

La tecnología actual de acerías ofrece 100 %

un gran número de sistemas distintos para realizar lo anterior. Mencionaremos sólo

66 % 66 %

53 % 0.8 27 %

algunos:

• •

quemadores complementarios, lanzas de oxígeno o de oxígeno y carbón en polvo,

0.6

• •

P

P

toberas en el fondo del baño, inyectores de oxígeno.

Mas adelante se tratarán los sistemas rele3.5 1.4

min

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min t

t

20

3.5

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vantes para el horno de arco de corriente continua con doble cuba.

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Diagramas de funcionamiento Las relaciones entre el modo de explotación de un horno y las pérdidas que se

100 %

100 %

100 %

producen, en régimen permanente o no, pueden representarse fácilmente de forma gráfica 2 . Para nuestras consideraciones

66 %

tienen poca importancia los «ingresos de

I

energía», por ejemplo por quemadores suplementarios.

II

III

P

Con el fin de proteger la cubierta, la potencia plena (100 %) se alcanza sólo después de 1,4 minutos, después de pasar

3.5

3.5

3.5

por dos niveles intermedios, del 27% y del

5

min

t

53%, de la potencia total. El tiempo que se mantiene la potencia del 100% depende de la cantidad de materia prima utilizada. Si se trata sobre todo de chatarra, la potencia se mantiene en el valor 100%

4

Diagrama de funcionamiento de un horno de arco con tres cestas de carga P Potencia

t

Tiempo

I, II, III

1a, 2a y 3a cargas

hasta que se ha fundido cerca del 70% de la masa en cuestión. Cuando ya se ha fundido casi toda la carga, la potencia se reduce al 66%. Esto

po se producen también pérdidas no esta-

El incremento de la potencia total redu-

cionarias que hay que compensar.

ce la duración del ciclo, con lo que tam-

equivale a reducir la tensión e implica, por

Una primera medida para mejorar la si-

bién disminuyen las pérdidas en régimen

tanto, una reducción de la longitud del

tuación es introducir un horno con dos

permanente del horno vacío. Se trata de

arco. Esta reducción es necesaria para

cubas, alimentado alternativamente por el

un proceso iterativo que, conjuntamente

proteger los elementos laterales refrigera-

mismo sistema eléctrico 5 .

con la adaptación de la potencia total,

dos por agua, ahora libres, contra la radiación del arco.

Si se mantiene el ciclo que se muestra

permite conseguir en este caso un ciclo

en 4 , se produce la situación siguiente:

óptimo de 42–43 min con un incremento

•

reducción del tiempo de colada de 60

de la producción de hasta el 140%. Simul-

reduciendo el eje temporal para la dura-

a 54,5 min, gracias al desplazamiento

táneamente, las pérdidas aumentan en el mismo orden de magnitud.

La figura 3 es una simplificación de 2 , ción de la potencia de 100%. Sólo la fase

de los tiempos muertos al horno que

de sobrecalentamiento (66% de alimenta-

no está fundiendo; como resultado, la

ción de potencia) está representada por

producción aumenta hasta el 111%;

concepto tiene como resultado un consi-

aumento de las pérdidas por el horno

derable aumento de la producción, pero

vacío, hasta el 152%.

en realidad no ahorra energía. Y, además,

un bloque, más pequeño pero a escala correcta.

•

En consecuencia, la aplicación de este

De una duración de ciclo de 60 min,

En cualquier caso, la situación ilustrada en la

aumentan los costes de inversión y de ex-

cerca de 15,5 min son tiempos de parada

figura 4 no puede proyectarse directamente

plotación debido a la segunda cuba.

(dedicados, por ejemplo, a cargar las dis-

sobre 5 . Para cubrir las pérdidas suplemen-

tintas cestas) y tiempos de sangrado y

tarias es necesario aumentar la potencia total.

preparación 4 . En la Tabla 2 puede verse un resumen de las pérdidas que se producen en un horno de 100 t. En este modo de funcionamiento, cerca

Tabla 2: Pérdidas en un horno de arco de 100 t

de 15,5 min de cada ciclo es tiempo improductivo, un tiempo perdido que ade-

Tipo de pérdida

más provoca la pérdida de unos 5500 kWh, que hay que compensar más tarde, durante la explotación. En realidad, las pérdidas provocadas por este modo de funcionamiento son mucho

Duración min

Pérdidas Perdidas Pérdidas totales de carga kWh estacionarias kWh kWh

1a carga 2a carga 3a carga Colada Trabajos complementarios

3,5 3,5 3,5 3,5 2,5

1400 1400 1400

280 280 280 240 160

1680 1680 1680 240 160

Σ

15,5

4200

1240

5440

más altas, ya que para una potencia de conexión dada se tardan varios minutos en compensar las pérdidas. Durante ese tiem-

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El horno en fase de no fusión tiene, sin embargo, una función suplementaria deci100 %

100 %

100 %

siva para el procedimiento general: el pre-

3.0

calentamiento de la chatarra. 66 % P

I

De ello resultan dos ventajas importan3.5

III

II

tes de este horno de doble cuba frente a

3.5

cualquier otro del mismo tipo: min

3.5

3.5

I

•

El precalentamiento cubre las pérdidas producidas durante los tiempos de pa-

III

II

rada. t

•

66 % 100 %

100 %

El precalentamiento de la chatarra tiene como consecuencia, además de un

100 %

mejor comportamiento de fusión, una drástica reducción de la necesidad de energía eléctrica y del tiempo de fusión. 5

Diagrama de funcionamiento de un horno de arco con doble cuba P Potencia

t

Tiempo

I, II, III

Descripción de las instalaciones

1a, 2a y 3a cargas

En abril de 1997 entrará en servicio en Malasia el primer horno de arco de coMinimización del consumo de

Si la fase de fusión está constituida por

rriente continua con doble cuba optimiza-

energía aumentando al mismo

un solo bloque, el sistema de carga única

do energéticamente 7 . Las cubas tienen

tiempo la producción

del horno que no está en funcionamiento

un diámetro interior de 6,1 m y el peso de

elimina casi por completo los tiempos im-

colada estará entre 85 y 95 t. En función

Consideraciones generales

productivos 6 . El giro del electrodo es, en-

del peso de esta, el horno podrá funcionar

Se puede reducir el consumo total de energía,

tonces, el único factor que prolonga el tiem-

con un pie de baño de 20 a 30 t. La parte

y también el de electricidad, haciendo unas

po de producción.

inferior de la cuba tiene una construcción

pocas pero importantes modificaciones cons-

El sangrado, la preparación y la carga

prácticamente idéntica a la de un horno de

tructivas, aplicando modernas tecnologías de

única se siguen realizando cuando el agre-

arco normal, de corriente continua, del

apoyo y modificando el modo de carga.

gado está en fase de no fusión.

mismo diámetro. Por el contrario, la parte superior del horno tiene una gran altura, de 6,5 m por 6

Diagrama de funcionamiento de un horno de arco de corriente continua con doble cuba, con consumo de energía optimizado P Potencia t Tiempo

encima de la superficie de trabajo 8 . El eje del codo de gases de escape se en-

I 1a carga Pr Precalentamiento de la chatarra

cuentra a 8,5 m por encima de dicho nivel. La gran altura de la parte superior del horno y el incremento del volumen total favorecen el sistema de carga única, incluso si se utilizan los tipos de chatarra más desfavorables, con densidades del orden

100 %

de 0,6 t/m3, lo cual ya produce ahorro de 66 %

tiempo y energía. Pero además, las impu-

I

rezas de origen orgánico, en principio indeseables, tienen como consecuencia un

Pr

P

importante aumento de la producción. min

Pr

t I

Por supuesto, es posible emplear otros materiales ferrosos en lugar de la chatarra, materiales como arrabio líquido o sólido

66 %

y/o hierro-esponja. De todos modos, considerando que la chatarra ha de formar

100 %

una columna de suficiente altura y que ha de ser correctamente precalentada, el peso de las mencionadas sustancias fe-

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5

3 2

4

6

1

7

Planta de horno de arco de corriente continua con doble cuba. El puesto de control está dispuesto de modo que el jefe de horno tenga vista sobre las puertas de escoria y sobre los operadores de lanzas. 1 Horno de arco de corriente continua 2 Puesto de mando del horno de arco

3 Transformador y rectificador 4 Transformador del horno de cuchara

5 Horno de cuchara 6 Puesto de mando del horno de cuchara

rrosas no debería superar el 30 a 35% del

dario de la cuba y de los electrodos. Con

dispone de columna de electrodos girato-

peso de chatarra.

estas medidas se obtiene el mismo grado

ria 7 . Unidos a él se encuentran dos sis-

Las paredes laterales, formadas por paneles refrigerados por agua, de la parte

de seguridad de explotación que en los

temas de vías, separados entre sí, que

hornos normales.

unen las zonas de fusión y de postrata-

superior del horno están subdivididas en

Un control óptimo del proceso exige

miento. Como consecuencia lógica del

dos secciones de igual altura constructiva,

prestar atención especial a la alimentación

principio de horno de dos cubas, este

separadas entre si, una medida constructi-

de chatarra. Para evitar que durante la ex-

modo de trabajo permite simplificar y me-

va que permite sustituir con más rapidez

plotación se produzcan daños en los ele-

jorar la logística, desde la fase líquida

los elementos que puedan estar dañados

mentos de pared refrigerados por agua y

hasta la máquina de colada continua.

y, además, aporta una flexibilidad operati-

en las lanzas de oxígeno y de carbón en

va mucho mayor cuando el uso de mate-

polvo, la chatarra densa (de más de 0,7

rias primas distintas no justifica el gran vo-

t/m3) sólo puede cargarse hasta la altura

Materias primas

lumen de la cuba.

de la puerta de escoria. Y en tal caso

El uso de chatarra como materia prima,

Debido a la gran altura constructiva, la

habrá que añadir a la cuba un tercio del

además del arrabio y del hierro-esponja,

carrera de los electrodos alcanza 8,5 m.

carbón total necesario y un tercio de la

tiene especial importancia en este tipo de

Para evitar valores demasiado altos de los

cantidad total de cal viva o de dolomía.

horno.

momentos, el brazo portador de los elec-

Las demás sustancias se añaden de forma

Contra todo lo acostumbrado, la mejor

trodos, de aluminio, es autoportante. El

continua o discreta durante el proceso de

materia prima es la chatarra barata de baja

mástil de electrodos es una estructura

fusión por una abertura especial de la bó-

densidad (