Estrategias de Control de Potencia para Incrementar la Eficiencia

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
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Ingeniería Mecatrónica S. A. de C. V.
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].
V1
Xt
ra
Rtra
Rt
R
XHAE
RHAE
Xarco
Rarco
S
XHAE
RHAE
Xarco
Rarco
ra
N
Xtra
g
V3
V2
X tra
R tra
T
XHAE
RHAE
Xarco
Rarco
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:
(3)
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:
(4)
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.
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.