horno electrico de arco directo

8/3/2019 Horno Electrico de Arco Directo

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3. HORNOS ELECTRICOS DE ARCO

3.1 INTRODUCCION

Se utilizan, principalmente, para la fabricacin de acero a partir de chatarra y/oprerreducido.

En un horno elctrico de arco (H.E.A.) se pueden distinguir 3 partes fundamentales:

. Parte mecnica

Compuesta de:

- Cuba.

- Anillos de bveda.- Plataforma.- Mecanismo de basculacin.- Brazos portaelectrodos y columnas.- Mecanismo de accionamiento de electrodos.- Superestructura.- Vigas de suspensin de bveda.- Mecanismo de elevacin y giro de bveda.

. Parte elctrica

Compuesta de:

- Seccionador de entrada.- Interruptor general.- Transformador de potencia, (reductor de tensin).- Paneles de mando y control.- Embarrado secundario.- Batera de condensadores.

. Elementos complementarios

- Circuito hidrulico.- Equipo de regulacin.


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3.2 BALANCE ENERGETICO EN HORNOS ELECTRICOS DE ARCO

El balance energtico de un horno elctrico de arco (HEA) representa la elaboracin deuna colada.

Las entradas y salidas de energa se refieren a una tonelada de acero lquido,calculndose sus valores en kcal/t. En casos excepcionales, como puede ser eldesconocimiento del peso exacto de acero lquido, se podrn utilizar otras unidades:tonelada de lingote, tonelada de palanquilla de colada continua, etc.

El proceso de elaboracin del acero en el HEA influye decisivamente sobre el balanceenergtico. Por otra parte, este proceso de elaboracin puede variar considerablementede unas empresas a otras, entre diferentes hornos de una misma empresa e incluso entrediferentes coladas de un mismo HEA. En consecuencia, cada colada de un horno elctricotiene su propio balance energtico.

Todo esto da lugar a que el balance de energa del HEA deba calcularse de forma querepresente al conjunto de su produccin. En este sentido, deben emplearse los valoresmedios ms representativos de la misma.

El mtodo a seguir para calcular el balance energtico de un HEA depender de losdatos disponibles sobre su instalacin y su proceso productivo. Uno de los posiblesmtodos de clculo a aplicar se indica a continuacin.


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e) Composicin media de la escoria:

- SiO2 en la escoria = SiO2 (% en peso)

- MnO en la escoria = M n O (% en peso)

- Cr2O3 en la escoria = Cr2O3 (% en peso)

- P2O5 en la escoria = P2O5 (% en peso)- FeO en la escoria = FeO (% en peso)

- Fe2O3 en la escoria = Fe2O3 (% en peso)

f) Cantidades medias oxidadas de materias primas:

- Cantidad oxidada de carbono = C (kg)

- Cantidad oxidada de silicio = Si (kg)

- Cantidad oxidada de manganeso = Mn (kg)- Cantidad oxidada de cromo = Cr (kg)

- Cantidad oxidada de fsforo = P (kg)

g) Refrigeracin por agua (cada circuito);

- Caudal medio de agua de refrigeracin = Ca (m3/h)

- Temperatura entrada del agua = Te (C)

- Temperatura salida del agua = Ts (C)

h) Tiempo "tap-to-tap" o tiempo medio entre colada y colada = t (h)

i) Cantidad media de acero obtenido en una colada = W (t. acero lquido)

j) Cantidad media de escoria obtenida en una colada = D (kg)

k) Temperatura media de colada del acero lquido = T (C)

l) Temperatura ambiente = Ta (C)

Una vez conocidos estos valores, el clculo del balance energtico se har segn seindica a continuacin.


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ENTRADAS DE ENERGIA

1. Energa elctrica

La aportacin energtica (kcal/t) por el consumo de energa elctrica ser:

A (kWh/t) . 860 (kcal/kWh) = (kcal/t)

2. Quemadores

La combustin de un combustible, por ejemplo por el uso de quemadores, dar unaaportacin energtica de:

B (Nm3/t, kg/t) . PCI (kcal/Nm3, kcal/kg) = (kcal/t)

Cuando el combustible es precalentado, como puede ser el caso del fuel-oil, hay unaaportacin energtica adicional por el calor sensible del combustible precalentado, quese calcular segn:

B (kg/t) . Cc (kcal/kgC) . [Tc - Ta] (C) = (kcal/t)

3. Oxidacin de los electrodos

El calor generado por la oxidacin de los electrodos es el correspondiente a la

oxidacin del carbono, y su valor depender de los porcentajes de CO y CO2 en laatmsfera del horno.

Conocidos estos valores, la aportacin energtica ser:

E (kg/t) . ( (7,830 . Error!) + (2,200 . Error!) ) = (kcal/t)

Donde:

7,830 = kcal/kg C generadas en la oxidacin de C a CO2.

2,200 = kcal/kg C generadas en la oxidacin de C a CO.

Los porcentajes (% en volumen) de CO y CO2 en la atmsfera del horno deben

corresponder al valor medio de toda la colada. Si estos valores no son conocidos, sepodr considerar que el consumo de electrodos se reparte igualmente para la oxidacin aCO y CO2 por lo que el clculo se har de acuerdo a:


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(0.5 . E . 7,830) + (0.5.E . 2,200) = (kcal/t)

4. Oxidacin de la carga metlica

La aportacin energtica por la oxidacin de la carga metlica se calcular enfuncin de las cantidades oxidadas de silicio (Si), manganeso (Mn), cromo (Cr), fsforo(P), hierro (Fe) y carbono (C).

La cantidad a considerar para cada uno de estos elementos ser la diferencia entrela cantidad aportada como carga al horno y la cantidad presente en el acero lquido.

A la hora de realizar este clculo hay que analizar el proceso productivo del HEA y,sobre todo, las posibles adiciones de materias primas durante la colada que van amodificar la composicin qumica del acero lquido.

. El calor generado por la oxidacin del Si, Mn, Cr y P se calcular de acuerdo a:

- Silicio Error!. 7,460 (kcal/kg Si) = (kcal/t)

- Manganeso Error!. 1,680 (kcal/kg Mn) = (kcal/t)

- Cromo Error!. 2,620 (kcal/kg Cr) = (kcal/t)

- Fsforo Error!. 5,180 (kcal/kg P) = (kcal/t)

Donde:

7,460 = kcal/kg Si generadas en la oxidacin de Si a SiO2.

1,680 = kcal/kg Mn generadas en la oxidacin de Mn a MnO2.

2,620 = kcal/kg Cr generadas en la oxidacin de Cr a Cr2O3.

5,180 = kcal/kg P generadas en la oxidacin de P a P2O5.

Si no se pueden conocer directamente las cantidades oxidadas de cada uno deestos elementos, se pueden calcular en funcin de la cantidad total de escoria y de sucomposicin qumica (% en peso de los diferentes xidos). As, por ejemplo, lacantidad oxidada de Si podr calcularse segn:

kg Si oxidados = Error!. Error!


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. En el caso del hierro, su oxidacin da lugar a FeO y Fe2O3. El calor generado es:

Error!. (Error!. Error!. 1,150 + Error!. Error!. 1,755 ) = (kcal/t)

Donde:

1,150 = kcal/kg Fe generadas en la oxidacin de Fe a FeO.

1,755 = kcal/kg Fe generadas en la oxidacin de Fe a Fe2O3.

. La oxidacin del carbono se trata de forma similar a la indicada para la oxidacin delos electrodos. La aportacin energtica ser:

Error!. (8,080 . Error!+ 2,450 . Error!)= (kcal/t)

Donde:

8,080 = kcal/kg C generadas en la oxidacin de C a CO2.

2,450 = kcal/kg C generadas en la oxidacin de C a CO.

Como ya se ha indicado para el caso de la oxidacin de los electrodos, si lasporcentajes de CO y CO2 en la atmsfera del horno no son conocidos, la aportacin

energtica por la oxidacin del C se podr calcular de acuerdo a:

(0.5 . Error!. 8,080) + (0.5 . Error!. 2,450) = kcal/t)

5. Oxgeno

La inyeccin de oxgeno al horno elctrico tiene, generalmente, dos objetivosfundamentales: oxidacin de la carga y ayuda a la fusin de la chatarra.

El oxgeno utilizado para la oxidacin de la carga ya se ha considerado, desde elpunto de vista energtico, en el punto anterior.


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El consumo de oxgeno empleado para ayudar a la fusin, por ejemplo cortandochatarra, y fomentar la escoria espumosa se podr considerar con una equivalencia

energtica de 4.5 kWh/Nm3 O2.

Suponiendo que todo el consumo de oxgeno indicado en los datos iniciales

(cuestionario) se emplea como ayuda a la fusin, su aportacin energtica ser:

O2 (Nm3/t) . 4.5 (kWh /Nm3) . 860 (kcal /kWh) = (kcal/t)


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6. Formacin de escoria

La aportacin energtica por la formacin de la escoria se calcula en funcin de sucontenido (% en peso) en SiO2 y P2 O5, y considerando el calor generado en las

reacciones de formacin de SiO4 Ca2 y P2 O5 Ca3,

de acuerdo a:

Error!. ( (500 . Error!) + (1,210 . Error!) ) = (kcal/t)

Donde:

500 = kcal/kg SiO2 generadas en la reaccin de formacin SiO4 Ca2.

1,210 = kcal/kg P2 O5 generadas la reaccin de formacin de P2 O5Ca3.

Si el anlisis de escoria es desconocido, una aproximacin al clculo de la aportacinenergtica por la formacin de escoria es:

Error!. 200 = (kcal/t)

donde 200 es un valor medio de kcal/kg escoria generadas en su formacin.

7. Calor sensible de la carga

La carga metlica al horno elctrico puede aportar energa, como es el caso delprecalentamiento de la chatarra. La aportacin energtica por este precalentamientoser:

Error!. 0.12 (kcal/kg C) . [Tp -Ta](C) = (kcal/t)

donde 0.12 kcal/kgC es el calor especfico del acero.

La aportacin energtica total en el balance que se est desarrollando ser la suma

de todas las entradas de energa indicadas anteriormente.

SALIDAS DE ENERGIA

1. Calor sensible del acero lquido


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Se calcular de acuerdo a la siguiente frmula:

[332 + 0.19 (T - 1,600) ] . 1,000 = (kcal/t)

Donde:

332 = Entalpa (kcal/kg) del acero lquido a 1,600C de temperatura.

0.19 = Calor especfico (kcal/kgC) del acero lquido a temperaturas del orden de1,600C.

2. Calor sensible de la escoria

Se calcular segn:

Error!. 390 (kcal/kg) = (kcal/t)

donde 390 kcal/kg es un valor medio de la entalpa de la escoria.

3. Agua de refrigeracin

Para calcular el calor perdido en el agua de refrigeracin hay que considerar todoslos circuitos de refrigeracin existentes en el horno: paneles de cuba, bveda, etc. Nose considerarn los circuitos de refrigeracin del transformador y embarradosecundario.

Para cada uno de los circuitos considerados, la prdida de energa se calcular deacuerdo a:

Ca (m3/h) . 1 (kcal/m3C) . t (h) . [Ts - Te] (C) . Error!= (kcal/t)

La energa total perdida en el agua de refrigeracin se obtendr mediante la sumade calor perdido en todos los circuitos.

4. Otras prdidas de energa

Existen otras prdidas de energa, algunas de ellas de gran importancia, en el horno

elctrico de arco: prdidas elctricas, prdidas por radiacin y conveccin en el horno,prdidas en los gases y humos extrados por 4 agujero, etc.

Tericamente, todas estas prdidas pueden ser cuantificadas. Sin embargo, lasmediciones y clculos necesarios para su determinacin son extraordinariamentecomplicados. Adems, estas prdidas varan de forma importante a lo largo de unacolada, por lo que la exactitud del clculo final es bastante dudosa.


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Por todo ello, este conjunto de prdidas se calcula como diferencia entre el total deenerga aportada y la suma de las energas perdidas anteriormente mencionadas.


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3.3 ALGUNAS MEDIDAS TIPICAS DE AHORRO DE ENERGIA EN LOS HORNOSELECTRICOS DE ARCO

A continuacin se indican algunas de las medidas tpicas de ahorro de energa quese aplican a los hornos elctricos de arco. El anlisis se efecta para H.E.A. concretos

de la Comunidad Autnoma del Pas Vasco, contrastando el ahorro que se consigue yla inversin necesaria.

TRANSFORMADOR DE MAYOR POTENCIA

. Horno = 70 t. de capacidad (67 t lquidas).

. Transformador actual = 24 MVA.

. Produccin = 150,000 t/ao.

. Capacidad del trafo nuevo = 50 MVA.

. Inversin = 110 Mpts.. Costo kWh = 7.5 pts.

. Costo electrodos = 260 pts/kg.

Aumentar la potencia del transformador con una nueva unidad traera comoconsecuencia poder aumentar las tensiones en el secundario, trabajar con un mayorfactor de potencia, y por tanto, con una mayor potencia activa en el horno, permitiendotanto la disminucin del tiempo entre coladas como del consumo de electrodos.

Potencia = 24 MVA. Trafo actual

cos = 0.75

Potencia = 50 MVA. Trafo nuevo

cos = 0.83

El H.E.A. trabajando en las condiciones actuales obtiene una potencia activa de 24MVA X 0.75 = 18 MW, mientras que con el nuevo trafo se obtendra una potenciaactiva de 50 MVA x 0.83 = 41.5 MW.

Por cada 1 MW de aumento de potencia, se obtiene un ahorro de 2.2 kWh/t. acerolquido y una reduccin en el consumo de electrodos. Este ahorro en los electrodos sepuede evaluar en 0.65 kg/t. de acero lquido (0.0277 kg de electrodos/t. de acerolquido por cada 1 MW de aumento de potencia).

Y, adems, al disponer el nuevo trafo de mayores tensiones secundarias, se podraaumentar la relacin V/I hasta 13.23, lo que supone un ahorro adicional de electrodosde 1.83 kg/t. de acero lquido (0.07777 kg de electrodos/t. de acero por cada 1 MW deaumento de potencia).


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Los ahorros seran:

- Aumento de potencia activa: 23.5 MW.

- Ahorro de energa elctrica anual:

23.5 x 2.2 x 150,000 x 7.5 = 58,162,000 pts.

- Ahorro anual en el consumo de electrodos:2.48 x 150.000 x 260 = 96,720,000 pts.

- Ahorro total: 154,882,500 pts/ao.

- Inversin: 110,000,000 pts.

- P.R.: Inferior a 1 ao.

MODIFICACION DE LAS TENSIONES SECUNDARIAS DEL TRANSFORMADOR

. Horno = 70 t. de capacidad (67 lquidas).


. Inversin = 40 Mpts.

. Costo energa elctrica = 7.5 pts/kWh.

. Costo electrodos = 260 pts/kg.

La elevacin de las tensiones secundarias del trafo produce una mayor potenciaactiva en el H.E.A. y un menor consumo de electrodos.

Para el H.E.A. de 70 t. considerado, se incrementa en un 20% la tensin secundaria,pasando de 375 V. a una tensin mxima de 450 V.

El factor de potencia pasar de 0.75 a 0.83, luego la potencia activa pasar de 18MW a 19.92 MW, ya que:

24 MVA x 0.75 = 18 MW

24 MVA x 0.83 = 19.92 MW

En cuanto al consumo de electrodos, la intensidad secundaria con la que se estabafuncionando antes de la modificacin es:

24,000/( 3x375) = 37 kAPor tanto, la relacin V/I antes de la modificacin es Error!= Error!= 10.1


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Despus de la modificacin, la intensidad secundaria pasar a:

24,000/( 3x450) = 31 kAque da una relacin Error!= Error!= 14.6

El consumo de electrodos se reducir desde 4.6 kg/t. hasta 3.2 kg/t.

As pues, los resultados econmicos sern:

- Ahorro anual de energa elctrica (2.2 kWh/t. por cada 1 MW de aumento depotencia activa):

(19.92 - 18) x 2.2 x150,000 x 7.5 = 4,752,000 pts.

- Ahorro anual en el consumo de electrodos:

(4.6 - 3.2) x 150.000 x 260 = 54.600.000 pts.

- Ahorro total (sin contar el aumento de productividad al disminuir el tap-to-tap) =59,352,000 pts/ao.

- Inversin: 40,000,000 pts.

- P.R.: Inferior a 1 ao.

CALENTAMIENTO DE CUCHARAS

. Horno = 25 t.



. Costo fuel-oil = 17 pts/kg.


Las ventajas que se pueden obtener por el calentamiento de las cucharas, antes de

la colada del horno, son:

. Mayor duracin del refractario de la cuchara al evitar humedades, y cambios bruscos

y continuos de temperatura.


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. Produccin anual = 350,000 t.


. Costo de los electrodos = 260 pts/kg.


El horno cuchara presenta las ventajas siguientes:

. Evitar sobrecalentamientos de acero en el H.E.A. antes de colar a la cuchara. Con el

horno cuchara se puede reducir la temperatura de vuelco del H.E.A. en 50 60C, lo

que supone un ahorro de energa elctrica de 25 a 30 kWh/t.

. Reduccin del tiempo tap-to-tap que puede estimarse en 10 minutos (2 kWh/t. de

ahorro de energa elctrica por cada 1 minuto que se acorta la colada), lo que

supone un ahorro adicional de energa elctrica de 20 kWh/t.

. Mayor rendimiento de las adiciones de aleacin, lo que supone un ahorro de 100

pts/t. aproximadamente.

. Acta de "colchn" entre las producciones del H.E.A. y de la colada continua.

Teniendo en cuenta que el consumo medio de energa elctrica del horno-cuchara es

de unos 30 kWh/t y el consumo de electrodos de unos 0.3 kg/t, los ahorros a obtener

por su adopcin son:

- Ahorro total de energa elctrica:

30 + 20 - 30 = 20 kWh/t.20 kWh/t x 350,000 t/ao x 7.5 pts/kWh = 52,500,000 pts/ao.

- Ahorro en electrodos:

(0.011 x 50) - 0.3 = 0.25 kg/t.0.25 kg/t x 350,000 t/ao x 260 pts/kg = 22,750,000 pts/ao.

- Ahorro en aleaciones:

100 pts/t x 350,000 t/ao = 35,000,000 pts/ao.

- Ahorro total = 110,250,000 pts/ao.


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- Inversin: 160,000,000 pts.

- P.R. = 1.5 aos.


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PRECALENTAMIENTO DE CHATARRA

. Horno = 100 t.

. Produccin anual = 350,000 t/ao.



. Costo de los electrodos = 260 pts/kg.

El empleo del precalentamiento de chatarra, mediante los humos procedentes del

horno, tiene como consecuencia una disminucin en el consumo de energa elctrica,

as como un acortamiento del tiempo entre coladas y un menor consumo de electrodos.

- Ahorro de energa elctrica: 25 kWh/t.

- Ahorro en electrodos: 0.011 kg/kWh x 25 kWh/t = 0.275 kg/t

Por lo tanto, para el H.E.A. considerado, obtendremos los ahorros siguientes:

- Energa elctrica:

25 kWh/t x 350,000 t/ao x 7.5 pts/kWh = 65,625,000 pts/ao

- Electrodos:

0.275 kg/t x 350,000 t/ao x 260 pts/kg = 25,025,000 pts/ao

- Ahorro total = 90,650,000 pts

- Inversin: 160,000,000 pts.

- P.R.= 1.8 aos.

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