Transformador de horno de arco eléctrico: cómo dimensionar un EAF para una acería, por qué la corriente secundaria en kA (no los MVA) decide el diseño y en qué se diferencia el servicio de horno de un transformador de distribución

La respuesta primero: un transformador de horno de arco eléctrico se dimensiona a partir del perfil de energía y potencia de la acería, y no es un transformador de distribución ampliado. Los kVA siguen la potencia de fusión que se necesita durante la fusión, pero otras tres cifras deciden el diseño: la corriente secundaria en kA (que determina el devanado de baja tensión, los pasatapas, las barras colectoras y la refrigeración), el rango de tomas (que debe ser lo suficientemente amplio para mantener el arco estable desde la chatarra fría hasta un baño fundido plano), y la impedancia y la reactancia en serie (que determinan con qué fuerza puede cortocircuitarse el arco y cuánto flicker se exporta a la red). Dimensiónelo a partir de los kWh por tonelada de acero y el tiempo entre coladas, especifique explícitamente la tabla de escalones de toma y la corriente secundaria, y trate el aumento de temperatura por ciclo de trabajo, la reducción por armónicos y la resistencia a cortocircuitos repetidos como los verdaderos criterios de aceptación.

Un transformador de horno de arco eléctrico (EAF) toma la tensión que recibe la acería — típicamente 33 kV, 66 kV, 110 kV o 132 kV, y 220 kV en instalaciones integradas muy grandes — y la convierte en los pocos cientos de voltios que realmente establecen el arco: normalmente entre unos 400 V y 1.000 V, y hasta 1.700 V en los diseños modernos más grandes. Las corrientes de ese lado son la razón por la que la máquina no se parece en nada a un transformador de distribución: de 40 kA a 60 kA en un horno de tamaño medio, y más de 100 kA en las unidades más grandes, con corrientes de electrodo de hasta unos 120 kA en diseños publicados de transformadores de horno. Lo que separa el servicio del EAF de cualquier otra aplicación de transformador es que la carga es un cortocircuito móvil deliberadamente inestable, que las tres fases nunca están equilibradas, y que se espera que el transformador se cortocircuite miles de veces al año y aún dure 20 años.

Todo lo que sigue está escrito para quien tiene que comprar o especificar ese transformador: un ingeniero eléctrico de acería, un contratista EPC, o un productor de acero basado en chatarra que amplía su capacidad de fusión. Si en cambio está dimensionando una carga de distribución ordinaria, el método general de nuestra guía de dimensionamiento y fórmula de presupuesto y nuestra guía de dimensionamiento de sistemas de distribución es el punto de partida correcto; este artículo cubre lo que cambia cuando la carga es un arco.

Puntos clave

• Primero la energía, después los kVA. La energía de fusión (típicamente 350–500 kWh por tonelada de acero líquido) dividida por el tiempo de encendido da la potencia de arco media; la media más el pico de fusión da la potencia nominal del transformador del horno. Los hornos modernos de potencia ultraalta (UHP) se construyen en torno a aproximadamente 0,7–1,0 MVA de transformador por tonelada de peso de colada.
• La corriente secundaria en kA es la restricción determinante, no los MVA. El devanado de baja tensión, los pasatapas de barra de cobre, las barras colectoras refrigeradas por agua y los brazos de electrodo están todos diseñados en torno a una corriente que puede superar los 100 kA.
• Las tomas de un horno no son ±2 × 2,5%. Un transformador de EAF normalmente tiene un rango de tomas amplio (una disposición común es una banda de tensión secundaria de aproximadamente 2:1, por ejemplo de 840 V a 480 V) con 15–33 posiciones, a menudo con tomas primarias en el extremo del neutro y, para rangos muy amplios, un autotransformador o una disposición serie-paralelo.
• Los armónicos y el flicker son la puerta de conexión a la red. El horno debe cumplir los límites de emisión del operador de red en el punto de acoplamiento común — límites de armónicos del estilo IEC 61000-3-6 y niveles de planificación de flicker IEC 61000-3-7 (Pst 1,0 / Plt 0,8 son los valores indicativos habitualmente citados) — lo que normalmente significa compensación por SVC o STATCOM más un filtro, y un transformador especificado para servicio no sinusoidal.
• Especifique el servicio, no solo la placa de características. Un pedido de transformador de horno debe indicar la tabla de tomas, la corriente de cortocircuito en los electrodos, el ensayo de aumento de temperatura por ciclo de trabajo, la base de reducción por armónicos, el número de resistencias a cortocircuitos previstas y la temperatura ambiente de la acería. Las solicitudes de oferta vagas son la forma en que las acerías acaban con un transformador que dispara falsamente la protección diferencial en el primer año.

¿Qué es un transformador de horno de arco eléctrico — y en qué se diferencia de un transformador de distribución?

Un transformador de EAF es un transformador de potencia de servicio especial cuyo secundario alimenta los electrodos del horno a través de conexiones de baja tensión cortas y muy pesadas. En un horno de corriente alterna (CA) hay tres electrodos de grafito que descienden hacia la chatarra; el arco salta de cada electrodo a la carga, y como el punto delta o estrella del arco es el propio baño fundido, el circuito eléctrico cambia segundo a segundo a medida que se funde la chatarra, se consumen los electrodos y el operador cambia de toma. Los rangos publicados de transformadores de horno van desde unos 10 MVA hasta 300 MVA, con tensiones secundarias de hasta 1.700 V y corrientes de electrodo de hasta unos 120 kA.

Las diferencias con un transformador de distribución no son cosméticas. Son estructurales:

De esa tabla se derivan directamente dos consecuencias. Primera, no se puede comprar un transformador de EAF de un catálogo de transformadores de distribución: se diseña por proyecto, y la ingeniería es suya para especificarla. Segunda, los ensayos de aceptación que importan son los especiales — no las comprobaciones rutinarias de relación e impedancia, sino el ensayo de aumento de temperatura por ciclo de trabajo, la demostración de resistencia a cortocircuitos, la medición de las pérdidas en carga en cada toma y la medición del nivel sonoro en una unidad que estará junto a la acería.

¿Qué exige realmente una acería a su transformador?

Una acería basada en chatarra funciona por coladas. Cada colada es un ciclo repetitivo: carga de chatarra (a menudo dos o tres cucharas), perforación, fusión, afinado y aleación bajo una escoria, y luego sangrado a una cuchara; en muchas acerías un horno de cuchara independiente recalienta y afina después el acero antes de la colada continua. Para un horno de CA típico de 100 toneladas, el ciclo es de unos 40–60 minutos, de los cuales quizá 30–40 minutos son tiempo de encendido, y se producen unas 30–35 coladas al día.

El perfil eléctrico dentro de una colada tiene una forma, y el transformador tiene que seguirla:

• Perforación (primeros minutos). Los electrodos descienden sobre chatarra fría y desigual; el arco es inestable y se cortocircuita constantemente. Las corrientes oscilan violentamente y el flicker de tensión es peor aquí.
• Fusión. El horno funciona a, o cerca de, la máxima potencia de arco disponible durante la mayor parte del tiempo de encendido. Esta fase fija la potencia nominal del transformador.
• Afinado. El baño está plano y el arco es estable; la potencia se reduce a aproximadamente el 50–65% del máximo para controlar la temperatura del baño y la escoria.
• Reposo. Carga, sangrado y retrasos — sin carga en el transformador del horno, pero el transformador normalmente se desenergiza y reenergiza entre coladas.

De ese servicio se derivan tres hechos de diseño:

1. El transformador está sometido a ciclos térmicos, no a régimen térmico estable. La carga oscila entre cero y plena potencia de fusión varias veces por hora, todo el día. Ese servicio cíclico, no la carga continua a la placa de características, es lo que siguen las temperaturas del aceite y de los devanados del transformador, y es la razón por la que importa una evaluación del aumento de temperatura por ciclo de trabajo (véase factor de carga y capacidad de sobrecarga para saber cómo se evalúa la carga cíclica).
2. El transformador debe reenergizarse con frecuencia. Cada colada comienza con una operación de maniobra, lo que significa que cada colada comienza con un evento de corriente de irrupción. La protección diferencial debe estar estabilizada contra la irrupción o actuará incorrectamente.
3. El ambiente es más caluroso que una sala de subestación. Un transformador de horno normalmente comparte un edificio o una nave adyacente con el propio horno, donde la temperatura del aire puede situarse muy por encima de 40 °C. La reducción por temperatura ambiente (véase práctica de reducción) pertenece al cálculo, no a una nota a pie de página.

Paso 1 — ¿Cuánta energía eléctrica necesita una tonelada de acero?

Empiece por la energía, no por una estimación de kVA por tonelada. La energía eléctrica necesaria para fundir una tonelada de chatarra de acero depende principalmente de la calidad de la chatarra, la mezcla de carga (solo chatarra, o chatarra más hierro de reducción directa y arrabio), la práctica de inyección de oxígeno y carbono, y de si los gases de escape se utilizan para precalentar la chatarra.

Esa única cifra — kWh por tonelada — es el ancla para todo lo demás. También es la cifra que importa a un modelo de financiación, porque a un precio industrial de la electricidad de, digamos, 0,07 USD/kWh, cada 50 kWh/t de consumo extra son aproximadamente 3,5 USD por tonelada de acero, lo que en una acería de 500.000 t/año es más de 1,7 millones de USD al año. Acertar con el transformador y con la filosofía de control del arco es, por tanto, una decisión de coste energético tanto como una decisión de hardware.

Paso 2 — ¿Cómo se convierte la energía de fusión en MVA del transformador?

Haga la aritmética en cuatro movimientos. La ilustración siguiente es deliberadamente de números redondos y utiliza un horno de 100 toneladas; sustituya por los datos de su propia acería.

1. Energía por colada. 100 t × 400 kWh/t = 40.000 kWh (40 MWh) de energía eléctrica por colada.
2. Tiempo de encendido. Con un ciclo entre coladas de 45 minutos y un tiempo de encendido del 60–70%, el arco está encendido unas 0,5–0,53 horas.
3. Potencia de arco media. 40.000 kWh ÷ 0,53 h ≈ 75 MW de media durante el encendido. Si su práctica es más eficiente (350 kWh/t con precalentamiento) o su colada es más larga, la media baja; un tiempo de encendido 8 minutos más largo con la misma energía da unos 60 MW.
4. Pico de fusión y potencia nominal del transformador. El transformador debe entregar la potencia de arco de fusión (máxima), que es superior a la media del ciclo. El factor de potencia del circuito de arco suele estar en el rango de aproximadamente 0,75–0,85, por lo que la potencia aparente del transformador del horno es la potencia activa de pico dividida por ese factor de potencia. Un horno que debe sostener aproximadamente 70 MW de potencia de arco con un factor de potencia en torno a 0,8 necesita unos 85–90 MVA en los bornes del transformador del horno.

La última columna es la que hay que contrastar con la práctica del sector: los hornos modernos de potencia ultraalta se especifican en aproximadamente 0,7–1,0 MVA de potencia nominal del transformador del horno por tonelada de peso de colada, lo que sitúa un horno de 100 toneladas entre unos 70 y 100 MVA. Si su aritmética le sitúa materialmente fuera de esa banda, una de sus entradas — energía por tonelada, tiempo de encendido o factor de potencia — está desviada, y merece la pena revisar el proyecto antes de que llegue a una solicitud de oferta.

Paso 3 — ¿Por qué la tensión secundaria lo decide todo lo demás?

Una vez conocida la potencia aparente, la tensión secundaria fija la corriente, y la corriente fija el hardware. La relación es la ordinaria trifásica:

I₂ = S ÷ (√3 × U₂)

Haga pasar 90 MVA por un secundario de 840 V y obtendrá unos 62 kA por fase. Baje la tensión a 480 V y la misma corriente entrega solo unos 50 MVA — que es exactamente el comportamiento que quiere un operador de horno, porque la corriente de electrodo es la restricción, y el diseño la mantiene aproximadamente constante mientras cambia la tensión. Un horno de arco a baja tensión con la misma corriente funciona con un arco corto y caliente de menor potencia de arco; a alta tensión funciona con un arco largo de mayor potencia de arco pero más radiación y más desgaste del refractario. Elegir el punto de funcionamiento es metalurgia; entregarlo es el diseño de tomas del transformador.

Qué determina la cifra de kA en el diseño

• El devanado de baja tensión. A 50–120 kA, el secundario no es un devanado de hilo. Normalmente es un pequeño número de espiras de barra o chapa gruesa de cobre, dispuestas para mantener manejables las pérdidas por corrientes de Foucault y las pérdidas dispersas, con un amarre cuidadosamente calculado porque las fuerzas electromagnéticas durante un cortocircuito aumentan con el cuadrado de la corriente.
• Los pasatapas. Las conexiones de baja tensión se hacen con pasatapas de barra de cobre — a menudo varios en paralelo — y los diseños publicados de hornos pasan de sacar la baja tensión a través de la tapa del tanque (por debajo de unos 80 kA) a sacarla a través de la pared del tanque en las corrientes más altas, para que las barras lleguen a los brazos de electrodo por el camino más corto posible. Para los principios generales, véase nuestra guía de especificación de pasatapas.
• Las barras colectoras secundarias y los brazos de electrodo. Son tubos refrigerados por agua o conjuntos de barras soldadas dimensionados por densidad de corriente y por rigidez mecánica, no por una caída de tensión que preocupe a nadie — a 60 kA, un solo miliohmio de resistencia de conexión son 3,6 kW de pérdidas en el circuito y un verdadero problema térmico.
• La tabla de tomas. Como la corriente se mantiene alta mientras cae la tensión, el cambiador de tomas debe abrir y cerrar a plena corriente secundaria sin permitir que se apague el arco. Por eso los cambiadores de tomas de horno son con carga, y por eso su número de escalones y su resistencia mecánica se especifican por separado de los de un transformador de red (véase cambiadores de tomas con carga vs. sin tensión).

Paso 4 — ¿Por qué el rango de tomas es mucho más amplio que el de un transformador de distribución?

El cambiador de tomas sin tensión de un transformador de distribución existe solo para ajustar la tensión del sistema: cinco posiciones, típicamente ±2 × 2,5%. El cambiador de tomas de un transformador de horno es un dispositivo de control de potencia. Fija la tensión de arco y, por tanto, la longitud del arco y la potencia entregada al baño, colada tras colada, desde la chatarra fría hasta un baño fundido plano.

Tres mecanismos hacen posible ese amplio rango, y la elección correcta para su acería depende de cuán amplio deba ser el rango:

1. Tomas en el extremo del neutro del devanado primario (regulación de «flujo variable»). Esta es la disposición más compacta y económica para los rangos de regulación habituales. Como cambia el número de espiras primarias en circuito, el flujo del núcleo cambia con la toma, de modo que la tensión secundaria — y los kVA que el transformador puede entregar — caen juntos a medida que se baja por el rango de tomas, manteniéndose la corriente secundaria cerca de un valor constante.
2. Regulación con un autotransformador. Cuando el rango de tensión requerido es más amplio de lo que un devanado de toma sencillo puede cubrir económicamente, se inserta un autotransformador regulador en serie con el primario del transformador del horno. Esta es la forma clásica de alcanzar un rango muy amplio manteniendo más simple el propio transformador del horno.
3. Disposiciones de tomas serie-paralelo, delta-estrella o inversoras. Las conexiones especiales del cambiador de tomas cambian la configuración del devanado en lugar de solo las espiras en circuito, lo que amplía aún más el rango de relación; el precio es un cambiador más complejo y más caro con menos posiciones.

Consecuencias prácticas para la especificación:

• Pida la tabla de tomas, no un porcentaje de toma. El entregable es una tabla de tensiones secundarias por posición de toma, la corriente de electrodo correspondiente y las impedancias garantizadas. Los transformadores de horno se especifican comúnmente con algo así como 15–33 posiciones, y la garantía de pérdidas en carga debe darse en cada toma, no solo en la toma nominal.
• Espere funcionamiento con carga. En un horno moderno el cambiador de tomas se mueve durante la fusión mientras el regulador busca la mejor estabilidad de arco; eso es un requisito de resistencia mecánica medido en cientos de miles de operaciones, por lo que debe declararse y presenciarse. Nuestra guía de regulación de tensión explica la mecánica subyacente.
• Decida si necesita regulación por fase. Como los tres arcos nunca comparten la carga por igual, la práctica publicada de transformadores de horno proporciona regulación de tensión separada para cada fase (y por tanto conmutación monofásica separada) cuando la asimetría es significativa. Si su filosofía de operación se basa en ajustar una fase de forma distinta a las demás, dígalo en la especificación — cambia tanto el transformador como la disposición del interruptor.

Paso 5 — ¿Para qué sirve la impedancia en un horno de arco, y cuándo se necesita una reactancia en serie?

En un transformador de red, la impedancia es algo que hay que minimizar para que la regulación de tensión sea buena. En un circuito de horno, la impedancia es un parámetro de control. El arco es una carga inestable de resistencia negativa; cierta cantidad de reactancia en el circuito es lo que lo mantiene estable, limita con qué violencia sube la corriente cuando un electrodo toca la chatarra, y convierte el arco en una fuente de potencia controlable. Dos cosas distintas proporcionan esa reactancia:

• Impedancia del transformador. Los transformadores de horno suelen especificarse con una impedancia de cortocircuito mayor que la de un transformador de red de la misma potencia — comúnmente en la región del 10–14% a la potencia nominal base, yendo más alto los diseños de alta reactancia. Esa reactancia adicional se compra deliberadamente: cuesta eficiencia y regulación de tensión, y compra estabilidad de arco y menor flicker.
• Una reactancia en serie. En instalaciones más grandes, la reactancia requerida se proporciona o se completa con una reactancia conectada en serie con el transformador del horno — ya sea en un tanque separado o integrada en el mismo tanque que el transformador. Estas reactancias están a su vez provistas de tomas, y su reactancia puede variarse desde esencialmente cero hasta su valor pleno mediante cambiadores de tomas sin tensión o con carga, lo que permite a la acería ajustar las características del circuito de arco en la puesta en servicio y reajustarlas cuando cambia la mezcla de chatarra o de producto.

Consecuencias de diseño: la corriente de cortocircuito de baja tensión de un transformador de EAF no es un fallo que haya que minimizar sino una condición de diseño nominal, y la corriente de cortocircuito en los electrodos es un valor de placa de características que debe especificarse. Tipificar una cifra es tarea del comprador, no del fabricante; una acería que declara «el cortocircuito en los electrodos no excederá X kA en la toma más baja» obtiene una máquina que encaja con su electrodo y su sistema de control. Nuestra guía de cálculo de corriente de cortocircuito muestra cómo el presupuesto de reactancia combina la impedancia del transformador, la reactancia en serie, las barras colectoras y los cables.

Paso 6 — ¿Qué grupo de conexión utiliza un transformador de horno, y por qué el secundario es en delta?

Las conexiones del transformador de horno se eligen por tres razones: reducir la corriente que debe transportar cada devanado, bloquear la circulación de armónicos triplen, y dejar el circuito de arco libre de punto neutro. Las respuestas habituales:

• Secundario conectado en delta. En una delta, la corriente del devanado es 1/√3 de la corriente de línea, por lo que una corriente de línea de 60 kA se convierte en unos 35 kA por devanado — una gran reducción en cobre, en pérdidas y en fuerzas de amarre. La delta también da a las corrientes armónicas triplen (3.º, 9.º, 15.º) un camino cerrado para que no salgan del transformador, y significa que no hay terminal neutro — el punto estrella del circuito es el propio baño fundido.
• Primario conectado directamente a la alimentación entrante y con tomas en el extremo del neutro para el rango de regulación habitual, o alimentado a través de un autotransformador regulador para rangos muy amplios.
• Grupo de conexión. Los transformadores de horno suelen designarse como unidades de tipo Dd0 (delta–delta). Cuando se requiere una disposición ligeramente distinta para la protección o para la conexión a una instalación existente — por ejemplo un primario en estrella con neutro disponible — puede usarse en su lugar un grupo de conexión de tipo Ynd; lo que importa es que el grupo se declare explícitamente y que el esquema de protección se diseñe en torno a él. Nuestra guía de grupos de conexión cubre cómo el símbolo se corresponde con la conexión y el desfase, y nuestra guía de funcionamiento en paralelo cubre las condiciones que deben cumplirse si alguna vez un transformador de horno de reserva tiene que funcionar en paralelo con otra unidad.

Como cada fase de una carga de horno es desigual, el transformador debe diseñarse para corrientes de fase desiguales y para las componentes de secuencia negativa y homopolar resultantes en la alimentación. Dígalo en la especificación: afecta al diseño del devanado, a la potencia nominal del cambiador de tomas y a la elección del interruptor del horno.

¿Cuánto servicio armónico impone un EAF a su transformador?

Durante la perforación y la fusión, el arco es una carga altamente no lineal y la forma de onda de corriente está muy distorsionada — normalmente dominan el segundo y tercer armónico, con componentes de orden superior e interarmónicos presentes también. Una vez que el baño está plano, la distorsión cae sustancialmente, pero las fases de fusión son las que el diseño debe soportar.

De ello se derivan dos obligaciones distintas:

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