Transformador de Forno a Arco Elétrico: Como Dimensionar um EAF para uma Aciaria, Por Que a Corrente Secundária em kA (e Não o MVA) Decide o Projeto, e Como o Regime do Forno Difere de um Transformador de Distribuição

A resposta primeiro: um transformador de forno a arco elétrico é dimensionado a partir do perfil de energia e potência da aciaria, e não é um transformador de distribuição ampliado. A potência em kVA acompanha a potência de fusão necessária durante o meltdown, mas outros três números decidem o projeto: a corrente secundária em kA (que define o enrolamento de baixa tensão, as buchas, as barras coletoras e o resfriamento), a faixa de taps (que deve ser ampla o suficiente para manter o arco estável desde a sucata fria até um banho de metal líquido plano) e a impedância e reatância em série (que definem quão severamente o arco pode curto-circuitar e quanta cintilação você exporta para a rede). Dimensione a partir de kWh por tonelada de aço e do tempo tap-to-tap, especifique explicitamente a tabela de degraus de tap e a corrente secundária, e trate a elevação de temperatura em ciclo de trabalho, a desclassificação por harmônicos e a suportabilidade a curto-circuitos repetidos como os verdadeiros critérios de aceitação.

Um transformador de forno a arco elétrico (EAF) recebe a tensão que a usina recebe — tipicamente 33 kV, 66 kV, 110 kV ou 132 kV, e 220 kV em instalações integradas muito grandes — e a converte nos poucos centenas de volts que efetivamente estabelecem o arco: geralmente entre cerca de 400 V e 1.000 V, e até 1.700 V nos maiores projetos modernos. As correntes nesse lado são a razão pela qual a máquina não se parece em nada com um transformador de distribuição: 40 kA a 60 kA em um forno de porte médio, e mais de 100 kA nas maiores unidades, com correntes de eletrodo de até cerca de 120 kA em projetos publicados de transformadores de forno. O que separa o regime EAF de qualquer outra aplicação de transformador é que a carga é um curto-circuito móvel deliberadamente instável, que as três fases nunca estão equilibradas e que espera-se que o transformador seja curto-circuitado milhares de vezes por ano e ainda dure 20 anos.

Todo o conteúdo abaixo foi escrito para quem precisa comprar ou especificar esse transformador: um engenheiro elétrico de usina, um contratante EPC ou um produtor de aço baseado em sucata que está ampliando a capacidade de fusão. Se você está dimensionando uma carga de distribuição comum, o método geral em nosso guia de dimensionamento e fórmula de orçamento e guia de dimensionamento de sistema de distribuição é o ponto de partida correto; este artigo aborda o que muda quando a carga é um arco.

Principais conclusões

• Energia primeiro, kVA depois. A energia de fusão (tipicamente 350–500 kWh por tonelada de aço líquido) dividida pelo tempo de operação sob carga fornece a potência média do arco; a média mais o pico de meltdown fornece a potência nominal do transformador do forno. Os fornos modernos de potência ultraelevada (UHP) são construídos em torno de aproximadamente 0,7–1,0 MVA de transformador por tonelada de peso de vazamento.
• A corrente secundária em kA é a restrição vinculante, não o MVA. O enrolamento de baixa tensão, as buchas de barra de cobre, as barras coletoras resfriadas a água e os braços dos eletrodos são todos projetados em torno de uma corrente que pode exceder 100 kA.
• Os taps do forno não são ±2 × 2,5%. Um transformador EAF geralmente possui uma faixa de taps ampla (um arranjo comum é uma faixa de tensão secundária de aproximadamente 2:1, por exemplo, 840 V até 480 V) com 15–33 posições, frequentemente com taps primários na extremidade do neutro e, para faixas muito amplas, um autotransformador ou arranjo série-paralelo.
• Harmônicos e cintilação são o portão de conexão à rede. O forno deve cumprir os limites de emissão do operador da rede no ponto de acoplamento comum — limites de harmônicos no estilo IEC 61000-3-6 e níveis de planejamento de cintilação IEC 61000-3-7 (Pst 1,0 / Plt 0,8 são os valores indicativos comumente citados) — o que geralmente significa compensação por SVC ou STATCOM mais um filtro, e um transformador especificado para regime não senoidal.
• Especifique o regime, não apenas a placa de identificação. Um pedido de transformador de forno deve indicar a tabela de taps, a corrente de curto-circuito no eletrodo, o ensaio de elevação de temperatura em ciclo de trabalho, a base de desclassificação por harmônicos, o número de suportabilidades a curto-circuito esperadas e a temperatura ambiente da aciaria. RFQs vagos são a forma como as usinas acabam com um transformador que dispara proteção diferencial espúria no primeiro ano.

O que é um transformador de forno a arco elétrico — e como ele é diferente de um transformador de distribuição?

Um transformador EAF é um transformador de potência de serviço especial cujo secundário alimenta os eletrodos do forno através de conexões de baixa tensão curtas e muito pesadas. Em um forno de corrente alternada (CA) há três eletrodos de grafite que descem na sucata; o arco salta de cada eletrodo para a carga e, como o ponto delta ou estrela do arco é o próprio banho de metal líquido, o circuito elétrico muda segundo a segundo à medida que a sucata derrete, os eletrodos se consomem e o operador muda o tap. As faixas publicadas de transformadores de forno vão de cerca de 10 MVA a 300 MVA, com tensões secundárias de até 1.700 V e correntes de eletrodo de até cerca de 120 kA.

As diferenças em relação a um transformador de distribuição não são cosméticas. São estruturais:

Duas consequências decorrem diretamente dessa tabela. Primeiro, você não pode comprar um transformador EAF de um catálogo de transformadores de distribuição: ele é projetado por projeto, e a engenharia é sua para especificar. Segundo, os ensaios de aceitação que importam são os especiais — não as verificações de rotina de relação e impedância, mas o ensaio de elevação de temperatura em ciclo de trabalho, a demonstração de suportabilidade a curto-circuito, a medição de perdas em carga em cada tap e a medição de nível sonoro em uma unidade que ficará ao lado da aciaria.

O que uma aciaria de aço realmente exige de seu transformador?

Uma aciaria baseada em sucata opera em corridas. Cada corrida é um ciclo repetitivo: carregar sucata (frequentemente dois ou três baldes), perfuração, meltdown, refino e liga sob uma escória, depois vazamento em uma panela; em muitas usinas um forno-panela separado então reaquece e refina o aço antes do lingotamento. Para um forno CA típico de 100 toneladas, o ciclo é de cerca de 40–60 minutos, dos quais talvez 30–40 minutos sejam de tempo de operação sob carga, e cerca de 30–35 corridas são produzidas por dia.

O perfil elétrico dentro de uma corrida tem uma forma, e o transformador precisa acompanhá-la:

• Perfuração (primeiros minutos). Os eletrodos descem sobre sucata fria e irregular; o arco é instável e curto-circuita constantemente. As correntes oscilam violentamente e a cintilação de tensão é pior aqui.
• Meltdown. O forno opera na, ou próxima da, potência máxima de arco disponível durante a maior parte do tempo de operação sob carga. Esta fase define a potência nominal do transformador.
• Refino. O banho está plano e o arco estável; a potência é reduzida para aproximadamente 50–65% do máximo para controlar a temperatura do banho e a escória.
• Ocioso. Carregamento, vazamento e atrasos — sem carga no transformador do forno, mas o transformador é comumente desenergizado e reenergizado entre fusões.

Três fatos de projeto decorrem desse regime:

1. O transformador é ciclado termicamente, não termicamente estável. O carregamento oscila entre zero e potência máxima de fusão várias vezes por hora, o dia todo. Esse regime cíclico, não o carregamento contínuo na placa de identificação, é o que as temperaturas do óleo e dos enrolamentos do transformador seguem, e é por isso que uma avaliação de elevação de temperatura em ciclo de trabalho importa (veja fator de carga e capacidade de sobrecarga para como o carregamento cíclico é avaliado).
2. O transformador deve ser reenergizado frequentemente. Cada corrida começa com uma operação de manobra, o que significa que cada corrida começa com um evento de corrente de inrush. A proteção diferencial deve ser restringida contra inrush ou irá operar incorretamente.
3. A temperatura ambiente é mais quente que um salão de subestação. Um transformador de forno normalmente compartilha um edifício ou um vão adjacente com o próprio forno, onde a temperatura do ar pode ficar bem acima de 40 °C. A desclassificação por temperatura ambiente (veja prática de desclassificação) pertence ao cálculo, não a uma nota de rodapé.

Passo 1 — Quanta energia elétrica uma tonelada de aço precisa?

Comece pela energia, não por um palpite de kVA por tonelada. A energia elétrica necessária para fundir uma tonelada de sucata de aço depende principalmente da qualidade da sucata, da mistura de carga (somente sucata, ou sucata mais ferro de redução direta e ferro-gusa), da prática de injeção de oxigênio e carbono, e se o gás de exaustão é usado para pré-aquecer a sucata.

Esse único número — kWh por tonelada — é a âncora para todo o resto. É também o número com que um modelo de financiamento se importa, porque a um preço industrial de eletricidade de, digamos, USD 0,07/kWh, cada 50 kWh/t de consumo extra é aproximadamente USD 3,5 por tonelada de aço, o que em uma usina de 500.000 t/ano é mais de USD 1,7 milhão por ano. Acertar o transformador e a filosofia de controle de arco é, portanto, uma decisão de custo de energia tanto quanto uma decisão de hardware.

Passo 2 — Como a energia de fusão se torna um MVA de transformador?

Faça a aritmética em quatro movimentos. A ilustração abaixo é deliberadamente com números redondos e usa um forno de 100 toneladas; substitua pelos dados da sua própria usina.

1. Energia por corrida. 100 t × 400 kWh/t = 40.000 kWh (40 MWh) de energia elétrica por corrida.
2. Tempo de operação sob carga. Com um ciclo tap-to-tap de 45 minutos e 60–70% de tempo de operação sob carga, o arco fica ligado por cerca de 0,5–0,53 horas.
3. Potência média do arco. 40.000 kWh ÷ 0,53 h ≈ 75 MW em média durante a operação sob carga. Se sua prática é mais eficiente (350 kWh/t com pré-aquecimento) ou sua corrida é mais longa, a média cai; um tempo de operação sob carga 8 minutos mais longo com a mesma energia dá cerca de 60 MW.
4. Pico de meltdown e potência nominal do transformador. O transformador deve fornecer a potência de arco de meltdown (máxima), que é maior que a média do ciclo. O fator de potência do circuito de arco é tipicamente na faixa de cerca de 0,75–0,85, então a potência aparente do transformador do forno é a potência ativa de pico dividida por esse fator de potência. Um forno que deve sustentar aproximadamente 70 MW de potência de arco a um fator de potência em torno de 0,8 precisa de cerca de 85–90 MVA nos terminais do transformador do forno.

A última coluna é a que deve ser verificada contra a prática da indústria: os fornos modernos de potência ultraelevada são especificados em aproximadamente 0,7–1,0 MVA de potência nominal do transformador do forno por tonelada de peso de vazamento, o que coloca um forno de 100 toneladas entre cerca de 70 e 100 MVA. Se sua aritmética o coloca materialmente fora dessa faixa, uma de suas entradas — energia por tonelada, tempo de operação sob carga ou fator de potência — está errada, e vale a pena reverificar o projeto antes que ele chegue a uma RFQ.

Passo 3 — Por que a tensão secundária decide todo o resto?

Uma vez que você conhece a potência aparente, a tensão secundária fixa a corrente, e a corrente fixa o hardware. A relação é a trifásica comum:

I₂ = S ÷ (√3 × U₂)

Coloque 90 MVA através de um secundário de 840 V e você obtém cerca de 62 kA por fase. Reduza a tensão para 480 V e a mesma corrente fornece apenas cerca de 50 MVA — que é exatamente o comportamento que um operador de forno deseja, porque a corrente do eletrodo é a restrição, e o projeto a mantém aproximadamente constante enquanto a tensão muda. Um forno a arco em baixa tensão com a mesma corrente está operando um arco curto e quente com menor potência de arco; em alta tensão, opera um arco longo com maior potência de arco, mas mais radiação e mais desgaste do refratário. Escolher o ponto de operação é metalurgia; entregá-lo é o projeto de taps do transformador.

O que o número em kA determina no projeto

• O enrolamento de baixa tensão. A 50–120 kA, o secundário não é um enrolamento de fio. Geralmente é um pequeno número de espiras de barra ou chapa de cobre pesada, arranjado para manter as perdas por correntes parasitas e as perdas dispersas gerenciáveis, com fixação cuidadosamente calculada porque as forças eletromagnéticas durante um curto-circuito aumentam com o quadrado da corrente.
• As buchas. As conexões de baixa tensão são feitas com buchas de barra de cobre — frequentemente várias em paralelo — e projetos publicados de fornos mudam de trazer a baixa tensão para fora através da tampa do tanque (abaixo de cerca de 80 kA) para trazê-la para fora através da parede do tanque nas correntes mais altas, para que as barras alcancem os braços dos eletrodos pelo caminho mais curto possível. Para os princípios gerais, veja nosso guia de especificação de buchas.
• As barras coletoras secundárias e os braços dos eletrodos. São tubos resfriados a água ou conjuntos de barras soldadas dimensionados para densidade de corrente e para rigidez mecânica, não para uma queda de tensão com que alguém se preocupe — a 60 kA, um único miliohm de resistência de conexão é 3,6 kW de perda no circuito e um problema térmico genuíno.
• A tabela de taps. Como a corrente permanece alta enquanto a tensão cai, o comutador de taps deve abrir e fechar na corrente secundária total sem permitir que o arco se apague. É por isso que os comutadores de taps de forno são sob carga, e por que sua contagem de degraus e resistência mecânica são especificadas separadamente das de um transformador de rede (veja OLTC vs comutadores de taps sem carga).

Passo 4 — Por que a faixa de taps é muito mais ampla que a de um transformador de distribuição?

O comutador de taps sem carga de um transformador de distribuição existe apenas para ajustar a tensão do sistema: cinco posições, tipicamente ±2 × 2,5%. O comutador de taps de um transformador de forno é um dispositivo de controle de potência. Ele define a tensão do arco e, portanto, o comprimento do arco e a potência entregue ao banho, corrida após corrida, desde a sucata fria até um banho de metal líquido plano.

Três mecanismos tornam essa faixa ampla possível, e a escolha certa para sua usina depende de quão ampla a faixa deve ser:

1. Taps na extremidade do neutro do enrolamento primário (regulação de “fluxo variável”). Este é o arranjo mais compacto e econômico para as faixas de regulação usuais. Como o número de espiras primárias em circuito muda, o fluxo no núcleo muda com o tap, então a tensão secundária — e o kVA que o transformador pode fornecer — caem juntos à medida que você desce a faixa de taps, com a corrente secundária permanecendo próxima de constante.
2. Regulação com um autotransformador. Quando a faixa de tensão necessária é mais ampla do que um enrolamento de taps direto pode cobrir economicamente, um autotransformador regulador é inserido em série com o primário do transformador do forno. Esta é a maneira clássica de alcançar uma faixa muito ampla mantendo o próprio transformador do forno mais simples.
3. Arranjos de taps série-paralelo, delta-estrela ou reversíveis. Conexões especiais do comutador de taps mudam a configuração do enrolamento em vez de apenas as espiras em circuito, o que estende ainda mais a faixa de relação; o preço é um comutador mais complexo e mais caro com menos posições.

Consequências práticas para a especificação:

• Peça a tabela de taps, não uma porcentagem de tap. O entregável é uma tabela de tensões secundárias por posição de tap, a corrente de eletrodo correspondente e as impedâncias garantidas. Os transformadores de forno são comumente especificados com algo como 15–33 posições, e a garantia de perdas em carga deve ser dada em cada tap, não apenas no tap nominal.
• Espere operação sob carga. Em um forno moderno, o comutador de taps se move durante a fusão enquanto o regulador busca a melhor estabilidade de arco; isso é um requisito de resistência mecânica medido em centenas de milhares de operações, então deve ser declarado e testemunhado. Nosso guia de regulação de tensão explica a mecânica subjacente.
• Decida se você precisa de regulação por fase. Como os três arcos nunca compartilham a carga igualmente, a prática publicada de transformadores de forno fornece regulação de tensão separada para cada fase (e, portanto, manobra monofásica separada) quando a assimetria é significativa. Se sua filosofia operacional depende de definir uma fase de forma diferente das outras, diga isso na especificação — isso muda tanto o transformador quanto o arranjo do disjuntor.

Passo 5 — Para que serve a impedância em um forno a arco, e quando você precisa de um reator em série?

Em um transformador de rede, a impedância é algo a ser minimizado para que a regulação de tensão seja boa. Em um circuito de forno, a impedância é um parâmetro de controle. O arco é uma carga instável de resistência negativa; uma certa quantidade de reatância de circuito é o que o mantém estável, limita quão violentamente a corrente sobe quando um eletrodo toca a sucata e converte o arco em uma fonte de potência controlável. Duas coisas distintas fornecem essa reatância:

• Impedância do transformador. Os transformadores de forno são geralmente especificados com uma impedância de curto-circuito mais alta que um transformador de rede da mesma potência — comumente na região de 10–14% na potência nominal base, com projetos de alta reatância indo mais alto. Essa reatância extra é comprada deliberadamente: custa eficiência e regulação de tensão, e compra estabilidade de arco e menor cintilação.
• Um reator em série. Em instalações maiores, a reatância necessária é fornecida ou complementada por um reator conectado em série com o transformador do forno — seja em um tanque separado ou integrado no mesmo tanque que o transformador. Esses reatores são eles próprios com taps, e sua reatância pode ser variada de essencialmente zero até seu valor total usando comutadores de taps sem carga ou sob carga, o que permite à usina ajustar as características do circuito de arco na comissionamento e reajustá-las quando a mistura de sucata ou de produto muda.

Consequências de projeto: a corrente de curto-circuito de baixa tensão de um transformador EAF não é uma falta a ser minimizada, mas uma condição de projeto nominal, e a corrente de curto-circuito no eletrodo é um valor de placa de identificação a ser especificado. Tipificar um número é trabalho do comprador, não do fabricante; uma usina que declara “o curto-circuito nos eletrodos não deve exceder X kA no tap mais baixo” obtém uma máquina que corresponde ao seu eletrodo e sistema de controle. Nosso guia de cálculo de corrente de curto-circuito mostra como o orçamento de reatância combina impedância do transformador, reator em série, barras coletoras e cabos.

Passo 6 — Qual grupo de ligação um transformador de forno usa, e por que o secundário é em delta?

As conexões do transformador de forno são escolhidas por três razões: reduzir a corrente que cada enrolamento deve transportar, bloquear harmônicos triplen de circular e deixar o circuito de arco livre de um ponto neutro. As respostas comuns:

• Secundário conectado em delta. Em um delta, a corrente do enrolamento é 1/√3 da corrente de linha, então uma corrente de linha de 60 kA se torna cerca de 35 kA por enrolamento — uma grande redução em cobre, em perdas e em forças de fixação. O delta também dá às correntes harmônicas triplen (3ª, 9ª, 15ª) um caminho fechado para que não saiam do transformador, e significa que não há terminal neutro — o ponto estrela do circuito é o próprio banho de metal líquido.
• Primário conectado diretamente à alimentação de entrada e com taps na extremidade do neutro para a faixa de regulação usual, ou alimentado através de um autotransformador regulador para faixas muito amplas.
• Grupo de ligação. Os transformadores de forno são geralmente designados como unidades do tipo Dd0 (delta–delta). Onde um arranjo ligeiramente diferente é necessário para proteção ou para conexão a uma instalação existente — por exemplo, um primário em estrela com neutro disponível — um grupo de ligação do tipo Ynd pode ser usado em vez disso; o que importa é que o grupo seja declarado explicitamente e que o esquema de proteção seja projetado em torno dele. Nosso guia de grupo de ligação cobre como o símbolo mapeia para conexão e defasagem, e nosso guia de operação em paralelo cobre as condições que devem ser atendidas se um transformador de forno sobressalente algum dia tiver que operar em paralelo com outra unidade.

Como cada fase de uma carga de forno é desigual, o transformador deve ser projetado para correntes de fase desiguais e para os componentes de sequência negativa e sequência zero resultantes na alimentação. Diga isso na especificação: afeta o projeto do enrolamento, a potência nominal do comutador de taps e a escolha do disjuntor do forno.

Quanto regime harmônico um EAF impõe ao seu transformador?

Durante a perfuração e o meltdown, o arco é uma carga altamente não linear e a forma de onda da corrente é fortemente distorcida — o segundo e o terceiro harmônicos geralmente dominam, com componentes de ordem superior e interharmônicos também presentes. Uma vez que o banho está plano, a distor