Forno Elétrico a Arco DC: Tecnologia Eficiente de Eletrodo Único

Forno Elétrico a Arco DC

O forno elétrico a arco de corrente contínua (DC-EAF) é um forno para produção primária de aço que representa conceito diferente nos projetos de fornos a arco. O DC-EAF tem apenas um único eletrodo que atua como cátodo e a corrente flui deste eletrodo de grafite para um ânodo montado no fundo do forno. O único eletrodo de grafite explora a transferência de calor altamente eficiente do arco gerado entre o eletrodo superior de grafite e o ânodo fornecido pela carga do forno. Vista típica de um DC-EAF é mostrada na Fig. 1.

O forno a arco DC tipicamente compreende uma carcaça cilíndrica de aço revestida com refratário, com eletrodo de grafite central posicionado verticalmente através de abertura no centro do teto. A conexão do ânodo no cadinho está em contato direto com a camada de aço líquido coberta por escória líquida. A energia é suprida por arco de plasma aberto (Fig. 2) gerado entre a ponta inferior do cátodo e a superfície superior da escória fundida. Pelo menos uma porção central da superfície da escória está aberta. Por ser eletricamente alimentado, temperaturas muito altas (> 1.500°C) podem ser atingidas.

O DC-EAF é alternativa ao EAF baseado em CA (corrente alternada). A saída do transformador UHP (ultra alta potência) é convertida para DC usando retificador de potência controlável, geralmente tiristores em ponte. DC-EAF equipado com sistemas de retificadores de alta potência controláveis assegura arco estável sob todas as condições, nas máximas potências possíveis. O arco em DC-EAF é um jato de plasma supersônico superaquecido de alta velocidade e temperatura, sustentado, impulsionado por aceleração eletromagnética (efeito Maecker) na região constrita próxima à raiz do arco na superfície do eletrodo. O arco é gerado pela interação entre fluxo de fluido, campo térmico e campos eletromagnéticos. As forças eletromagnéticas auto-constritivas mantêm este jato de plasma supersônico superaquecido (Fig. 2) razoavelmente coerente. Um reator DC é usado para estabilizar ainda mais o arco. Além disso, a superfície do banho líquido (ou pelo menos uma porção na zona de fixação do arco) está aberta, essencialmente descoberta por material de carga não reagido. Diagrama esquemático de DC-EAF é mostrado na Fig. 2.

Características Importantes do DC-EAF

O DC-EAF tem vários requisitos únicos além das diferenças óbvias no suprimento de energia elétrica. Características importantes: (i) projeto robusto e confiável, (ii) alta flexibilidade quanto a materiais de carga, (iii) alta densidade de corrente e uso de potência, (iv) alta estabilidade do arco, (v) boa qualidade de energia mesmo sob condições de rede fraca, e (vi) controle independente de tensão e corrente. Outras características comparadas ao AC-EAF:

• Operação mais estável. Fusão uniforme.
• Consumo reduzido de eletrodos devido à regulação do sistema. Consumo reduz a ~1/3. Porém, necessidade de melhorar descamação e trinca dos eletrodos. Menor consumo possibilita produzir cargas de baixo carbono.
• Menor desgaste do revestimento. Consumo de refratário é menor nas paredes laterais mas maior no fundo. Economia geral de 15-25% no consumo de refratário.
• Agitação por convecção do banho.
• Distribuição de temperatura do banho melhor. Melhor distribuição resulta em melhor distribuição de calor. Pontos quentes na parede do forno no AC-EAF não existem.
• Níveis de ruído muito menores (reduz de 105 dB para 85 dB).
• Custos de instalação maiores (~10-35% mais).
• Custos operacionais menores (~15-20% menos).
• Menor perturbação na rede. Redução drástica do efeito flicker. Nível e frequência de flicker reduzem pela metade. Necessidade de equipamento de compensação de Var muito menor.
• Menor consumo de energia. Economia de 5-10% na potência.
• Eletrodos de fundo tornam o fundo do forno mais complexo.
• Menores níveis de emissões de poeira e gás.

Desenvolvimento da Tecnologia de Forno a Arco DC

Acredita-se geralmente que o forno a arco DC é desenvolvimento recente. Isso é apenas amplamente correto. Já em 1881 na Alemanha e 1885 na Suécia, fornos de fusão foram descritos usando tecnologia DC. Estes fornos tinham duas abordagens: (i) conceito de arco queimando entre eletrodo de grafite e carga metálica, como usado hoje, e (ii) proposta de arco queimando entre dois eletrodos dispostos horizontalmente, fundindo a carga apenas por radiação. Como nem retificadores DC de alta corrente rápidos e controláveis nem solução para altas perdas térmicas estavam disponíveis, o forno a arco DC não pôde ser desenvolvido em unidade viável para operação industrial.

No início dos anos 1970, a tecnologia DC desenvolveu-se a nível que se tornou razoável usar para fornos a arco. A aplicação criou nova geração de fornos a arco para uso na siderurgia, bem como em setores de ferro-ligas e metais não-ferrosos. O forno DC de eletrodo único de grafite explorou a transferência de calor altamente eficiente do arco gerado entre o eletrodo superior de grafite e o ânodo fornecido pela carga. Aplicações bem-sucedidas nos anos 1980 e 1990 estabeleceram vantagens de fusão e redução do forno DC.

Características Básicas de Projeto

No DC-EAF, a energia elétrica é convertida em térmica principalmente pelo arco, estabelecido entre a ponta do eletrodo superior e o banho de escória. O topo do eletrodo é conectado como cátodo, e o sistema condutivo do fundo como ânodo.

Fornos DC têm apenas um braço de eletrodo e um único eletrodo de grafite. Este atua como cátodo. Assim, o topo do forno é menos complicado e há menos componentes para manter no DC-EAF e em geral menos componentes que projetos CA. O eletrodo é consumido durante a operação e deve ser extendido por novas peças. Braço do eletrodo é usado para regulagem. Como há eletrodo único, a perda de grafite por oxidação é menor comparada ao forno a arco CA.

Para eletrodo superior há requisitos especiais de grafite e precisa de grau especial. Requisitos comparados ao grafite para eletrodo CA-EAF: (i) menor coeficiente de expansão térmica, (ii) menor resistividade específica, (iii) condutividade térmica transversal aprimorada, (iv) menor coeficiente de expansão térmica, e (v) homogeneidade e granulosidade melhoradas. DC-EAF requer arranjo efetivo de resfriamento no teto e parede lateral para contrabalancear efeito de escória líquida quente em contato direto com refratário e radiação térmica aumentada.

O DC-EAF precisa de eletrodo de retorno, o ânodo, para completar o circuito elétrico. Este ânodo é normalmente chamado eletrodo de fundo pois localizado no fundo da carcaça. O forno opera com "hot heel" (calcanhar quente) para garantir caminho elétrico ao ânodo de retorno. Vários projetos estão disponíveis para eletrodo de retorno de fundo incluindo: pinos metálicos com refratários não-condutivos, eletrodo de tarugo, eletrodos de aletas metálicas e refratário de fundo condutivo. Mostrados na Fig. 3.

Refratário Condutivo de Fundo

No caso de contato refratário condutor de corrente, o revestimento no centro do fundo atua como ânodo. O fundo tem flange circular que repousa dentro de canal circular soldado à carcaça. Dentro do canal, a flange é suportada por blocos cerâmicos reforçados com fibra. O espaço entre canal, blocos e flange é preenchido com composto de apiso refratário. Isso isola o fundo eletricamente do resto da carcaça como mostrado na Fig. 4.

O fundo esférico é feito de aço de alta temperatura. Placa circular de cobre é aparafusada diretamente ao fundo. Quatro terminais de cobre estendem-se através do fundo da placa e conectam-se a cabos flexíveis que por sua vez conectam-se aos barramentos. Tijolos refratários condutivos são instalados sobre a placa de cobre. Fluxo de calor do fundo (normalmente ~15 kW/m²) é removido por resfriamento a ar forçado. Devido à grande área do eletrodo de fundo, a densidade de corrente tende a ser baixa, ~5 kA/m². Porém, em alguns fornos, material de apiso não-condutivo é usado no centro para forçar distribuição mais uniforme da corrente. Se distribuição adequada não for alcançada, resultam pontos quentes no centro.

Eletrodo de Retorno Tipo Tarugo

A configuração de eletrodo de retorno tipo tarugo usa 1 a 4 tarugos de aço de ~100-150 mm diâmetro, podendo chegar a 250 mm dependendo do tamanho do EAF. Normalmente, o projeto visa corrente de 40-45 kA por eletrodo de fundo. Os tarugos estão em contato com o banho na superfície superior e portanto recuam por fusão. O grau de recuo é controlado por resfriamento a água. O tarugo é inserido em alojamento de cobre por onde circula água de resfriamento. Termopares monitoram temperatura do tarugo e da água.

Uma bainha isolante isola o alojamento de cobre do tarugo. O tarugo conecta-se a base de cobre que fornece conexão a cabo de potência. Arranjo típico de ânodo tipo tarugo na Fig. 5.

Eletrodo de Retorno Tipo Pino

O tipo pino usa múltiplos pinos metálicos de 25-50 mm diâmetro para fornecer caminho de retorno da corrente. Configurados verticalmente, penetram o refratário. Estendem-se até o fundo onde são fixados por duas placas metálicas. As extremidades inferiores são ancoradas à placa condutora inferior. A placa de contato inferior é resfriada a ar e localizada no centro do fundo. As porções superiores dos pinos ficam niveladas com o revestimento de trabalho. Os pinos estão em contato direto com o banho e recuam à medida que o revestimento se desgasta. Cabo de retorno de potência conecta-se à placa condutora inferior.

Sistema extensivo de monitoramento de temperatura é fornecido para rastrear desgaste do revestimento e vida do eletrodo de fundo. Permite troca programada do eletrodo em parada de manutenção de 8 horas.

Eletrodo de Retorno Tipo Aleta de Aço

O tipo aleta usa aletas de aço dispostas em anel no fundo formando vários setores. Cada setor consiste de placa de aterramento horizontal e várias aletas soldadas que progridem para cima através do refratário. Aletas têm ~1,6 mm espessura e ~90 mm de distância. Setores são aparafusados em carcaça de fundo resfriada a ar, eletricamente isolada do aterramento e conectada a 4 condutores de cobre.

A maioria dos DC-EAFs opera com arcos longos, tipicamente 2-3 vezes os encontrados em fornos UHP convencionais. Como resultado, DC-EAF tem maiores vazões de água para painéis resfriados a água.

Revestimento Refratário para DC-EAF

O conceito refratário de forno DC deve ser projetado considerando condições mais severas. Fornos a arco DC têm refratários especiais no fundo porque o ânodo é instalado no fundo (alguns usam arranjo alternativo com dois eletrodos de grafite). No caso de fundo condutor, o revestimento no centro atua como ânodo. Placa de cobre geralmente conectada abaixo do refratário condutivo e barramento de retorno conectado à placa. Requisitos especiais: baixa resistência elétrica (preferencialmente < 0,5 mΩ/m), baixa condutividade térmica, alta resistência ao desgaste.

Configuração típica usa revestimento de trabalho de 150 mm consistindo de misturas magnésia-carbono ligadas com 5-10% carbono. Instaláveis a quente ou frio. Abaixo, tijolo magnésia-carbono de três camadas com carbono residual de 10-14%. Com manutenção regular, esta configuração alcançou vida de até 4.000 cargas.

Configuração tipo tarugo usa 1-4 tarugos (~250 mm diâmetro) dependendo do tamanho. Tarugos embutidos no refratário de fundo, cercados por tijolo refratário básico. Restante do cadinho apisado com mistura especial de apiso magnésia. Mistura de apiso magnésia usada para manter área do tijolo ao redor do eletrodo. Esta configuração alcançou > 1.500 cargas no fundo.

Tipo pino usa pinos metálicos de 25-50 mm que penetram refratário até o fundo onde conectam-se a placa metálica. Mistura de apiso magnésia seca para todo revestimento do cadinho. Apisada entre pinos. Alternativamente, tijolo magnésia-carbono na área ao redor do ânodo melhora vida do fundo mas é mais caro. Vida típica: 2.000-4.000 cargas dependendo dos materiais.

Tipo aleta usa aletas em anel formando setores. Cada setor: placa horizontal e aletas soldadas protruindo através do refratário. Mistura de apiso magnésia seca entre aletas. Cadinho também revestido com este material.

Considerações Elétricas para DC-EAF

Para atingir vazão máxima, controle de potência deve ser otimizado para garantir máxima entrada de potência em todos estágios da fusão e durante variações no material de carga. Ao mesmo tempo, perturbação mínima na rede deve ser garantida. Qualidade de energia deve ser compatível com a concessionária.

Suprimento DC

A alta potência é suprida de rede CA trifásica de alta tensão. Convertida para DC por retificação da saída do transformador. Retificação por tiristores em ponte. Normalmente suprimentos de 12, 18 ou 24 pulsos são usados, obtidos por transformadores paralelos múltiplos eletricamente deslocados para que pulsos individuais se sobreponham uniformemente. Deslocamento de 15°, 10° ou 7,5° correspondendo a 12, 18 ou 24 pulsos, feito por conexões de bobinas no transformador. Por isso transformadores para DC-EAF são bastante diferentes dos para AC-EAF e geralmente inadequados para operação CA.

A característica volt/amp de suprimento DC consiste em queda fracamente decrescente de tensão DC à medida que corrente DC aumenta. Inclinação ~1 V/kA determinada pela reatância de comutação da combinação transformador/retificador, não pelo forno. Para limitar grandes excursões de corrente devido a tensões de arco amplamente diferentes, tiristores são usados em preferência a diodos. O instante de condução após corrente zero (atraso do ângulo de disparo) é controlado pelo terminal de gate. Cada tiristor pode, em princípio, ser desligado dentro de meio ciclo. Mesmo assim, nos atrasos de milissegundos entre mudança de tensão de arco (ex.: curto-circuito) e controle dos tiristores, correntes podem aumentar significativamente. Para reduzir taxa de subida da corrente, normal adicionar reator no laço de corrente DC, a reatância natural do laço de alta corrente sendo inadequada.

Estes reators dimensionados para indutância de 100-400 µH. Como suportam corrente DC total, perdas ôhmicas são significativas e só mantidas dentro de limites aceitáveis empregando seção adequada de cobre ou alumínio nas bobinas. Tiristores capazes de alguns kA e kV de polaridade reversa. Arranjo de tiristores em série e paralelo compõe cada perna. Fusíveis e resistores de balanceamento de tensão usados como proteção. Resfriamento por água desionizada.

Características Elétricas do DC-EAF

Controle de tiristores normalmente escolhido para manter corrente constante. Assim, corrente CA antes do retificador também é constante, como a corrente primária. Considerando potências no primário CA, corrente constante significa MVA constante. Característica de MW como função de MVAR é quadrante de círculo: MW² + MVAR² = MVA² = constante. Normalmente inclinação da linha volt/amp é linear e cai tipicamente 100 V em 100 kA. Assim a 100 kA, controle de tiristores pode manter corrente constante sobre faixa de tensão de arco de ~900 V até curto-circuito variando ângulo de disparo.

Conexões de Fundo

Para operar com arco DC único, necessário fazer conexão elétrica (ânodo positivo) à carga de aço. Várias soluções desenvolvidas. Alguns tipos de conexões de fundo mostrados na Fig. 6.

Em um tipo, corrente do ânodo é compartilhada entre muitas hastes de aço embutidas em bloco de refratário apisado. Hastes de ~25 mm diâmetro, até 1 m comprimento, ligadas por placa de cobre abaixo da carcaça. Bloco de ânodo mede 1-2 m diâmetro. Variação do tipo pino usa chapas finas de aço em refratário. Outra variação emprega tarugo de 250 mm através de manga isolada, levando a conexão de cobre resfriada abaixo da carcaça. Nos três projetos (pino, chapa, tarugo), o topo do condutor de aço funde durante a carga. Ressolidifica durante desligamento e carregamento de sucata.

Alternativa aos projetos aço-aço é onde corrente passa por refratários condutivos a placa de cobre de grande diâmetro. Em todos os tipos de conexão de fundo deve haver isolamento entre conexão do ânodo e carcaça do forno. Isso reduz probabilidade de corrente passar pela carcaça diretamente para barramentos do ânodo.

A qualidade de energia é a principal preocupação do sistema de suprimento em unidade EAF. Necessário conformidade com limites de flicker, fator de potência e harmônicos. Algoritmo efetivo de controle de eletrodo reduziu comutação do transformador e dimensionamento correto do reator DC e filtros harmônicos são necessários para atender requisitos da concessionária. Além disso, redução ativa opcional de flicker e correção contínua de fator de potência através de Compensador Estático de Var (SVC) são requeridos para garantir conformidade com demandas mais rigorosas e/ou permitir operação em áreas remotas com rede fraca.

Flicker causado principalmente por flutuações de potência reativa. Logo, link rápido que envia informação do controle do retificador para controle do SVC, permitindo cálculo do consumo real de potência reativa do forno é necessário. Esta informação melhora desempenho de mitigação de flicker. Resultado do uso de SVC: (i) maior potência média de entrada comparado a compensação Var convencional, (ii) correção contínua de fator de potência próxima à unidade, (iii) controle de tensão do barramento do forno, (iv) sem carga desbalanceada na rede, e (v) baixos níveis de flicker e harmônicos mesmo em redes fracas.

Estabilizador de arco necessário para maior produtividade. Processo estável essencial para operação produtiva. Uso de projeto otimizado de reator DC (baixas perdas) para suavizar corrente do eletrodo ajuda a manter arco estável. Resultado: (i) menor estresse no sistema hidráulico do eletrodo, (ii) menos vibração, (iii) menor consumo de eletrodo, (iv) maior produtividade, (v) redução ainda maior de flicker, e (vi) menores perdas por radiação.

No DC-EAF, tiristores têm duas terminações de cobre, uma conectada ao cabo de potência do EAF, outra ao eletrodo de fundo. O eletrodo de fundo é normalmente rígido, sem movimento durante operação. Em princípio, terminação no tiristor é análoga ao fechamento delta, embora fisicamente difira consideravelmente. Quanto a questões de manutenção do fechamento delta, mesmos conceitos aplicam-se à operação DC.

Operação do DC-EAF

O progresso em tecnologia de comutação de semicondutores de alta potência trouxe suprimentos DC de baixo custo e eficientes. Devido a estes avanços, operação de forno DC de alta potência tornou-se viável. DC-EAF caracterizado por retificação de tensões de transformador trifásico por retificadores controlados por tiristores. Estes dispositivos capazes de modular e controlar continuamente magnitude da corrente de arco DC para operação estável. Fornos DC usam apenas um eletrodo de grafite com eletrodo de retorno integrado no fundo. Vários tipos de eletrodos de fundo: fundo condutivo, fundo de pinos condutivos, tarugo único ou múltiplo, aletas condutivas em cadinho magnesita monolítico.

Todos estes projetos de eletrodo de retorno de fundo foram comprovados. Os mais usados são fundo de pinos condutivos (vários pinos ligados a placa formam caminho de retorno) e fundo tipo tarugo. Eletrodo de fundo resfriado a ar no tipo pino e a água no tipo tarugo. Área entre pinos preenchida com massa de apiso e ponta dos pinos no mesmo nível do revestimento interno. À medida que refratário desgasta, pinos também recuam.

DC-EAFs operam com hot heel para garantir caminho elétrico ao eletrodo de retorno. Na partida a frio, mistura de sucata e escória usada para fornecer caminho elétrico inicial. Uma vez fundido, forno pode ser carregado com sucata.

Benefícios iniciais da operação DC incluíram consumo reduzido de eletrodos (20% menor que CA alta tensão, 50% menor que CA convencional), flicker de tensão reduzido (50-60% da operação CA convencional) e consumo de potência reduzido (5-10% menor que CA). Resultados alcançados principalmente em fornos menores retrofitados de CA para DC. Porém, algumas instalações maiores não alcançaram imediatamente benefícios alegados. Duas áreas de preocupação emergiram: (i) consumo de eletrodos, e (ii) consumo de refratário.

Várias operações DC constataram que a diminuição esperada no consumo de eletrodos não ocorreu. Análises pelos fabricantes indicaram que condições físicas dentro dos eletrodos são diferentes para operações CA e DC. Como resultado, para grandes eletrodos DC com correntes muito grandes, observou-se aumento de trincas e descamação comparado a operações CA. Tornou-se necessário desenvolver eletrodos com propriedades físicas mais adequadas à operação DC.

O tamanho máximo econômico para fornos DC tende a ser função de limitações devido a tamanho do eletrodo e capacidade de corrente. Atualmente, tamanho máximo econômico para forno DC de eletrodo único de grafite parece ser ~165 toneladas. Tamanhos maiores podem ser acomodados usando mais de um eletrodo de grafite.

Várias operações DC iniciais tiveram problemas com desgaste de refratário e vida do eletrodo de fundo. Problemas diretamente relacionados a flare do arco dentro do forno. O projeto do ânodo tem maior influência no flare. Em todos fornos DC, o arco é defletido na direção oposta à alimentação devido a assimetrias nos campos magnéticos gerados pelo circuito DC. Assim, arco tende a concentrar-se em uma área criando ponto quente e desgaste excessivo. Várias soluções desenvolvidas para controlar ou eliminar flare. Todos projetos de eletrodo de fundo atualmente configurados para forçar arco ao centro.

No caso de fundo refratário condutivo e tipo pino, necessário fornecer linhas de alimentação divididas ao ânodo de fundo ou bobina de fundo que modifique campo magnético líquido. No projeto tipo tarugo, quantidade de corrente para cada tarugo é controlada junto com direção de alimentação do ânodo para controlar arco. Projeto de aletas utiliza fato de alimentação ocorrer em vários pontos para controlar deflexão. Quadrantes mais distantes do retificador recebem corrente maior que os mais próximos.

Alguns sentem que possibilidade de maior automação de atividades de EAF é maior para forno DC. Isso porque com apenas um eletrodo, há espaço aumentado tanto no topo quanto dentro do forno. DC-EAF esperado custar 10-35% mais que forno CA comparável. Porém, cálculos de payback indicam que custo adicional pode ser recuperado em 1-2 anos devido a menores custos operacionais.

Estudo comparou operações CA e DC e encontrou perdas elétricas de ~4% em CA e 5,5% em DC, diferença em termos absolutos relativamente insignificante. Diferença no consumo total de energia entre fornos CA e DC provavelmente < 9 kWh/t favorável ao DC. Porém muitas outras variáveis influenciam consumo e é difícil desenvolver números precisos.

Fornos DC experimentam ~25% menos consumo de eletrodos que CA, correlacionando a tipicamente 0,4 kg/t. Diferença parece maior para fornos CA menores. Flicker ~60% menor para DC, porém avanços em configurações de sistemas CA (reatância adicional) reduziram esta diferença para 40%.

Resultados típicos para grandes operações DC-EAF: consumo de eletrodo 1-2 kg/t aço líquido, consumo de potência 350-500 kWh/t aço líquido, tempo carga-a-carga 45-120 minutos, vida do fundo 1.500-4.000 cargas. Importante lembrar que consumo de potência depende altamente de práticas operacionais, temperatura de corrida, uso de combustíveis auxiliares, tipo de sucata, etc.