Progettazione di forni ad arco ad altissima potenza: perché 1000 kVA per tonnellata hanno cambiato l'economia dell'acciaio
Se negli anni '70 gestivate un forno ad arco elettrico, la potenza nominale del trasformatore era di 350-500 kVA per tonnellata di capacità. La produttività si attestava tra le 25 e le 30 colate al giorno su un forno da 100 tonnellate. I moderni forni ad arco elettrico ad altissima pressione (UHP) raggiungono potenze di 800-1100 kVA per tonnellata, e lo stesso forno ora effettua 40-50 colate al giorno. L'aumento di produttività è la ragione principale per cui la produzione di acciaio con forno ad arco elettrico è ora in diretta competizione con i processi integrati con altoforno per molti prodotti piani e lunghi.
Cosa significa realmente UHP
Il termine "Ultra-High Power" (UHP) fu coniato negli anni '60 dai ricercatori dell'Università della British Columbia e originariamente descriveva forni ad arco con una potenza superiore a 700 kVA per tonnellata. Oggi, i forni ad arco elettrico UHP operano comunemente a potenze comprese tra 900 e 1100 kVA per tonnellata, con i forni più grandi che raggiungono i 1200 kVA per tonnellata per garantire la stabilità in caso di cortocircuito.
La sola maggiore potenza nominale del trasformatore non garantisce un aumento di produttività. La tecnologia UHP necessita di miglioramenti analoghi in termini di pannelli di raffreddamento ad acqua, qualità degli elettrodi, progettazione dell'impedenza del trasformatore e tempo di risposta della regolazione dell'arco. Trascurando anche solo uno di questi aspetti, il trasformatore diventa un semplice pezzo di ferro che offre prestazioni inferiori a quelle dichiarate.
Perché la densità di potenza è importante
Il collo di bottiglia è rappresentato dal trasferimento di calore al rottame. Con un progetto da 500 kVA per tonnellata, l'arco irradia energia verso un cumulo di rottami relativamente freddo, e la maggior parte di questa energia viene riflessa all'indietro verso le pareti del forno. Con un progetto da 1000 kVA per tonnellata, l'arco genera così tanto calore in un piccolo volume che si forma una pozza di metallo fuso in pochi minuti, e questa pozza assorbe l'energia dell'arco attraverso la superficie del bagno anziché per irraggiamento. Il risultato: più energia viene trasferita all'acciaio e meno viene sprecata per riscaldare i pannelli di raffreddamento ad acqua e i sistemi di aspirazione delle polveri.
In un forno elettrico ad arco UHP da 100 tonnellate, il tempo di accensione tipico è di 32-38 minuti. Il tempo di spegnimento (caricamento, spillatura, rimozione scorie) aggiunge altri 8-10 minuti. Un ciclo di spillatura di 40-48 minuti consente di effettuare da 30 a 36 colate al giorno. In un vecchio modello da 500 kVA per tonnellata, lo stesso forno avrebbe un ciclo di spillatura di 65-80 minuti, consentendo da 18 a 22 colate al giorno. Moltiplicando per 365 giorni, la differenza di produzione annua è di circa 1 milione di tonnellate all'anno per un singolo forno.
Stabilità dell'arco elettrico e mitigazione dello sfarfallio
Un trasformatore da 1000 kVA per tonnellata su un forno da 100 tonnellate ha una potenza di 100 MVA. Ciò assorbe una corrente enorme, da 80 a 120 kA, attraverso i bracci degli elettrodi. Quando il rottame cede, la corrente aumenta improvvisamente e la tensione crolla. Lo sfarfallio che questo provoca sulla rete elettrica può mandare fuori servizio le fabbriche vicine se il sistema di correzione del fattore di potenza non è progettato correttamente.
I moderni forni elettrici ad arco (EAF) ad altissima potenza (UHP) utilizzano compensatori statici di potenza reattiva (SVC) o moderni filtri armonici attivi. Un tipico impianto con forno da 100 MVA richiede una compensazione dinamica della potenza reattiva compresa tra 80 e 120 MVAR. Il costo delle apparecchiature SVC è significativo, spesso pari al 5-8% del costo totale di installazione dell'EAF, ma è imprescindibile per qualsiasi allacciamento alla rete elettrica al di sopra di una certa soglia. MONTE INTELLIGENCE collabora con i clienti per modellare le prestazioni di flicker durante la fase di progettazione, in modo che il dimensionamento dell'SVC corrisponda al profilo operativo effettivo, evitando sovrastime che comporterebbero uno spreco di capitale.
Qualità degli elettrodi a carico UHP
Un forno ad arco elettrico ad altissima pressione (UHP) consuma rapidamente gli elettrodi. Gli elettrodi standard da 600 mm, con un carico di 1000 kVA per tonnellata, consumano da 1,5 a 2,5 kg per tonnellata di acciaio, a volte anche di più. L'elettrodo deve sopportare un'elevata densità di corrente – da 25 a 35 A per cm² è la norma – senza scheggiarsi, incrinarsi o rompersi. Ciò richiede coke aghiforme di alta qualità con bassa dilatazione termica e resistività costante.
La fase di impregnazione con pece nella produzione degli elettrodi è più importante con carichi UHP rispetto ai forni di dimensioni inferiori. I guasti prematuri degli elettrodi a correnti UHP, le famose rotture del cavo di collegamento e le esplosioni di pece verde, sono riconducibili a una penetrazione della pece incoerente o insufficiente. MONTE INTELLIGENCE specifica elettrodi di grado UHP per tutti i forni superiori a 700 kVA per tonnellata ed effettua controlli sui lotti di elettrodi in entrata nell'ambito di contratti di fornitura a lungo termine.
Pratica delle scorie schiumose
Non è possibile far funzionare un forno da 1000 kVA per tonnellata senza una scoria schiumosa stabile. La scoria deve seppellire gli archi per prevenire danni ai materiali refrattari e massimizzare il trasferimento di calore. Uno strato di scoria schiumosa spesso da 10 a 15 cm assorbe le radiazioni dell'arco e riduce l'usura dei materiali refrattari nella linea di scoria.
La formazione di schiuma nelle scorie si ottiene iniettando carbonio in una scoria con un elevato contenuto di FeO. La reazione tra carbonio e FeO produce bolle di CO₂ che espandono il volume della scoria di 2-3 volte. La formazione di schiuma nelle scorie è sensibile al rapporto C/FeO, alla basicità della scoria e alla temperatura del bagno. I sistemi di controllo MONTE INTELLIGENCE monitorano la composizione dei gas di scarico per tracciare lo stato di formazione della schiuma e regolare la velocità di iniezione del carbonio in tempo reale.
Pannelli e design del guscio raffreddati ad acqua
Il carico UHP concentra il flusso di calore sulle pareti laterali. Il solo materiale refrattario non è in grado di resistere al carico termico. I pannelli raffreddati ad acqua coprono dal 70 al 90 percento della linea di scoria in un moderno forno ad arco elettrico UHP, mentre la parte restante rimane refrattaria nella zona di impatto del bagno, dove il congelamento della scoria protegge il guscio.
In un forno UHP da 100 tonnellate, la portata dell'acqua di raffreddamento è compresa tra 800 e 1200 m³ all'ora, con un aumento di temperatura di 5-8 gradi Celsius. Il calore dissipato dall'acqua di raffreddamento rappresenta dall'8 al 12% dell'energia in ingresso, il che costituisce una reale perdita di efficienza, ma è il prezzo da pagare per una maggiore produttività. Una buona progettazione del forno minimizza il carico termico dell'acqua di raffreddamento gestendo la forma dell'arco e la copertura delle scorie.
Compromessi specifici tra energia e produttività
I forni ad arco elettrico UHP di ultima generazione raggiungono un consumo energetico specifico inferiore rispetto ai modelli più datati. Un moderno forno UHP consuma da 350 a 420 kWh per tonnellata, contro i 500-600 kWh per tonnellata di un modello degli anni '80. Il risparmio energetico deriva dalla maggiore densità di potenza e dal ciclo di funzionamento più breve, che riduce le perdite fisse (riscaldamento del materiale refrattario, energia degli elettrodi e raffreddamento ad acqua durante i periodi di inattività).
Il compromesso sta nel costo del capitale. Un forno UHP da 100 tonnellate con SVC completo, pannelli raffreddati ad acqua e sistemi bus ad alta corrente costa da 1,5 a 2 volte di più rispetto a un forno convenzionale da 600 kVA per tonnellata. Il periodo di ammortamento dipende dal costo locale dell'elettricità e dal prezzo di vendita dell'acciaio: in genere da 4 a 7 anni nei mercati con un costo dell'elettricità pari o inferiore a 0,06 USD per kWh.
Forno elettrico ad altissima pressione (UHP EAF) e integrazione delle energie rinnovabili.
Una tendenza che MONTE INTELLIGENCE sta monitorando è la compatibilità dei forni ad arco elettrico ad altissima pressione con le fonti di energia rinnovabile intermittenti. L'arco può aumentare e diminuire rapidamente la sua potenza per adattarsi alla disponibilità di energia eolica o solare, e la vasca è sufficientemente ampia da compensare brevi cali di potenza. Diverse acciaierie europee hanno sperimentato profili di potenza dinamici che seguono la produzione eolica, e il risparmio sui costi energetici (dal 5 al 15% rispetto alla tariffa fissa della rete elettrica) sta ora suscitando un notevole interesse da parte degli operatori in Texas, Mongolia Interna e nel Golfo Persico.
Contatta MONTE INTELLIGENCE per informazioni sul forno elettrico ad arco UHP.
Per gli acquirenti che valutano un ammodernamento UHP o un nuovo impianto EAF, l'ingegneria di MONTE INTELLIGENCE può modellare il dimensionamento del trasformatore, le specifiche SVC, il fabbisogno di acqua di raffreddamento e gli obiettivi di produttività in un unico studio di fattibilità. Visitawww.cnlymonte.com/products-electric-arc-furnace.html Per informazioni su installazioni di riferimento e opzioni di trasformatori, per avviare una discussione riservata, inviare un'e-mail a helenxu@cnlymonte.com con oggetto "Richiesta UHP EAF" e il tonnellaggio desiderato.
