EAM Assessoria e Treinamentos no Processo Industrial e Segurança do Trabalho
Soluções de Problemas e Capacitação de Equipes
INTRODUÇÃO AO PROCESSO DE FORNO PANELA
O processo de aquecimento através de utilização de energia elétrica em um Forno Panela, muitas vezes se trata de um escolha entre este ou uma estação de aquecimento por reações químicas dependendo de uma série de fatores como custo de energia elétrica e dos desoxidantes (alumínio ou silício), tipo de instalação de refino existente, disponibilidade e confiabilidade do fornecimento de energia elétrica, taxa de aquecimento do aço necessária, investimento necessário, dentre outros.
O termo forno panela pode não ser o mais adequado, pois, na realidade, a instalação de refino secundário é constituída basicamente de uma abóbada equipada com eletrodos (normalmente são utilizados três eletrodos em fornos de trifásicos de corrente alternada), os sistemas de adição de ligas e amostragens de temperatura e composição, dispositivos para agitação do banho com injeção de gases inertes ou equipamentos eletromagnéticos, sistema de captação de fumos e dispositivos auxiliares para deslocamento do carro porta-panela (Figura 1).
Figura 1: Representação esquemática de uma estação de refino secundário do tipo forno panela.
ETAPAS DO PROCESSO DE UM FORNO PANELA
Finalizado o despejo do convertedor LD, uma ponte rolante transporta a panela com o aço ao carro porta panela. Este se desloca ao forno panela, onde a abóbada é abaixada, iniciando o processo de aquecimento. No início do aquecimento, é necessário adicionar cal ou escória sintética para adequar o volume de escória na panela, impedindo a exposição do arco elétrico e promover a troca térmica. A escória é também responsável por diminuir as perdas térmicas do aço e captar as inclusões existentes. A etapa de aquecimento dura aproximadamente 10 minutos, dependendo do tipo do aço a ser produzido.
Entretanto, nos primeiros minutos, como a panela não está totalmente encharcada termicamente e há grandes adições de massa de cal (escória sintética), a taxa de aquecimento do aço é mais baixa.
Como o aquecimento do aço no forno panela ocorre de cima para baixo, o aço em contato com a escória tende a ficar com uma temperatura mais elevada. Assim durante todo o processo do forno panela, um gás inerte (argônio) é injetado através de um plug poroso localizado na base da panela, com o objetivo de homogeneizar a temperatura do aço e evitar um desgaste excessivo do refratário na linha de escória. Para se evitar riscos de transbordamentos e superaquecimento da abóbada, no forno panela opera-se com borda livre na faixa de 600 a 1400 mm.
Finalizada a etapa de aquecimento, é realizada uma amostragem do aço para cálculo de correção da composição química do aço. Inicia-se então a etapa de refino, com a adição de ferros-liga e/ou metais puros além do restante de escória. Nesta etapa, o tempo de aquecimento depende da temperatura objetivada de liberação do aço para o lingotamento contínuo. As ligas adicionadas têm o objetivo de se atingir a faixa de análise química requerida.
O argônio, injetado pelo fundo da panela durante toda a elaboração do refino do aço, visa a flotação das inclusões para a escória e homogeneizar a temperatura e a composição química do aço. Durante todo o processo, várias medições de temperatura são realizadas. No entanto, para realização destas medições, é necessário subir os eletrodos, abrir uma portinhola e descer a lança de medição, gerando aproximadamente 1,5 minutos de forno desligado.
Para concluir o processo, uma amostra de aço é retirada e a panela é liberada para o lingotamento contínuo. A figura 2 abaixo representa o ciclo teórico de tratamento de um aço comum no forno panela.
Figura 2: Evolução térmica no tratamento de um aço comum no forno panela.
O grande diferencial do forno panela reside na facilidade de elevação e manutenção da temperatura do metal líquido. Entretanto, como o aquecimento é feito pela transmissão de calor do arco elétrico para a escória e desta para a superfície do banho metálico, este fato limita a taxa de aquecimento do aço à capacidade de renovação dele na superfície. Desta forma, o controle da agitação causada pela injeção de argônio é de grande importância, pois uma agitação excessiva poderá provocar a exposição do aço à atmosfera, ocasionando forte oxidação do banho e deterioração da qualidade do aço.
Por outro lado, uma agitação insuficiente pode ocasionar desgaste do refratário na linha de escória, havendo risco de furar a panela e vazar o aço líquido. Por isto as taxas de aquecimento alcançam em média 3,5 a 5,0 º C/min., podendo chegar, em alguns casos, a 6,0 º C/min.
A variação da taxa de aquecimento está ligada também à variação da potência utilizada. A alteração desta potência é realizada alterando-se a tensão no secundário do transformador. No forno panela em estudo, existem 10 taps que podem ser utilizados de acordo com a potência desejada.
A seleção de um tap implica na eliminação ou inclusão de enrolamentos da bobina do primário do transformador, mudando a razão dele. Desta forma, obtém-se uma menor ou maior tensão no secundário. Assim, quanto menor o tap, maior a potência no secundário e maior a taxa de aquecimento do forno panela.
A figura 3 abaixo apresenta curvas características de diversos parâmetros do forno panela, indicando a resposta e o comportamento do equipamento para um determinado tap.
Figura 3: Curvas características de um forno panela para um determinado tap.
A energia elétrica consumida durante o processo do forno panela é produto da potência ativa pelo tempo de forno ligado nesta potência. A equação descreve a energia útil necessária para o tratamento do forno panela:
Et = Ee + Ep
Onde:
Et = energia útil consumida durante o tratamento (kWh);
Ee = energia efetiva para o aquecimento (kWh);
Ep = energia perdida durante o tratamento - perda térmica (kWh).
A energia efetivamente utilizada no aquecimento é definida na equação:
Ee = Pao:Cpao:(Tf ¡ Ti)
onde:
Ee = energia efetiva para o aquecimento (kWh);
Pao = peso do aço na panela (kg);
Cpao = calor específico do aço (kWh=kg:±C);
Tf = temperatura final do aço (±C);
Ti = temperatura inicial do aço (±C).
A energia perdida durante o tratamento do forno panela é constituída de três componentes principais:
· perdas térmicas para a abóbada e eletrodos,
· perdas por transferência de calor na panela
· perdas térmicas para escória, ligas e fundentes.
As perdas por radiação na superfície do banho dependem da temperatura da escória e do estado térmico da abóbada e eletrodos. Já as perdas térmicas por transferência de calor na panela, podem ser divididas em dois grupos: perdas por convecção e perdas por condução. Outro fator que deve ser levado em consideração na determinação das perdas térmicas na panela é o estado térmico da panela que é definido como índice de encharque da panela.
Para a determinação do índice encharque das panelas nesse tipo de processo, temos que coletar e analisar dados registrados da pior condição térmica da panela quanto da melhor condição.
As variáveis de entrada definidas nessa coleta de dados devem ser:
- Tempo com aço - tempo total da panela com aço durante a última corrida.
- Tempo sem aço - tempo total da panela sem aço, coletado após o final da corrida.
- Número de sequências no ciclo - sequência de corridas realizadas pela panela após sua entrada no ciclo.
- Tempo no gás - tempo total da panela em aquecimento.
- Tempo no gás proporcional - tempo total da panela no aquecedor em relação ao tempo sem aço na panela.
- Temperatura no gás - valor da última temperatura da panela medida no aquecedor.
- Tempo fora do gás - tempo total em que a panela se encontra fora do aquecedor.
Para a definição dos conjuntos relativos aos dados de entrada, deve-se calcular os valores médio, máximo e mínimo de cada variável e avaliar os padrões utilizados pelos operadores da área para a definição das faixas alto, médio e baixo das variáveis utilizadas no sistema.
Os dados informados de saída do sistema devem ser definidos tomando como base as condições operacionais das panelas onde: panelas fora do ciclo tendem as piores condições térmicas, panelas do gás tendem uma condição intermediária e panelas do ciclo representam melhores condições térmicas.
As perdas térmicas para escória, ligas e fundentes podem ser agrupadas em:
· energia gasta na fusão e aquecimento da escória existente e fundentes adicionados,
· energia gasta na fusão e aquecimento das ligas,
· energia de dissolução, podendo ser endotérmica ou exotérmica.
Como o cálculo das perdas do processo do forno panela é de difícil implementação devido ao mapeamento de todas as contribuições existentes para o balanço térmico, é comum optar-se por um balanço térmico global, que leva em conta as seguintes variáveis:
- Qualidade do aço;
- Peso do aço (kg);
- Tempo previsto para o tratamento (minutos);
- Temperatura inicial do aço (º C);
- Temperatura objetivada do aço (º C);
- Peso das ligas adicionadas (kg);
- Espessura da escória (cm);
- Estado térmico da panela;
- Vida da panela;
- Estado térmico da abóbada.
No entanto, este balanço global apresenta erros, pois depende das condições da escória e do tempo decorrido entre dois tratamentos no forno panela.
Para se a analisar as perdas ocorridas durante o processo de tratamento do aço no forno panela, devem-se considerar os seguintes itens:
1. Perda térmica do aço com o meio ambiente, principalmente com a parede da panela, enquanto o aço líquido estiver na panela.
2. Perda por radiação com a superfície enquanto houver agitação do aço através da injeção de gases.
3. Energia adicionada ao banho através do uso do arco elétrico.
Das perdas citadas, apenas a perda devido à agitação do banho não tinha sido considerada no cálculo do balanço térmico global. Durante o processo de agitação do banho, a perda térmica pode ser maior, caso haja distúrbios causados na escória. Assim, um valor preciso desta perda é muito difícil de ser definido.
Perdas típicas em tratamento em panelas:
Tratamento Valor
Espera sem agitação na panela = 1 º C/min.
Borbulhamento de gases = 2 º C/min.
Tabela teórica das taxas de aquecimento do forno panela, determinada de forma empírica:
Nas Figuras 4, 5 e 6 são apresentadas imagens de estações do tipo forno-panela.
Figura 4: Forno Panela TWIN
Figura 5: Vista dos Eletrodos na Abóbada Figura 6: Conjunto da Abóbada do LF
DETALHAMENTO E SEQUENCIAMENTO DO PROCESSO
O forno panela é um equipamento cujas características propiciam a execução de uma série de operações como, por exemplo:
- Controle da temperatura
- Ajuste da composição química
- Desoxidação
- Dessulfuração
- Homogeneização de composição química e temperatura
- Controle da morfologia e remoção de inclusões não-metálicas.
A sequência de operações normalmente utilizada é apresentada a seguir:
- A panela contendo o aço líquido proveniente do forno de refino primário é transportada para o forno panela.
- São feitas as adições de ferros-ligas ou metais puros para correção da composição química, com base na amostra retirada após o vazamento.
- A desoxidação pelo silício e/ou alumínio pode ser efetuada.
- É também necessário adicionar cal ou escória sintética para adequar o volume de escória na panela, impedindo a exposição do arco elétrico durante o aquecimento.
- No caso da elaboração de aços com maiores exigências de qualidade, é imprescindível que a escória do tratamento seja propícia à captação de inclusões e/ou dessulfuração do aço, tornando-se necessário remover a escória remanescente (através de raspagem) vinda do vazamento do forno primário, substituindo-a por outra escória mais adequada.
O forno é ligado para o primeiro aquecimento e a tendência de queda acentuada da temperatura, provocada pela realização das adições, se reverte. Entretanto, a panela ainda não teve o encharque térmico adequado e a taxa de aquecimento global do aço líquido varia de 1,5 a 2,5°C/minuto (embora nos últimos minutos possam ser alcançadas taxas de 3 a 4°C/minuto).
O tempo de forno ligado pode variar de 10 a 15 minutos, normalmente não excedendo este limite. Isto se deve ao fato de que a temperatura da escória é continuamente elevada, podendo prejudicar o revestimento da linha de escória da panela e da abóbada do forno. Observa-se que no caso de remoção da escória, ocorre uma maior queda de temperatura, sendo, portanto, necessário aquecer o aço por um período maior.
Após estes tratamentos iniciais, realiza-se uma amostragem do aço (temperatura e composição química) e processa-se a desoxidação, caso ainda não tenha sido efetuada, e as adições corretivas de ligas.
Em seguida, inicia-se o segundo aquecimento cujo tempo é calculado com base na temperatura final objetivada. Nesta fase, o incremento de temperatura é constante e dependendo da potência empregada, pode atingir de 3,5 a 6°C/minuto.
Caso seja necessário um pequeno acerto na composição química, o aquecimento pode ser interrompido ou as adições podem ser feitas com o forno ligado, dependendo do elemento químico a ser corrigido.
Para concluir o processo, retira-se uma amostra final e o aço é liberado para o lingotamento ou para a complementação do tratamento em outros equipamentos de refino secundário (fornos a vácuo), se não forem necessárias novas correções.
No caso da elaboração de aços com requisitos mais rigorosos de qualidade, antes de ser efetivada a liberação da corrida para o lingotamento, pode-se fazer um tratamento de injeção de ligas de cálcio, para controle da morfologia das inclusões e finalmente a agitação para aumentar a limpidez do aço, através da aceleração da flotação das inclusões ainda presentes.
Em empresas que realizam a produção de aços com adição de elementos de liga para aumentar a usinabilidade do aço, como por exemplo, chumbo e bismuto, estes elementos podem ser adicionados na estação de refino secundário ou em outra estação dotada de sistema de captação de fumos, pois os vapores destes materiais são nocivos à saúde.
O tempo total de tratamento em fornos panela varia entre 30 a 70 minutos, dependendo das operações necessárias. Por exemplo, a utilização de dispositivos que minimizem a passagem de escória do forno primário para a panela, evita a operação de raspagem da escória remanescente e a perda de temperatura é reduzida. Nos aços de qualidade normal, não é feita a agitação para promoção da flotação de inclusões, economizando energia e tempo.
Para minimizar os riscos de transbordamentos e o superaquecimento da abóbada opera-se normalmente com borda livre na faixa de 600 a 1400 mm. No forno panela (LF) opera-se normalmente com arcos elétricos mais curtos do que nos fornos elétricos (EAF). Este procedimento propicia uma redução do desgaste do refratário da linha de escória da panela, além do revestimento da própria abóbada do forno.
Um Forno Panela pode conter ainda um sistema conhecido como Agitador Magnético de corrente alternada para auxiliar na movimentação do aço líquido e alternativa aos sistemas de injeção de gases inertes.
Os agitadores eletromagnéticos são constituídos, basicamente, de uma bobina (refrigerada a água) através do qual circula uma corrente elétrica alternada, gerando um campo eletromagnético que envolve a panela contendo o aço líquido. Este campo eletromagnético provoca a formação de correntes induzidas, gerando forças eletromagnéticas que promovem a movimentação do metal líquido (Figura 7).
Figura 7: Representação esquemática de um agitador eletromagnético com as correspondentes linhas de fluxo no aço líquido numa panela.
Os fornos panela que trabalham com agitador eletromagnético exigem que as carcaças das panelas tenham a região próxima ao agitador alterada. Nesta região é necessário utilizar um aço do tipo não-magnético, com a finalidade de evitar o aquecimento por indução da carcaça e diminuir as perdas no campo magnético. Quando se utiliza a agitação através da injeção de gases inertes, deve-se tomar o cuidado de isolar eletricamente o tijolo poroso com camisa metálica, para evitar fugas de corrente, o que poderia causar danos na região do tijolo e vazamento acidental do aço líquido.
Os eletrodos utilizados no forno panela são semelhantes aos utilizados nos fornos elétricos a arco para refino primário do aço. São confeccionados com grafite e ao se desgastarem podem ser repostos através de emendas realizadas utilizando niples. Devem apresentar uma capacidade de condução de corrente maior para evitar a formação de um arco elétrico longo. Esta é uma das razões que justificam o seu menor diâmetro. São submetidos a menores esforços mecânicos, pois não ocorrer a fusão da sucata. Além disso, o ambiente no forno é redutor, reduzindo assim o desgaste por oxidação da superfície do eletrodo.
O princípio básico de alimentação de energia elétrica dos fornos panelas podem ser descrito como um circuito elétrico constituído em uma extremidade de uma fonte (rede de distribuição, disjuntor, transformador etc.) ligada a um ou mais condutores na outra extremidade, provocando curtos-circuitos que geram e concentram energia suficiente para aquecer a carga metálica líquida. Uma das principais características da energia elétrica necessária para provocar estes curtos-circuitos é a combinação de uma baixa tensão com uma elevada corrente (Figura 8).
Surge quando ocorre uma conexão de baixa resistência entre os pólos de um dispositivo elétrico ou eletrônico que é capaz de causar a passagem de um excesso de corrente.
Figura 8: Representação esquemática dos principais componentes do circuito de alimentação de energia de um forno panela do tipo corrente alternada.
Entretanto, normalmente grandes estações geradoras de eletricidade encontram-se, devido às suas fontes primárias de energia (quedas d'água, gás, carvão etc.), muito afastadas dos centros consumidores. Para o transporte de forma econômica de altíssimas quantidades de energia, são necessárias elevadíssimas tensões para evitar diâmetros exagerados dos condutores sem grandes perdas de energia devido ao aquecimento deles. Está justificada assim a necessidade da utilização dos transformadores de tensão que serão apresentados a seguir.
Os sistemas elétricos de alimentação dos fornos panela são normalmente constituídos de um sistema primário que supri a potência a partir da rede de distribuição de energia elétrica e de um sistema secundário que reduz a tensão e transfere a potência para o forno.
O sistema primário corresponde ao circuito de alta voltagem. Este circuito pode ser constituído de um disjuntor, chaves seccionadoras, de uma chave de operação do tipo à vácuo e de um transformador geral, cuja função é reduzir a tensão e elevar a corrente da rede aos valores adequados para o transformador do forno ou outros transformadores da usina (transformadores para instrumentos de controle por exemplo).
Este primeiro transformador reduz a alta voltagem da rede de distribuição para um valor médio de voltagem geralmente padronizado em cada país. No Brasil opera-se na linha de transmissão com 11,4 a 13,8 KV ou 23 kV entre fases para consumidores residenciais ou comerciais. Para grandes consumidores industriais, a linha de distribuição realiza o fornecimento de energia elétrica na faixa de 138 kV ou 230 kV, como é o caso das usinas siderúrgicas que utilizam os fornos elétricos a arco.
Este nível de tensão de fornecimento apresenta um menor custo e uma maior confiabilidade. No primeiro transformador normalmente situado em subestações, a tensão é reduzida para a faixa de 33 kV.
A chave seccionadora é utilizada quando se deseja um isolamento de fácil visualização do circuito. Este dispositivo é utilizado para interromper o circuito sem carga.
O disjuntor protege a rede de distribuição isolando-a no caso de sobre intensidade acidental de carga, cortando várias vezes por dia quando houver um curto-circuito entre os eletrodos e a carga. Em relação à chave seccionadora, o disjuntor permite interromper e religar um circuito com carga. Estes curtos-circuitos podem provocar correntes superiores a duas vezes a nominal durante poucos segundos.
O sistema ou circuito secundário, correspondente ao circuito de baixa voltagem, é formado por um segundo transformador, cabos flexíveis, condutores de corrente montados sobre os braços e das garras dos eletrodos. Uma série de combinações de voltagens (50 a 1.000) e altas amperagens (20 a 300 kA) são obtidas utilizando o transformador do forno de acordo com o transcorrer do processo de elaboração do aço.
A potência do transformador pode variar de 500 a 100.000 kVA dependendo da capacidade do forno. A duração da etapa de elaboração do aço depende da potência máxima do transformador. O enrolamento primário do transformador é construído com um certo número de derivações para possibilitar a obtenção de diferentes tensões secundárias através de um comutador, normalmente embutido na caixa do transformador.
Observa-se que os componentes do sistema secundário devem ser robustos o suficiente para conduzir as elevadas correntes sem superaquecimento, de forma que a dissipação da energia se concentre no arco elétrico.
Os cabos flexíveis normalmente são constituídos de tubos de cobre revestidos com borracha para isolamento, contando ainda com um sistema de circulação interna com água para refrigeração. Para reduzir as perdas de energia, o comprimento dos cabos flexíveis deve ser mínimo, suficiente apenas para permitir a movimentação da abóbada dele.
No caso dos fornos de corrente alternada, a corrente chega por uma fase (eletrodo) e retorna pelas outra duas (outros eletrodos). Neste sistema trifásico, a carga pode ser considerada com terra do circuito elétrico.
O arco elétrico é formado através da passagem de uma grande quantidade de corrente elétrica entre dois pontos, o eletrodo e a carga metálica, submetidos a uma elevada diferença de potencial (tensão). Este arco pode ser considerado como flexível, podendo se movimentar horizontalmente ou verticalmente, possibilitando que seja realizado o controle dele. O campo magnético criado pela passagem de corrente elétrica promove a agitação do banho metálico, contribuindo assim para a homogeneização de temperatura e composição química do banho metálico, evitando também um exagerado superaquecimento do aço líquido.
Entretanto, a interação entre os campos magnéticos criados por cada eletrodo, provoca a deformação dos arcos elétricos, pois, existe uma repulsão entre os campos, conforme apresentado na Figura 9, provocando uma alteração no perfil de desgaste dos eletrodos.
Figura 9 – Representação esquemática da alteração do perfil dos arcos elétricos devido à interação entre os campos elétricos/magnéticos em um forno trifásico de corrente alternada e a consequente alteração do perfil de desgaste dos eletrodos (a) apenas um eletrodo em um forno de corrente contínua e (b) deformação do arco entre eletrodos em um forno de corrente alternada.
Unidades de Tensão e Corrente:
Ampere (A) - unidade de medida para a corrente elétrica no Sistema Internacional; corresponde a uma corrente elétrica constante que passa por dois fios retos paralelos, de comprimento infinito e seção reta desprezível, situados no vácuo e afastados 1 metro um do outro, a qual produz uma força entre os mesmos de 2 x 10-7 N/m (0,0000002 newtons por metro).
Volt (V) - unidade de medida de diferença de potencial elétrico do Sistema Internacional definida como a diferença de potencial entre dois pontos de um condutor percorrido por uma corrente elétrica constante de um ampere, quando a potência dissipada entre os dois pontos é igual a 1 watt.
Watt (W) - unidade de medida de energia mecânica ou elétrica, de fluxo térmico e de fluxo energético de irradiação, equivalente a uma transferência de energia de 1 joule por 1 segundo ou à energia produzida por uma corrente de 1 ampere através de uma diferença potencial de 1 volt; 1/746 de cavalo-vapor.
As principais características elétricas de interesse para se estabelecer a metodologia de controle de um forno panela são apresentadas a seguir.
A impedância (Z) corresponde à oposição total ao fluxo de corrente alternada em um circuito elétrico. O valor da impedância de um circuito corresponde à relação entre a tensão (V) e a corrente (/e) em um circuito, ou seja, pode ser calculada através da seguinte equação:
Z = V/leZ
A resistência equivalente (Re) corresponde à soma da resistência útil ou do arco (Ru) e a resistência passiva ou de perdas (Rp), ou seja:
Re = Ru + Rp
A indutância corresponde à propriedade de um circuito elétrico que se opõe à mudança de sentido de corrente alternada devido ao campo magnético que se forma em torno de um condutor quando ocorre a passagem de corrente elétrica. A capacitância é a propriedade de um Circuito elétrico que traduz a capacidade do circuito de armazenar energia e que se opõe a qualquer variação de voltagem.
A resistência equivalente (Xe) é calculada pela soma da resistência indutiva (XL) e da resistência capacitiva (Xc) ao fluxo de corrente alternada, ou seja:
Xe = XL + Xc
A grandeza elétrica denominada potência, exprime a quantidade de energia elétrica que e transferida em um determinado período de tempo. Esta grandeza pode ser medida em watts (W) para a potência ativa, VA (volt-ampere) para a potência aparente e VAR (volt-ampere-reativo) para a potência reativa.
A potência aparente (Pa) corresponde à potência elétrica medida na rede de alimentação ou no circuito primário de um transformador do forno, ou seja, a potência que entra no sistema. A potência aparente está relacionada diretamente com a tensão (V) e a intensidade de corrente (/) que circula na linha. Desta forma, a potência aparente pode ser calculada pelas seguintes equações:
Pa = V . le ou Pa=Z . le2
A potência ativa (Pw) corresponde à potência média absorvida da rede de alimentação, em função das variações de corrente e de tensão em um determinado período de tempo e do ângulo de defasagem entre a corrente e a tensão. A potência ativa pode ser medida no circuito secundário do transformador em Watts (W), relacionando-se com a potência aparente de acordo com as seguintes equações:
Pw = Pa . cos (j) ou Pw = Re . le2
A potência útil (Pu) corresponde à potência utilizada no forno e transformada em calor útil. medida em Watts (W) por isto também é denominada de potência do arco, sendo determinada pelas seguintes equações:
Pu = Ru . le2 ou Pu = Pw- Pp
A potência passiva (Pp), também denominada de potência de perdas, corresponde à potência perdida no circuito secundário do forno devido à resistência elétrica própria de equipamento, sendo determinada pelas seguintes equações:
Pp = Rp . le2 ou Pp- Pw - Pu
A potência reativa (Pr) ocorre devido aos efeitos das reatâncias indutiva e capacitiva, correspondendo a uma determinada quantidade de potência criada no circuito e devolvida à rede de alimentação. Apesar de esta potência existir no circuito, a mesma não produz calor ou luz, mas requer uma determinada quantidade de corrente circulando no circuito. A potência reativa e determinada pelas seguintes equações:
Pr = Xe . le2 ou Pr= Pa - Pu
A defasagem entre corrente e a tensão no circuito é representada pelo cosseno do ângulo (j), denominado de fator de potência. Esta defasagem ocorre devido aos efeitos das resistências indutiva e capacitiva. O fator de potência é uma variável de grande importância, pois, serve de parâmetro para regulação dos fornos panela. A seguinte equação pode ser utilizada para determinação do fator de potência:
COS (j) = (Pw/Pa)
Para representar a relação entre as potências ativa, aparente e reativa, pode-se utilizar o diagrama vetorial apresentado na Figura 10.
Figura 10: Diagrama vetorial representado a relação entre as potências ativa, aparente ativa, aparente e reativa e o fator de potência.
O rendimento elétrico (ij) corresponde à proporção de potência que é efetivamente transformada em calor útil no forno em relação à potência absorvida pela rede de alimentação. O rendimento elétrico será reduzido com o aumento das perdas no circuito. Este rendimento n pode ser calculado pelas seguintes equações:
Considerando o fato de que a resistência passiva (Rp) é constante no forno, o rendimento elétrico será maior se a resistência útil ou do arco (Ru) for menor.
A princípio, o método mais direto e simples de aumentar a potência de operação dos fornos elétricos a arco seria elevar a tensão do secundário do transformador do forno. Porém, o aumento do comprimento do arco resultante desta intervenção, associado ao desvio deste arco, provocaria um desgaste excessivo do revestimento refratário, principalmente em fornos não equipados com painéis refrigerados.
Este fenômeno é mais grave no final da fusão, quando um banho piano de aço líquido é formado, expondo as paredes ao arco elétrico, principalmente quando não é utilizada uma escória espumante. A título de ilustração da relação entre o índice de desgaste do refratário (IR) e as variáveis elétricas, a seguinte equação pode ser aplicada:
Para um forno com três eletrodos, a tensão no arco pode ser calculada através da seguinte equação:
Varc = Pu/(3 . le)
A determinação do comprimento do arco é importante para que seja calculada a altura de camada de escória necessária para cobrir este arco elétrico de forma a reduzir o desgaste do refratário do forno devido à irradiação de calor a partir do arco elétrico.
Considerando que Earc significa a queda de tensão no arco, normalmente expresso em V/cm, o comprimento do arco elétrico (Larc) é determinado pela seguinte equação:
Larc = (Varc - Qt)/Earc
Estas variáveis também são apresentadas na Figura 11 que mostra as curvas de características elétricas do circuito elétrico de alimentação do forno. Estas curvas também são denominadas de curvas de potência do forno panela.
Estas curvas permitem relacionar a variação de potência aparente ou primária de entrada do transformador do forno (Pa em kVA a potência reativa (Pr em kVAR), a potência útil (Pu em kW), a potência ativa (Pw em kW), o fator de potência (cos (j) e o rendimento elétrico (n) com a alteração da intensidade de corrente elétrica (le em A).
Observa-se que o aumento da corrente provoca inicialmente um aumento das potências útil e ativa (Pw e Pu), que passam a diminuir a partir de um determinado ponto com o aumento da corrente. As potências aparente, reativa e passiva sempre crescem com o aumento da corrente. A corrente para qual foi atingido o pico de potência útil é denominada corrente ótima. Desta forma, o ponto de operação pode ser definido como sendo o ponto de maior produtividade (Pw máximo) ou o ponto de maior economia (Pa mínimo).
O fator de potência e a tensão no arco decrescem com o aumento da corrente. Na prática, o melhor rendimento do forno depende de outros fatores, tais como:
- Característica total de potência do circuito
- Comprimento do arco
- Tipo de carga
- Etapa do processo de elaboração do aço.
Figura 11 – Representação esquemática de uma curva de potência ou de característica elétricas de um forno panela.