Horno de Arco Eléctrico
El horno de arco eléctrico convierte energía eléctrica en un plasma de más de 3000 °C capaz de fundir chatarra, hierro de reducción directa y arrabio. Su desempeño se decide en tres frentes simultáneos: el punto de operación eléctrico, el aporte de energía química y la disciplina de los tiempos de Power OFF.
¿Qué es un horno de arco eléctrico?
Un horno de arco eléctrico (EAF, por sus siglas en inglés) es una cuba cilíndrica basculante revestida en su parte baja con refractario y en su parte alta con paneles refrigerados por agua. Por la bóveda descienden tres electrodos de grafito alimentados desde un transformador de horno a través de un sistema de alta corriente.
El principio de operación consiste en establecer y controlar un arco eléctrico entre la punta de cada electrodo y la carga metálica. Ese arco forma un plasma que transfiere calor por conducción, convección y radiación, fundiendo la chatarra y los demás materiales ferrosos que se cargan y se adicionan durante la refinación del baño líquido.
A diferencia de la ruta integrada —alto horno más convertidor—, el EAF no produce arrabio: entrega acero líquido directamente. El ajuste fino de composición y temperatura se realiza aguas abajo, en el horno cuchara.
¿Cómo funciona?
Se denomina colada al ciclo completo de fusión y refinación de una o más cargas. Durante la colada los parámetros eléctricos varían de forma drástica: al inicio, con chatarra sólida, el arco es inestable y la reignición se retarda; conforme crece la fracción de metal fundido las condiciones mejoran y es posible transferir más potencia.
La colada moderna se realiza por el fondo excéntrico (EBT). El chorro es corto y se conserva una fracción de baño líquido en la cuba —el hot heel— que acelera el arranque de la carga siguiente. Los humos abandonan el horno por el cuarto barreno hacia el codo y el sistema de extracción.
Sobre este esqueleto se superpone la energía química: quemadores oxi-combustible, inyección de oxígeno y de carbón. En un horno bien operado el aporte químico puede representar entre el 20 % y el 32 % de la energía total del proceso.
Componentes principales
Cada elemento con su función y su punto de atención de mantenimiento.
Plataforma basculante
Inclina el horno para colar hacia la piquera.
Puntos de atención: sensor de ángulo, rockers, cilindro de basculación y seguros mecánicos.
Cuba inferior y piquera EBT
Fondo rígido con bloque de retención de escoria.
La piquera excéntrica opera con compuerta deslizante para lograr chorro corto; el ajuste se realiza con eje excéntrico.
Cuba superior y paneles refrigerados
Coraza alta con paneles acero-cobre.
El diseño unificado de panel reduce inventario y permite cambio rápido; el control de temperatura se hace por circuito individual.
Pórtico y elevación de electrodos
Columnas y mástiles que posicionan los electrodos.
Mástil de caja soldada con cilindro regulador interior y guiado prismático autocentrante con rodillos de ajuste excéntrico.
Brazos conductores de corriente
Brazos de acero recubierto de cobre que conducen la corriente.
Al eliminar los tubos-bus separados se reduce la impedancia, bajan las pérdidas I²R y se logra el menor círculo primitivo posible.
Bóveda y codo de escape
Cierre superior refrigerado con delta refractario central.
La bóveda autoportante con elevación de un solo punto facilita el cambio; el codo se diseña a baja velocidad de gas para reducir desgaste y arrastre de finos.
Sistema de alta corriente
Cables refrigerados, mordazas y anillos de contacto.
El layout coplanar y balanceado busca simetría entre fases; todas las partes portadoras van refrigeradas y los cables son idénticos.
Herramienta multifuncional de pared (RCB)
Integra quemador, inyección de O₂ y de carbón.
Sustituye a las lanzas consumibles de puerta y permite operar a puerta cerrada, con el ahorro energético y la mejora de seguridad que eso implica.
Datos, parámetros y criterios
Sensibilidad energética: materia prima y carga
Coeficientes de física de proceso. El signo indica el efecto sobre el consumo eléctrico específico.
| Variable | Efecto sobre kWh/t | Nota de operación |
|---|---|---|
| Metal caliente (hot metal) | ≈ −50 kWh/t por cada 10 % | Óptimo reportado entre 40 % y 50 % de la carga |
| DRI caliente | ≈ −25 kWh/t por cada +100 °C | Requiere transporte y alimentación calientes |
| DRI frío | +10 kWh/t por cada 10 % | Eleva el amperaje y el consumo de electrodo |
| Arrabio | −11 kWh/t por cada 10 % | Aporta carbono y silicio al balance químico |
| Rendimiento metálico | hasta +100 kWh/t al caer de 95 % a 80 % | La merma se paga dos veces: menos acero y más escoria |
| Densidad de chatarra | +40 kWh/t al bajar de 0.9 a 0.4 t/m³ | Baja densidad obliga a más cestones |
| Humedad de la carga | +6 kWh/t por cada 1 % | Además implica riesgo de seguridad |
| Aditivos (cal / dolomita) | ≈ +16 kWh/t por incremento | Necesarios para la escoria; se optimizan, no se eliminan |
Sensibilidad energética: tiempos, aperturas y energía química
Cada minuto de Power OFF tiene un precio medible en kWh/t.
| Variable | Efecto sobre kWh/t | Nota de operación |
|---|---|---|
| Demora en refinación | +17 kWh/t por cada 10 min | La más costosa de las demoras |
| Demora en fusión | +4 kWh/t por cada 10 min | |
| Demora entre coladas | +5 kWh/t por cada 10 min | |
| Apertura de bóveda | +10 kWh/t por evento | Justifica reducir cestones |
| Puerta abierta durante la colada | +20 kWh/t | La herramienta de pared permite operar a puerta cerrada |
| Hot heel (mínimo 20 %) | −10 kWh/t | Práctica estándar en horno moderno |
| Quemadores oxi-combustible | −5 a −10 kWh/t | Típicamente llevan de ~475 a ~425 kWh/t |
| Inyección de O₂ y postcombustión | −20 a −40 kWh/t | Consumo moderno de 18 a 27 Nm³/t |
| Precalentamiento de chatarra | −70 a −120 kWh/t | Los diseños con shaft bajan de 300 kWh/t |
Sensibilidad energética: eléctricas, arco y refrigeración
Aquí es donde el mantenimiento eléctrico y el de paneles se convierten en kWh/t.
| Variable | Efecto sobre kWh/t | Nota de operación |
|---|---|---|
| Arco largo descubierto | +20 kWh/t por cada 100 V sobre 450 V | Castiga además el refractario |
| Escoria espumante cubriendo el arco | −20 kWh/t | Reduce también la oxidación lateral del electrodo |
| Estabilidad de arco | −15 kWh/t | Depende de la regulación electrónica |
| Temperatura de vaciado | +7 kWh/t por cada 10 °C sobre 1600 °C | Se corrige coordinando con el horno cuchara |
| Paneles refrigerados en condición óptima | +10 kWh/t | Pérdida inevitable del diseño |
| Paneles refrigerados fuera de condición | +50 kWh/t | Cinco veces peor: 40 kWh/t atribuibles a mantenimiento |
Los parámetros eléctricos que definen el punto de operación
El desempeño del arco depende de dos variables acopladas: la tensión de arco y la corriente. Para cada longitud de arco existe una sola tensión posible, y la potencia entregada resulta de la combinación de ambas en las tres fases.
La tensión de arco es proporcional a la distancia entre la punta del electrodo y la carga metálica. El regulador no controla esa distancia de forma directa: controla la corriente. Si un movimiento de la carga acorta el arco, la corriente sube, aumenta la caída de tensión en la reactancia, la tensión de arco baja y el regulador eleva el electrodo hasta recuperar el punto original. Es una lógica de control por corriente, no por posición.
En un horno trifásico la tensión de arco queda determinada por la tensión de alimentación y por el desfase entre tensión y corriente, y ese desfase lo fijan a su vez la corriente y la reactancia del circuito. Es decir: el punto de operación no se elige libremente, lo condiciona la impedancia real de la instalación.
- Resistencia de arco — magnitud proporcional a la longitud del arco e inversamente proporcional al área de sección del electrodo
- Corriente de arco por fase — depende de la tensión del secundario del transformador y de la impedancia total del circuito
- Potencia de entrada al transformador y potencia efectiva en el arco
- Pérdidas de potencia activa en conductores, brazos y mordazas
- Potencia reactiva y potencia aparente del conjunto
- Eficiencia eléctrica: relación entre potencia de arco y potencia activa total
Reactancia real y por qué el factor de potencia calculado no se cumple
El arco no es una carga lineal: la onda de corriente no es sinusoidal. Cada vez que la corriente pasa por cero —120 veces por segundo en un sistema de 60 Hz— el arco se extingue y debe reiniciarse. Ese retardo de reignición genera corrientes armónicas que circulan por el circuito y elevan la reactancia efectiva.
La consecuencia práctica es que la reactancia real del circuito del horno es sensiblemente mayor que la calculada con onda sinusoidal. La relación entre ambas se conoce como factor operativo y es más alta durante la fusión de chatarra que durante el afino con escoria espumosa, y crece con el coseno φ sinusoidal.
El efecto sobre el resultado es grande: la tensión de arco y la potencia activa reales quedan muy por debajo de lo que arrojaría el cálculo sinusoidal. En la práctica, el factor de potencia real difícilmente supera valores del orden de 0.70 al inicio de la fusión, 0.76–0.77 a mitad de fusión y 0.82–0.85 en el afino.
Límite de estabilidad de arco
Existe un umbral por debajo del cual el regulador pierde el control del arco. La condición para que haya estabilidad es que una disminución de corriente produzca un aumento de la tensión de arco. Por encima de cierto coseno φ sinusoidal esa relación se invierte: al bajar la corriente, la tensión de arco deja de crecer, se estanca y después cae con fuerza.
Cuando se intenta operar por debajo de ese límite, el regulador entra en un ciclo de bombeo: eleva el electrodo buscando bajar la corriente, el arco se extingue, ordena bajar, la corriente se dispara, vuelve a elevar. El resultado es una caída violenta de potencia, un aumento del consumo específico y vibración severa de brazos y electrodos que en casos extremos llega a provocar roturas.
El umbral no es el mismo a lo largo de la colada: la etapa más turbulenta de la fusión es la más expuesta, mientras que durante el afino con escoria espumosa el margen de estabilidad es considerablemente mayor. Dónde cae ese umbral en una instalación concreta depende de su impedancia real y solo se determina calculándolo.
Arco largo y arco corto: una distinción que se confunde a menudo
Estabilidad y longitud de arco son propiedades independientes. Un arco puede medir más de un metro y ser perfectamente estable, siempre que tensión, corriente y reactancia sitúen la operación dentro de la zona estable. De hecho, a igual factor de potencia, un arco largo tiende a ser más estable que uno corto, porque las variaciones de longitud provocadas por el movimiento de la carga son proporcionalmente menores.
Tampoco es correcto asociar arco largo con baja corriente. Bajar la corriente alarga el arco solo ligeramente, y si se baja por debajo del límite de estabilidad el efecto se invierte: el arco resulta más corto, no más largo. Es una confusión frecuente y cara, porque quien la comete cree estar abriendo el arco mientras lo está apagando.
Radiación de calor y desgaste de refractario
La erosión del refractario se evalúa mediante un índice de irradiación de calor que combina potencia de arco y tensión de arco, dividido por el cuadrado de la distancia entre el electrodo y la pared. La dependencia cuadrática con la distancia explica por qué un arco largo y descubierto castiga tanto el revestimiento.
Para una misma potencia de arco existen varios puntos de operación posibles, y no son equivalentes: unos favorecen la vida del electrodo y otros la del revestimiento. La elección es un compromiso con consecuencias económicas medibles en ambas direcciones, y depende de la impedancia real del circuito, del diseño del horno y de qué esté limitando a la planta. Es una decisión que se toma con números propios, no con una regla general.
La escoria espumante resuelve buena parte del conflicto: al enterrar el arco mejora la transferencia de energía —del orden de 20 kWh/t— y simultáneamente protege paredes y bóveda. Es el mismo fenómeno leído en dos métricas distintas: kWh/t y desgaste de refractario.
Consumo de electrodos de grafito
El consumo de electrodos tiene dos componentes: el consumo de punta, que guarda relación con el cociente entre corriente y tensión de arco, y el consumo por oxidación lateral, que depende de la superficie expuesta y del cuadrado de la corriente.
De ahí se sigue una advertencia poco intuitiva: reducir corriente no siempre reduce consumo. Cuando la corriente es demasiado baja respecto al diámetro del electrodo, una reducción adicional lo aumenta, y el efecto se agrava por debajo del límite de estabilidad. Es la razón por la que el consumo de electrodo se ataca desde el punto de operación eléctrico y no desde la orden de compra.
Los diámetros habituales en hornos de 50 a 150 t son 500, 550 y 600 mm, con fabricaciones de 700 mm y ocasionalmente 800 mm. El consumo de referencia se sitúa entre 1.0 y 2.0 kg/t, con tendencia a la baja en grados UHP.
- Densidad: entre 1550 y 1750 kg/m³ según proceso de fabricación
- Porosidad: entre 15 % y 25 %
- Resistencia a la compresión: entre 15 y 35 N/mm²
- Resistencia a la flexión: entre 6 y 25 N/mm²
- Conductividad térmica: entre 120 y 300 W/mK a 30 °C, con caída marcada al subir la temperatura
- Resistividad eléctrica: entre 4.5 y 12 µΩ·m
- La resistencia de contacto entre mordaza de cobre y electrodo depende de la presión de apriete y cae de forma significativa al aumentarla
Formación de escoria espumosa
La espumación se produce por la reacción del carbono inyectado con el oxígeno disuelto en el baño y con el FeO de la escoria, generando monóxido de carbono. Las burbujas de CO atraviesan la escoria y la expanden.
Para que la espumación sea efectiva la viscosidad de la escoria debe superar cierto umbral; por debajo de ese valor las burbujas la atraviesan sin expandirla. La química de la escoria —basicidad, contenido de FeO y de MgO— es por tanto una variable de control energético, no solo metalúrgico.
El proceso de afino en el horno comprende desoxidación y desulfuración, más el control de nitrógeno, hidrógeno y oxígeno. La descarburación profunda y la metalurgia de inclusiones corresponden ya al afino secundario.
Qué falla, por qué y qué cuesta
| Problema | Causa habitual | Consecuencia |
|---|---|---|
| Paneles y ductos de refrigeración fuera de condición | Incrustación, obstrucción parcial, fugas y circuitos desbalanceados. | Es la diferencia entre 10 y 50 kWh/t. Unos 40 kWh/t son atribuibles directamente a mantenimiento. |
| Aire falso infiltrado por el cuarto barreno y el ducto | Gap mal ajustado, juntas abiertas, codo o ducto con fugas. | El aire parásito debe calentarse hasta la temperatura de los gases antes de expulsarse. Más fugas obligan a más succión, y más succión es más energía perdida. |
| Operación por debajo del límite de estabilidad de arco | Reducción excesiva de corriente buscando alargar el arco. | Bombeo del regulador, caída violenta de potencia, aumento del consumo específico y vibración de brazos y electrodos. |
| Escoria sin espumar durante el afino | Química de escoria fuera de rango o inyección de carbón deficiente. | Arco descubierto: pérdida de unos 20 kWh/t, mayor oxidación lateral del electrodo y ataque acelerado de paredes y bóveda. |
| Pérdidas en el circuito de alta corriente | Mordazas con presión de apriete insuficiente, contactos degradados, cables desiguales. | Aumenta la resistencia de pérdidas, baja el rendimiento eléctrico y se genera calentamiento localizado. |
| Desgaste asimétrico de refractario | Puntos calientes por arco largo descubierto o distancia electrodo-pared reducida. | Acorta la campaña del revestimiento y obliga a reparaciones en caliente no programadas. |
| Demoras de Power OFF acumuladas | Reparación de piquera, deslizamiento de electrodos, esperas de cestón. | La demora en refinación es la más costosa: unos 17 kWh/t por cada 10 minutos. |
| Sobrecalentamiento del baño en el vaciado | Falta de coordinación con el horno cuchara y la colada continua. | Unos 7 kWh/t por cada 10 °C sobre 1600 °C, más desgaste adicional de refractario de cuchara. |
Cómo participamos
Integramos el suministro, la instalación y la puesta en marcha bajo un único punto de contacto.
Qué suministramos
- Paneles refrigerados de cuba superior y bóveda, y segmentos de coraza
- Brazos conductores de corriente, mordazas y contactos de cobre
- Cables de potencia refrigerados por agua y accesorios de alta corriente
- Componentes de piquera EBT, incluida compuerta deslizante y su accionamiento
- Cestones de carga de chatarra y equipos de manejo de materiales
- Herramientas de inyección de pared, lanzas y toberas de oxígeno
Qué instalamos
- Montaje mecánico y eléctrico de subsistemas dentro de la ventana de paro programado
- Sustitución de paneles, bóveda, codo y tramos de ducto
- Intervención del sistema de alta corriente y del circuito secundario
- Adecuación de plataformas y accesos de mantenimiento
Validación y puesta en operación
- Verificación de condiciones previas y pruebas en frío
- Arranque por etapas y ajuste de parámetros contra especificación
- Validación de desempeño con medición: consumo específico, tap-to-tap y Power OFF
- Entrega documentada y capacitación del personal de planta
Consultas técnicas habituales
¿Qué es un horno de arco eléctrico?
Es un horno de fusión que emplea el calor de un arco eléctrico establecido entre electrodos de grafito y la carga metálica para fundir chatarra, hierro de reducción directa o arrabio y producir acero líquido. Consiste en una cuba basculante con revestimiento refractario en la zona baja y paneles refrigerados por agua en la zona alta.
¿Cómo funciona un horno de arco eléctrico?
Un transformador de horno alimenta tres electrodos de grafito a través de un sistema de alta corriente. Entre la punta de cada electrodo y la carga se establece un arco cuyo plasma supera los 3000 °C. El calor se transfiere por conducción, convección y radiación. Un regulador ajusta la posición de los electrodos para mantener la corriente en el valor consignado, mientras se aporta energía química adicional con quemadores e inyección de oxígeno y carbón.
¿Cuánta energía consume un horno de arco eléctrico?
El mínimo teórico para fundir y llevar el acero a temperatura ronda los 350–400 kWh/t. El consumo eléctrico real típico se sitúa entre 350 y 500 kWh/t, y los mejores desempeños con precalentamiento de chatarra bajan de 300 kWh/t. La eficiencia global del horno se mueve entre el 55 % y el 65 %.
¿Cuáles son los componentes principales de un EAF?
Plataforma basculante, cuba inferior con piquera excéntrica de fondo, cuba superior con paneles refrigerados, pórtico y sistema de elevación de electrodos, brazos conductores de corriente, bóveda con delta refractario y codo de escape, sistema de alta corriente, y las herramientas de energía química instaladas en pared.
¿Qué es el principio de dos zonas?
Es el criterio de diseño del revestimiento: por encima de la línea de escoria, donde domina la radiación del arco, se emplean paneles refrigerados por agua; por debajo, donde hay contacto con baño y escoria, se emplea refractario. La bóveda es refrigerada con un delta refractario central por donde pasan los electrodos.
¿Por qué es importante la escoria espumante?
Porque entierra el arco. Al hacerlo mejora la transferencia de energía al baño en el orden de 20 kWh/t, reduce la oxidación lateral de los electrodos y protege paredes y bóveda de la radiación directa. Es simultáneamente una medida de ahorro energético, de reducción de consumo de electrodos y de extensión de campaña de refractario.
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