Forno Elétrico Para Aciaria (1)

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METALURGIA DOS METAIS FERROSOS II
Professor Bruno Ferraz de Oliveira, 
Engenheiro metalurgista Dr.
1
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Seções
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Elementos gráficos, tabelas e gráficos
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Rotule todos os gráficos e tabelas.
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CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
HISTÓRIA
Fábricação do aço no Século XX:
1900 Processos Bessemer e Siemens Martin;
Processo Bessemer tem seu apogeu em 1906;
Incapacidade de tratar gusas fosforosos.
Máximo de 10% de Sucata;
1905 - 06: Remscheid, Alemanha e Syracuse, USA: primeiras corridas em Forno Elétrico.
1975: 1x108 t / ano de aço produzidos pelo processo elétrico
Processo Siemens Martin:
1908 ultrapassa a produção do aço Bessemer.
Muito Caro em relação ao demais processos.
1956: Primeira corrida do conversor LD que virá a substituir o processo SM.
Forneça uma breve visão geral da apresentação. Descreva o foco principal da apresentação e por que ela é importante.
Introduza cada um dos principais tópicos.
Para fornecer um roteiro para o público, você pode repita este slide de Visão Geral por toda a apresentação, realçando o tópico específico que você discutirá em seguida.
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Fabricação de aço no Século XXI:
Forno a Arco;
Conversor LD (BOF);
Outros;
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Processo Forno a Arco
Boas perspectivas de crescimento no Brasil devido:
Abundância de Sucata:
Os LD aquecem o mercado de sucata o que beneficia os F.E já que os LD não podem operar com 100% de sucata e nem com sucata de grandes dimensões. 
Abundância “potencial” de energia elétrica de origem hidroelétrica:
 Com um custo de geração mais baixo que qualquer outra fonte de energia;
Alto Controle operacional.
FE são imprescindíveis na fabricação de aços especiais tipo inox e os fortemente ligados. 
Pespectiva:
Se em 2025 o Brasil produzir 78 milhões de toneladas, os FEAs, teriam uma participação de 16% , segundo http://www.abmbrasil.com.br/epss/arquivos/documentos/2011_4_19_11_23_38_65375.pdf
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CAPÍTULO 2. 
Utilização da Potência Elétrica
Esta é outra opção para um slide de Visão Geral usando transições.
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O ARCO ELÉTRICO COMO FONTE DE CALOR
FEA: Concentração de potência 30 a 50 kw.cm-3;
Arco: 
Coluna de potência radiante;
Flexibilidade Física;
Diâmetro e comprimentos de arco são funções fixadas pelos parâmetros elétricos da alimentação (V e I) por sua vez ditados pelo mecanismo regulador dos eletrodos e pela natureza dos materiais envolvidos.
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Comparação com outros fornos:
REGULAGEM DO ARCO ELÉTRICO
P = V.I;
A tensão no arco determina seu comprimento; Comprimento do Arco é diferente de distância anodo / carga.
A corrente determina sua seção;
3 tipos de Arco:
Arco baixo:
R baixa, I alta, V baixa. Reostato na posição máxima. Alto desvio. Distribuição mais vertical, concentrada do calor.
Arco Médio
Arco Alto:
R alta, I baixa, V alta. Baixo desvio; Distribuição mais horizontal do calor.
Desde que P do arco = V.I é possível controlar e dirigir a potência de um arco através destes dois parâmetros. O arc exige um elemento estabilizador no circuito elétrico: Resistência e Reatância do Sistema Elétrico: Condutores, transformadores, rEatores, linha de alta tensão entre outros; A função do lastro é limitar a corrente do arco, fixando suas dimensões geométricas. Se este lastro fosse removido I atingiria valores inadimissíveis para qualquer sistema elétrico na prática; A potência do arco é controlada pelo controle da tensão fornecida pelos transformadores (tap) e pelo posicionamento dos eletrodos a alturas varíaveis entre a ponta e o banho ou sucata;
De forma que para cada tap, a corrente e a tensão dependem do da distância do eletrodo da superfície. 
Em outras Palavras, uma posi~]ao baixa do eletrodo próxima da superfície do banho resulta em uma corrente elevado do arco, com tensão relativamente baixa. Levantando0se legieramente o eletrodo na mesma tensão do tap reduzir-se a a corrente do arco e aumentar-se á a tensão 
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Oscilogramas de tensão e corrente Típicos do Arco
Arco alto: 
Distorção alta;
Arco Baixo:
Distorção baixa;
Atraso de ignição:
Atraso na ignição é o tempo entre o Início do pOtencial disponIvel na ponta do eletrodo e o momento em que a corrente comeÇA a circular. Durante este intervalo nenhum calor é gerado. É importante minimizar o atraso de ignição de forma a maximizar o potencial elétrico. 
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MECANISMOS DE DESGASTE DOS ELETRODOS
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Forças de Desvio do Arco
O desvio do arco é dirigido na direção da parede lateral do forno.
Uma condição turbulenta é criada em torno do arco devido a estas forças magnéticas que tendem a agitar o banho;
A agitação tende a causar variações na distância entre o arco e o banho, no comprimento do arco, afetando sua potência. 
Resumindo, na fase de fusão ocorrem flutuações na potência do arco à medida que ondas de metal-escória passam sob os eletrodos.
Ajustes na posição dos eletrodos podem controlar parcialmente este efeito.
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Perfis Típicos de Desgastes 
Esquerda: Diâmetro inicial de 20” decresce para 14”. 
Oxidação + Interação Química c/ Atmosfera do forno 
Chanfro é causado pelo desvio do arco
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Causas de Desgaste
L =Desgaste longitudinal na ponta consistindo de vaporização pelo arco, oxidação e erosão mecânica entre banho e eletrodo;
S = Oxidação lateral: Composição, temperatura e velocidade dos gases que se deslocam ao longo da superfície do eletrodo.
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Avaliação (2pt)
Quais seriam as grandes vantagens que o processo da produção de aço em fornos elétricos apresenta em relação ao processo a oxigênio?
Elabore uma tese explicando o seguinte fato: “A substituição de fornos Siemens Martin por conversores a oxigênio favoreceu o desenvolvimento da produção de aço pelo processo elétrico”.
No caso brasileiro, como você avalia o potencial desenvolvimento da produção de aço no que se refere à evolução por cada processo.
A OPERAÇÃO DO FORNO ELÉTRICO A ARCO PARA ACIARIA
Esta é outra opção para um slide de Visão Geral usando transições.
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Circuito Elétrico Do Forno Elétrico
Calor útil. Esta resistência (Ru ) se compõe da resistência do arco ou do arco e carga no forno.
Resistência Equivalente do Forno:
	Re = Ra + Rb + Rc + Rf + Ru ;
Resistências Passivas do Forno Rp = Ra + Rb + Rc + Rf;
Logo a Resistência Equivalente Re = Rp + Ru ;
Reatância Equivalente Xe = Xa + Xb + Xc + Xf ;
 
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CIRCUITO SIMPLIFICADO
Xe e Rp, nos fornos modernos são os menores possíveis e são determinados pela sua construção.
Ru é uma variável que depende da operação;
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DIAGRAMA DE RESISTÊNCIAS, IMPEDÂNCIA, CORRENTE E CORRENTE DE CURTO CIRCUITO
20
21
Exemplo:
Um forno elétrico apresenta os seguintes parâmetros construtivos: Xe = 3 mΩ, Rp = 0,4mΩ. Calcular a impedância e a corrente de curto circuito para cada um dos taps do transformador, conforme tabela de tensões secundárias abaixo abaixo:
Tap
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Tensão (V)
80
120
160
200
240
280
320
360
400
440
Z (mΩ)
Icc(A)
Fator de Potência e Resistências
O DIAGRAMA DE TENSÕES E FATOR DE POTÊNCIA.
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O DIAGRAMA
DE TENSÕES E FATOR DE POTÊNCIA.
Conclusão da conclusão o negócio é trabalhar com baixa carga e alto tensão. 
25
Conclusão: Para uma dada tensão (TAP) se I aumenta, o fator de potência diminui;
Para uma dada corrente, se V aumenta, (comprimento do arco aumenta), o fator de potência aumenta. 
O DIAGRAMA DE TENSÕES E FATOR DE POTÊNCIA.
26
DIAGRAMA DE POTÊNCIAS E POTÊNCIAS OPERACIONAIS. 
27
SIGNIFICADO DE CADA POTÊNCIA. 
28
Potência ativa ou útil?
Ambas ocorrem dentro do equipamento.
Qual deveria ser objetivo da operação?
Potência Ativa Máxima ( Pw, max):
Conclusão: 
1. Construtivamente, só se obtém a Pw, max quando Xe = Re. 
2. O fator de Potência máximo recomendado é 0,71
Potência Útil (Pu)
Se
 Xe = Re e 
Re = Ru + Rp, 
Então Ru = Xe – Rp. 
Pu = Ru.I2 = (Xe – Rp ).I2 =
Pw – Pp ;
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Obtendo a Potência útil maxima
POTÊNCIA DE PERDAS, REATIVA e RENDIMENTO ELÉTRICO ( η )
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EROSÃO DOS REFRATÁRIOS
34
0BSERVAÇÕES IMPORTANTES
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Exemplo	
Um forno elétrico tem as seguintes características:
	U= 346,4V;
	Xop= 4,0mΩ;
	Rp = 0,7 mΩ;
	a = 120 cm. 
Para o ponto de máxima Pu calcular:
Cosφ;
I;
Pw;
Pu ;
Pp;
η; 
RF;
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Ex. 2
Para um forno elétrico trifásico com Corrente no primário é 355,5 A. A Voltagem no Primário é 21 KV; A Potência ativa é 9,73Mw; A Potência Reativa = 8,53 Mwr. Neste Tap, a voltagem secundária é 270 V para 20kv no primário. Calcular:
Xe = 
Re =
Pa = 
Cos φ =
Exercícios Propostos 
Qual a relação existente entre potência aparente e potência ativa?
Qual a relação ente potência ativa e potência útil em termos das resistências de perdas e Resistência útil?
Deduza uma expressão para que eu possa trabalhar com a potência ativa máxima.
Diagrama de Círculos
 
39
Diagrama de Círculos
P = I.V Logo podemos montar um diagrama de Potências em função V2 / Xe, Potência Reativa ou 3 x V2 / Xe no circuito trifásico. 
Tudo que se precisa é, para uma determinado Tap baixo, determinar-se Icc, Pp, e Pw. 
Traçando uma reta R2 // R1, tangenciando o círculo no Ponto “M”, Obtêm se a Pumax neste Tap. Basta medir a distância que vai de R1 a R2;
Uma reta que liga a origem a M, o ângulo entre esta reta e eixo das ordenadas mostra o cos Φ, fator de potência, para Pumax; 
Traçando um círculo com centro na origem e raio em M a Potência ativa necessária para obter a esta Pumax ;
40
41
Prática 
Construir um diagrama de círculos para um forno elétrico a arco trifásico cujas tensões Fase - Fase secundárias estão na tabela abaixo. Assinalar sobre este diagrama a trajetória a ser descrita pelas potências ativa – reativa, durante a elaboração de uma corrida compreendendo fusão –refino de tal forma a se operar sempre no máximo valor de Pu. São admitidos como constantes, Xe = 3,0 mΩ , Rp = 0,4 mΩ.
Tap
Tensão U (V)
Tap
Tensão U (V)
1
80
6
280
2
120
7
320
3
160
8
360
4
200
9
400
5
240
10
440
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Solução
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Verificação de Aprendizagem.
Usando régua, compasso e o diagrama do slide anterior, para o ponto 10, no tap 10, 254V, determine:
Potência aparente, Pa (No caso, Pa de P u,max );
Potência Ativa, Pw;
Potência ùtil, Pu (No caso, P u, max);
Potência de Perdas, Pp;
Potência Reativa, Pr;
O fator de potência para o P u, max;
Problema inverso: O medidor de potência aparente indica 24Mw. Determine:
Potência Ativa, Pw;
Potência útil, Pu; 
Potência de Perdas, Pp;
Potência Reativa, Pr;
O fator de potência de operação;
Diagrama de círculos
CURVAS CARACTERÍSTICAS DOS FORNOS ELÉTRICOS
Partindo das expressões (11), (12), (13), (22), e (24) estabelece-se para um dado forno, suas curvas características para diferentes tensões ou Tap do transformador.
Por exemplo, para um forno com as seguintes características operacionais. 
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CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UM DADO FORNO A UMA DADA TENSÃO NO SECUNDÁRIO
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PRÁTICA
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Problema 1
Em um forno elétrico a arco trifásico foram feitas as seguintes medições, estando o banho calmo:
Ip = 355,5 A;
Up= 21 KV;
Pw = 9,73 MW;
Pr = 8,53 MWr;
A tensão secundária nominal do tap em conexão é de 270V para uma tensão primária de 20 KV.
Calcular os valores:
Xop = reatância de operação ( Valor da reatância obtido com o banho calmo, sem curto – circuito);
Re = Resistência equivalente ou resistência total;
Cos φ = Fator de Potência;
Potência aparente. 
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Problema 2
O teste de curto-circuito realizado em um forno elétrico a arco trifásico para uma tensão nominal secundária de 117V e primária e 20 KV indicou: 
Ip = 143A, Up = 21,34 KV, Pw =1,32 MW, Pr=5,05 MWr; 
Calcule os seguintes parâmetros:
Xsen = reatância senoidal ( valor da reatância obtido com banho plano, com curto-circuito); Comparar com o resultado do problema 1;
Re = resistência equivalente;
Cos φ = Fator de potência;
Pa = Potência aparente;
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Exercício 3
Construir as curvas de variação dos valores de Pa, Pw, Pu, Pp, η, cosφ e RF como uma função da intensidade de corrente, para um forno elétrico a arco trifásico com as seguintes características admitidas como constantes:
Xe = 4,0mΩ; Rp = 0,6mΩ; V = 440V; a=2,2m;
53
Exercício 4
De acordo com diagrama de círculos abaixo, determine, para o ponto 5 (cinco), relativo à máxima Potência útil no Tap 5:
A potência reativa; Pr; 		=
A Potência útil Máxima, P u, max. 	= 
A Potência Passiva, Pp 		=
A Potência Ativa, Pw; 		=
A Potência Ativa para se obter a Máxima Potência útil. R: 
O fator de Potência Médio Para Pu, max no Tap 9: R: 
Se meu Medidor de Potência Aparente registra 10 MVA no momento em que estou no Tap seis. 
Qual o Fator de Potência neste instante?
R:
Qual o Valor da Potência Útil?
R: =
Qual o Valor da Potência Reativa?
R:. =
Qual o Valor da Potência Passiva?
R: =			Mw 
=
Resumo
56
Verificação de aprendizagem
Faça o manual de operação do forno do exercício 3:
Xe = 3,0mΩ; Rp = 0,4mΩ; V = 440V; a=1,2m;
 que apresenta a seguinte relação de Tap. (V)
1		110	6	180
2		120	7	220
3		140	8	240
4		150	9	254
5		160	10	310
Considere do Tap 10 ao 3 como constantes os valores de X e R equivalentes.
Tap2, Reatância operacional.
Tap 1, Reatância senoidal. 
Objetivo é máxima produção.
Microsoft Excelência em Engenharia
Confidencial da Microsoft
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Desbalanceamento da Corrente
As distâncias que a corrente deve percorrer até chegar aos eletrodos são diferentes.
3 Resistências, 3 Reatâncias e 3 potências ativas, Pw max = V2/2Xe; 
Fase Forte.
Fase Selvagem.
Fase Fria.
Efeitos:
Pontos quentes;
Desgaste irregular dos eletrodos e refratários. 
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Efeito do Desbalanceamento
Soluções para o desbalanceamento
Importantes só acima de 20MVA.
03 transformadores monofásicos.
Engrossar os condutores mais compridos. 
Variar o diâmetro dos eletrodos.
Colocar o transformador em cima do forno.
Substituir condutores resfriados a ar por condutores resfriados a água. 
Elevar o tubo condutor da fase quente para se aproximar de um espaçamento equilateral.
Adicionar núcleos magnéticos às fases sobrecarregadas e a fim de corrigir a reatância e mudar a ordem de fase no transformador;
Mudança de ordem nas fases
Erosão dos refratários
2.7 Índice de desgaste dos refratários
No final da fusão ainda se precisa de Potências elevadas para terminar o processo. 
Tensão elevada e corrente reduzida, dá origem um arco longo.
Quando o eletrodo não está cercado pela sucata o revestimento recebe toda esta energia. 
A mesma quantidade de potência pode e deve ser obtida usando-se intensidade de corrente elevada e tensões menores, levando a um arco mais curto e maior preservação dos refratários;
Ilustração Quantitativa.
Comprimento do arco em função da tensão e corrente no arco. 
Índice de Erosão dos Refratários RF.
Interpretação de RF:
Plota-se o RF(%) que é RF(I)/RF máximo e observa-se que trabalhar com altos fatores de potência maximizam o índice de erosão. 
A Figura 2.16 mostra que uma durabilidade mais elevada será obtida trabalhando com uma intensidade de corrente mais elevada, um pouco
superior à máxima potência do arco. 
O domínio de trabalho recomendado está à direita do domínio normal. 
Fig. 2.16 TFAL, pg. 49.
Velocidade de Desgaste de Refratários
5. DIMENSIONAMENTO DE FORNOS ELÉTRICOS
Introdução
Um forno trabalha por volta de 320 – 330 dias / ano. 
Determinar:
Quantidade de aço a ser produzida:
Laminado e acabado.
Considere as perdas:
Oxidação (≈7,5%);
Lingotamento:
Convencional ≈ 12%; (Vazios, Cortes, Perdas nos canais)
Contínuo ≈ 3% ou 4%;
O tipo de aço:
Aço efervescente não desoxida. Logo a produção tende a ser um pouco maior.
Exemplo Prático
Dimensione um forno para produzir 290.000 t/ano, com os seguintes tempos por corrida:
Carregamento = 6’;
Retirada de escória = 3’;
Amostra e análise = 6’;
Vazamento = 3’;
Reparos na bica = 3’;
Ajuste de Eletrodos = 6’;
Fusão = 1h;
Oxidação 30’; 
Refino: 0 (Refino na Panela; Aço carbono comum com menos de 2% de adição);
Tempo de corrida = 117 min. ≈ 120’ = 2h; => 12 corridas / dia;
320 dias x 12 corridas/dia = 3840 corridas / ano;
1. Dimensionando a Produção/corrida:
2. Dimensionando o Diâmetro do Cadinho:
3. Dimensionando o Transformador
Verificação 
2.8 - previsão do consumo de energia para uma fase determinada do processo
TEMPO DE CORRIDA tc:
 tc = tp + tf + to + tr + tv;
Tp = tempo de preparação:
Observação, reparação da linha de escória, da bica, alongamento de eletrodos;
 carregamento: Levar cesto, abrir abóboda, descarregar cesto, fechar abóboda. 
Na SAMAG este tempo era 10’;
Este tempo só depende da organização da empresa. 
Densidade da Carga
A densidade ótima é obtida pela correlação estatística entre Produção x Densidade. 
A sucata deve ser arranjada da seguinte forma:
Sucata leve no fundo.
Sucata leve nas laterais. 
Sucata pesada em cima. 
Tempo de Fusão t f , Oxidação to
Deve-se utilizar o máximo tap evitando-se a instabilidade do arco.
Tempo de Oxidação:
Injeção de O2;
A sucata já esta fundida. O calor deve ser mantido para suprir perdas térmicas e promoção das reações endotérmicas;
Queda do rendimento térmico: 
Quando se passa do tempo de fusão para o tempo de refino e/ou oxidação há uma queda no rendimento térmico do forno, conforme se observa pelos estudos de correlação entre Pw e Pu. 
Por isto estas etapas devem ser feitas fora do forno ou reduzidas ao mínimo. 
Oxidação com O2 x Fe2O3;
São opções para se oxidar um banho de aço.
O tempo de oxidação com sopro de O2 é pelo menos 10x menor que com Fe2O3. 
O rendimento elétrico cai nas fases de oxidação dai a importância de se conduzi-la no mínimo tempo. 
Conclui-se que é desperdício proceder a um refino e fusão prolongados dentro do forno. 
Tempo de Refino Tre :
Retirada do P, O2, H2, etc..
A desoxidação é feita com FeMn, Al, FeSi, etc.
Grande parte do P já foi removida na fase de oxidação através da adição de cal. 
Nesta fase há o perigo do retorno deste P.
Logo deve-se remover a escória ou jogar FeSi, Al, pó de carvão na escória para que o P2O5 não volte ao banho onde seria reduzido pelo Fe (l). 
Uma operação desta fase é o ajuste de temperatura.
Trabalhar com arco curto. 
Perda Térmica Total nos Fornos a Arco.
Fator αlpha (α)
Perda Total = PT.
Pw – P’u = PT , Onde P’u é a potência útil empregada na fusão da sucata. 
PT:
P1 = Perdas que independem da potência;
P2 = 3RpI2 ;
Perdas Elétricas que dependem da regulagem elétrica e portanto da potência ativa aplicada e do rendimento elétrico η. 
 P2 = Pw(1 - η);
P3 = Perdas devido a irradiação. Dependem da regulagem elétrica, estando relacionadas com Cos Φ, RF e da fração de energia efetivamente usada para fundir a sucata, “α”: 
P3 = η Pw (1- α).
Logo P’u = α η Pw - P1 ; 
Graficamente, Pu X Pw -> Pu’ = ax –b;
Exemplo:
Um forno tem as seguintes características:
 (tensão Fase-Fase ) U=346,4 V; X op = 4,0 x 10-3Ω; Rp= 0,7x10-3 Ω; 
Taxa de produção = 10 t/h;
Perdas térmicas independentes da potência = 240 kcal/t;
Necessidades térmicas teóricas para produzir 1 t de aço = 400 kWh/t;
Calcular o rendimento térmico da potência no ponto de máximo valor da Pu,max.
Obs.: 1kWh = 860 kcal;
85
SOLUÇÃO
Passo 2: Cálculo de P w no Ponto de Máxima P u :
Determinação de Re
88
Determinação da Impedância “Z”:
DETERMINAÇÃO DA CORRENTE “I”
DETERMINAÇÃO DE Pw no Pu, max:
Determinção de Pu, max
Determinação de η e α
93
Definição de α
Conclusão
O índice de erosão dos refratários RF é inversamente proporcional ao quadrado do rendimento térmico da potência útil “α”.
Logo durante a fusão, quando os valores de α são relativamente altos , a erosão dos refratários é minimizada. 
Porém, durante a oxidação e refino, α cresce acarretando erosão dos refratários, principalmente em altos fatores de potência. 
Influência do Fator de Potência
Cosφ = 0,85:
RF elevado;
Pu inferior ao seu ponto de máximo;
Arco Longo;
Menor estabilidade do arco;
Cosφ = 0,707
Tensão no arco menor;
 η menor;
 α maior;
RF menor;
Receita para obter máximo α
Cálculo da potência útil teórica P’u;
Levantamento dos gráficos P’u x I e RF x I para diversos taps. 
Procure trabalhar então em taps que nos forneçam a P’u necessária com intensidades de corrente que nos garantam o mais baixo RF ;
Trajetória Elétrica de Uma Corrida de Aço
Tap baixo para furar a sucata sem danificar a abóboda;
Tap para fusão e Pu máximo;
 4, 5 6 término de fusão diminuição sucessiva da potência até finalmente manter o suficiente para suprir as perdas térmicas. 
3 Utilização do tempo
Capítulo 3 Utilização do Tempo
Para se obter taxas elevadas de produção a potência do forno deve ser aplicada ao maior tempo possível durante a operação. 
tu = Fração do Tempo Sob Potência
tu = tempo sob potência/ Tempo Total;
Tempo total é o tempo entre dois vazamentos.
Para aumentar o tu:
DISCIPLINA;
PRÉ AQUECIMENTO DA CARGA;
REFINO NA CAÇAMBA.
Influência da Potência e da Taxa de Utilização sobre a produtividade 
101
TEMPO MÍNIMO TOTAL DE CORRIDA
Exemplo
Um forno opera com as seguintes características: 
Produção horária 7 t/h;
Rendimento elétrico, η =0,836;
Potência ativa média Pw = 4,9MW;
Taxa de utilização do tempo tu = 0,857;
Sabendo-se que o consumo específico teórico de energia para produzir uma tonelada de aço é 390 kWh, calcule as perdas térmicas do forno em kcal/h. 
103
Exercícios de avaliação 
3.1
Calcular as perdas térmicas de um forno elétrico a arco sabendo-se que uma produção de 43 t/h foi alcançada com uma potência ativa média de 29,3MW, a uma taxa de utilização de 79,5% e com um rendimento elétrico de 85%. Admite-se que sejam necessários, teoricamente, 0,378 MWh para colocar 1t de aço à temperatura de corrida. 
106
3.2 
Calcular a potência útil de um forno elétrico a arco sabendo-se que uma variação de 10% no valor da taxa de utilização do tempo (tu) provocou uma variação de 10 t/h em sua produção. O consumo de energia calculada foi de 390 kWh /t .
107
3.3 
Um forno elétrico a arco opera com potência ativa média de 40 MW e rendimento elétrico de 85%. Admitindo-se consumir, teoricamente, 400 kWh por tonelada de aço, qual seria o aumento de produção alcançado, para cada 1% de melhoria na taxa de utilização do tempo?
108
3.4
Foi pedido a um estagiário que determinasse uma expressão que fizessem todos verem as consequências de uma parada do forno, determinando o rendimento elétrico η, o valor das perdas térmicas e o efeito do tempo de utilização num forno que operou ao longo de 170 corridas com potencia ativa média de 30 MW e consumo teórico de 400 kwh/t aço. Foi lhe passado o seguinte levantamento:
Qual foi o rendimento elétrico médio e as perdas elétricas médias ao longo desta campanha?
Qual a expressão que correlaciona Produção horária, perdas térmicas e rendimento elétrico.
Que defeitos você vê na expressão que você obteve?
corrida
1
10
120
130
140
150
160
170
Ph(t/h)
31,8
35,7
34,4
30,5
29,8
38,3
33,8
35,7
Tu
0,8
0,86
0,84
0,78
0,77
0,9
0,83
0,86
109
3.5 
Um forno elétrico
a arco possuindo as seguintes características supostas constantes: Xe = 3,6 mΩ e Rp = 0,6 mΩ, operando com fator de potência 0,707; Potência ativa média de 8MW e uma taxa de utilização de tempo média de 0,9 produz 14 t/h de aço. Pede-se determinar o valor das perdas totais Pt sabendo-se que a demanda específica é 390 kwh/t aço. 
Produção de aço inoxidável
Equilíbrio Cr x C
Descarburação em aços inoxidáveis.
C + ½ O2 -> CO(g);
2Cr + 3CO(g) -> Cr2O3 + 2C
Quando o conteúdo de carbono do banho decresce, a quantidade de cromo que pode ficar retida no banho também decresce;
Esta relação determina então em qual extensão poderia o banho ser descarburizado sem oxidar o cromo;
Opções
Aumentar a temperatura;
 Caro e prejudicial ao revestimento. 
Injeção de gás Argônio com o oxigênio p/ diluir o CO reduzindo sua pressão parcial; favorecendo as reações carbono-oxigênio e aumentando a quantidade de cromo retida no banho para uma dada temperatura;
Vácuo; 
Equilíbrio Cr X C
Fabricação de Aço Inox no FEA
Funde-se no forno elétrico uma carga inicial com 4% de cromo máximo.
Oxida-se o banho através da insuflação de oxigênio puro até atingir 1800°C e aproximadamente 0,02%C.. Com 0,02% de C a quantidade de Cr retida é de 2% determi­nada pela figura 6.11. Então a perda de Cr para a escoria =2%.
Parte do cromo oxidado pode ser recuperado da escoria pelo uso de ligas redutoras ou desoxidantes, como por exemplo FeCrSi. Metade deste Cr (1%) será recuperado. 
Adicionar 15 a 17% de Cr sob a forma de FeCr BC para atingir a especificação final de 18 -20% de Cr e 0,02% de C. 
Fabricação A.I no FEA - AOD
FEA, fundir banho com 18% Cr. 
Remover a escória e -> AOD. 
Injetar Ar+O2 até 1700oC; 0,03%C; 0,1 atm. de CO  16,5% Cr;
Adicionar FeCrSi recuperar metade (0,75%) do Cr na escória.
Adicionar FeCr + Argônio até 18,5% Cr e C=0,01%; A diminuição de %C é feita com O residual.
A.I em FEA + VOR
FEA, fundir banho com 18% Cr até 1800oC. 
Oxidar com O2 puro até 0,10 – 0,25% C. 
Reduzir escória com FeSi ou FeCrSi para recuperar Cr. 
Vazar em panela de vácuo com insuflação de O2 até C=0,02%.
Corrigir com FeCr BC. 
Comparação AOD / VOR
Técnica UHP: Ultra High Power. 
Uso de arcos curtos com intensidade e potência elevada no final da fusão quando as paredes já estão expostas = Ultra High Productivity.
3 tipos de operação: UHP, HP, RP;
Critérios para classificação da operação 
Critério do nível específico de potência.
Saliente que não existem limites precisos e que não há um limite superior para UHP
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É uma relação entre a potência média aplicada e a potência máxima disponível. 
Critério da Utilização do Tempo Tu:
Tempo total sob tensão / tempo decorrido entre o início de uma corrida e o início da próxima “tap to tap”;
Critério do Fator de Carga do Forno “F1”:
Exemplo
Os níveis de potência e os tempos relativos a cada etapa de uma corrida em um forno elétrico foram:
F1 = 6MW 	t1 = 60 min;
F2 = 8MW 	t2 = 40 min;
F3 = 1 MW	t3 = 10 min;
Sabendo-se que o nível máximo de potência durante o período de fusão é de 8MW, calcular a relação entre a potência média e a potência máxima de fusão, C2.
Sabendo-se que o tempo tap to tap foi de 130 min, calcular a taxa de utilização do tempo TU.
Calcular o Fator de Carga, F1 e informar se este forno se enquadra na técnica UHP. 
UHP Conclusão
A UHP requer a utilização de um arco de um comprimento médio durante o tempo de descida dos eletrodos e uma diminuição progressiva de seu comprimento quando a operação de fusão aproxima-se do ponto em que o banho esta plano.
O fator de potência seria um indicador do comprimento do arco, porém, em razão da condição de ligação do circuito do forno à rede ser uma variável, torna-se difícil indicar para ele números exatamente validos para limites UHP.
Pespectivas e Evolução do FEA
Melhorias tecnológicas
FEA com eletrodos inclinados
Inclinação de 8%;
Permite variar a distância arco parede.
Diminui da reatância no início de fusão;
Melhorias no circuito com a inserção de capacitores para regular tensão, impedir ressonância = thyristors. 
Proteção magnética das paredes por sucata.
Paineis de refrigeração nas paredes do forno.
6.3 - Elaboração do aço no forno elétrico a arco com a utilização de ferro-esponja
Características do FeE.
O ferro-esponja mantém a forma original e a ganga do minério;
Porosidade: baixa condutividade térmica;
O forno elétrico a arco, sendo um aparelho que permite obter-se altas concentrações de energia-> Equipamento ideal para fusão e elaboração do ferro-esponja, contrabalanceando a sua baixa condutividade térmica.
Inconveniências
Nos processos de redução direta que utilizam redutores gaso­sos, existe uma deposição de carbono nos poros do ferro-esponja, devido a reação:
2CO(g) ---> C(s) + C02(g);
Existe também uma certa quantidade de óxidos de ferro não totalmente reduzidos;
Durante a fu­são o carbono depositado reage com este oxigênio provocando um borbulhamentos do banho, devido ao desprendimento de bolhas de monóxidos de carbono.
Baixa densidade-> Flutuação sobre a escórias. 
Possibilidade de se reoxidar no interior do forno, liberando calor, fundindo os óxidos provocando aglomeração de partículas dentro do forno. 
Melhorias
A melhor maneira de se compensar a baixa condutividade térmica é o carregamen­to contínuo do ferro-esponja sobre o metal líquido;
 Carregamento contínuo: Aumento de produtividade devido às reduções do tempo de carregamento através de cestas.
Briquetagem de FeE, aumentando a densidade, diminui o problema de flutuação sobre escória.
Comparação entre os tempos de corrida.
Qualidade do FeE
Grau de metalização >=90% mas não 100% para não se perder o efeito de borbulhamento que auxilia na remoção de H e N do banho. 
Teor de SiO2 mínimo possível. 
Conclusão
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Recursos
<Texto de material para leitura adicional >
<http://www.ebah.com.br/content/ABAAABZ-8AF/tipos-aco>
Este conjunto de slides e recursos relacionados:
http://www.abmbrasil.com.br/epss/arquivos/documentos/2011_4_19_11_23_38_65375.pdf
Microsoft Excelência em Engenharia
Confidencial da Microsoft
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