En la fabricación de acero, la etapa de fusión de un horno de arco eléctrico es el período de mayor concentración de energía. Desempeña un papel decisivo en la eficiencia de la fusión, el consumo de energía y el rendimiento general del horno. Las características de la transferencia de calor en esta etapa están estrechamente relacionadas con el estado de la carga, la cobertura del arco y la temperatura del refractario.
1. Etapa inicial: Arco cubierto por chatarra
Al cargar chatarra de acero en el horno, los electrodos generan un arco sobre la carga sólida y cerca del techo del horno, irradiando un calor intenso. Si la chatarra se dispone y distribuye correctamente, los electrodos penetran rápidamente en la carga, cubriendo el arco con ella.
En esta etapa, la carga absorbe directamente la energía radiante del arco, con un intercambio mínimo de calor con el revestimiento del horno. Esto permite que el horno funcione con el máximo voltaje y potencia de arco, mientras que los quemadores auxiliares funcionan a plena capacidad para acelerar el calentamiento y la fusión.
2. Etapas intermedia y final: exposición al arco y afectación del revestimiento
A medida que la chatarra se funde, el arco queda expuesto al baño fundido y el revestimiento del horno comienza a participar en el intercambio de calor. Las zonas de menor temperatura del baño fundido se calientan principalmente por la radiación del revestimiento.
Dado que el ángulo entre la pared del horno y el baño es ligeramente superior a 90°, y el techo del horno es casi paralelo a la superficie del baño, este desempeña un papel fundamental en el calentamiento del baño.
La distribución de potencia del arco se puede expresar como:
P_arco = P_útil + P_pérdida + P_almacenamiento
P_útil – Energía que calienta la escoria y el acero fundido, incluyendo la radiación directa del arco y la radiación reflejada del revestimiento;
P_pérdida – Calor perdido a través del revestimiento y otras vías;
P_almacenamiento – Energía absorbida por el revestimiento, elevando su temperatura.
3. Influencia de los cambios de temperatura en la transferencia de calor
Al comienzo de la etapa de fusión, la gran diferencia de temperatura entre el baño fundido y el revestimiento permite una importante transferencia de calor radiante. Sin embargo, a medida que la temperatura del baño aumenta:
P_útil disminuye;
P_pérdida y P_almacenamiento aumentan;
El consumo de energía aumenta y la temperatura del revestimiento se incrementa.
Cuando la temperatura del revestimiento se acerca al límite refractario, se producen daños, especialmente en el techo del horno.
4. Estrategias de ahorro de energía y protección del revestimiento
Para reducir la pérdida de calor, disminuir el consumo de energía y prolongar la vida útil del revestimiento y el techo del horno, la potencia del arco debe reducirse gradualmente a medida que aumenta la temperatura del baño fundido.
En la fabricación real de acero, los puntos débiles en el revestimiento suelen aparecer cuando se funde aproximadamente el 70 % de la chatarra, lo que genera condiciones de “quemadura” causadas por los factores de transferencia de calor mencionados anteriormente.
