Transformadores de horno de arco explicados: cómo especificarlos para cargas de fusión de acero en hornos de arco eléctrico (EAF) y de corriente continua (DC)

Un equipo de ingeniería de una acería en el sudeste asiático nos envió la placa de características de un transformador de horno la primavera pasada: 60 MVA, tensión primaria de 33 kV, tensión secundaria de 650 V, impedancia del 8 % y una tabla de tomas con 23 posiciones. Su pregunta era directa: ¿podríamos fabricar la misma máquina para una segunda acería? Resultó que la placa de características era la página menos útil del paquete. Lo que distingue a un transformador para horno de arco de cualquier producto de un catálogo de distribución no aparece impreso en la placa en absoluto. Es la función que tiene debajo.

El acero se está desplazando hacia la ruta eléctrica, y el ritmo se refleja en las cifras. La publicación de worldsteel World Steel in Figures 2025 sitúa la producción de hornos eléctricos en el 29,1 % del acero crudo mundial en 2024 . Lo que importa a los compradores es la distribución regional: en el Medio Oriente, la ruta eléctrica ya representa 95.4%del acero crudo; Egipto y Arabia Saudita alcanzan el 100 %, y Estados Unidos, el 71,8 %. Cada una de esas toneladas se funde en un transformador de horno eléctrico de arco antes de convertirse en metal. El Página del sector de hierro y acero de la AIE registra el mismo cambio desde el punto de vista energético.

 

¿Por qué un transformador de horno de arco no es un gran transformador de distribución?

Un transformador de distribución está diseñado para soportar carga y sobrevivir a una falla. Un transformador de horno está diseñado para funcionar dentro de una de ellas. El arco es un cortocircuito controlado: se extingue y vuelve a encenderse decenas de veces por ciclo de fusión, la columna de chatarra se derrumba y provoca un cortocircuito entre los electrodos, y la perforación interna extrae una corriente que un transformador de distribución solo vería en condiciones de falla. En una acería, ese evento no es una anomalía: es la condición operativa normal y ocurre miles de veces por campaña.

El perfil térmico también es muy distinto. Un ciclo de fusión dura de 35 a 60 minutos y la potencia oscila entre aproximadamente el 20 % y el 100 % de la toma máxima en cuestión de segundos, por lo que la temperatura del punto caliente del devanado sigue dicha oscilación. La norma IEC 60076-7, guía de carga para transformadores de potencia sumergidos en aceite, trata este régimen como un caso de carga específico, y no como una variación del servicio normal.

Parámetro	Distribución / transformador de potencia estándar	Transformador para horno de arco
Tensión secundaria	Tensión de diseño fija, tomas ±2 × 2,5 %	Ventana amplia, aproximadamente 300–1.100 V en 15–25 posiciones
Corriente secundaria	Normalmente inferior a 3 kA	20–100 kA en la barra colectora
Cortocircuito secundario	Evento de diseño, comprobado una vez	Funcionamiento normal, miles de veces por campaña
Impedancia porcentual	4–6%	6–12 %, establecidos por los límites de corriente de falla y estabilidad del arco
Selector de Taps	Fuera del circuito o un cambiador de tomas bajo servicio (OLTC)	Cambiador de tomas de alto servicio (OLTC), decenas de miles de operaciones
Enfriamiento	ONAN o ONAF	OFAF o OFWF, a menudo con bombas de aceite redundantes

 

 

Los números que realmente determinan la especificación

Cinco valores cumplen la función principal: MVA y tensión primaria, la ventana de tensión secundaria, la corriente secundaria, la impedancia (o la reactancia total del circuito) y el aumento de temperatura junto con su clase de refrigeración.

La tabla de derivaciones proviene del fabricante del horno, no del proveedor del transformador, y codifica la curva de fusión. La inserción en el horno se realiza a baja tensión y alta corriente porque los electrodos están enterrados en chatarra y el arco está efectivamente cortocircuitado. A medida que el arco se estabiliza, el operador sube a un arco más largo y de mayor tensión, con mejor eficiencia térmica. Un escalón de 5 V en una tensión secundaria de 600 V parece insignificante —menos del 1 % de la tensión—, pero representa varios cientos de amperios de corriente secundaria en la barra colectora, y el transformador debe suministrar cada punto de esa curva a la potencia aparente (MVA) especificada.

La impedancia es donde más divergen las cotizaciones. Normalmente, una unidad de horno se especifica entre un 6 % y un 12 %, un valor superior al de un transformador de distribución, porque los fallos secundarios son frecuentes y el devanado es lo primero que debe limitarlos. Sin embargo, la impedancia porcentual solo representa la parte del transformador en el circuito. El diseñador del horno trabaja con la reactancia total del circuito —transformador más barras colectoras, cable flexible, brazo del electrodo y electrodo—, ya que dicha reactancia total determina la estabilidad del arco y el factor de potencia del horno. Si se modifica la longitud de las barras colectoras después de haber pedido el transformador, se modifica también el punto de operación del horno.

 

La capacidad de cortocircuito es el verdadero impulsor del diseño

Estos son los cálculos que determinan cuán robusta debe ser la máquina. Con una impedancia del 8 %, un cortocircuito trifásico en el secundario demanda aproximadamente 12,5 veces la corriente secundaria nominal . En una unidad de 40 kA, eso equivale a 500 kA en la barra colectora. Las fuerzas electromagnéticas varían con el cuadrado de la corriente, por lo que dicho cortocircuito genera fuerzas del orden de 150 veces la carga mecánica nominal al devanado, sus espaciadores y sus conductores de conexión.

Normalmente, un transformador de distribución se somete a una prueba para verificar que resiste una cortocircuito una vez. Un transformador de horno debe resistirlo como parte de su servicio habitual; por tanto, el diseño mecánico se convierte en el aspecto clave del proyecto: presión de sujeción uniforme a lo largo de la pila de devanados, espaciadores pretensados, cobre endurecido por trabajo mecánico, conductores de derivación reforzados y un bastidor del núcleo que no se desplace bajo la fuerza axial provocada por una falla asimétrica. La norma IEC 60076-5 establece el requisito de soporte de cortocircuito, y la norma IEEE C57.12.90 define el procedimiento de ensayo. Cuando un proveedor no puede presentar tanto la base de diseño como el registro de ensayos, el valor de impedancia, por sí solo, revela muy poco acerca de la duración esperada del equipo.

En nuestras propias revisiones de diseño, el documento que desencadena el trabajo de rehacer rara vez es la figura de impedancia. Es el dibujo de la conexión secundaria: 40 kA o más a través de una barra colectora laminada o un cable refrigerado por agua, y el espaciamiento de los soportes decidido en dicho dibujo es lo que mantiene las fuerzas alejadas de los terminales del devanado durante una descarga.

 

Refrigeración y función del cambiador de tomas en una acería

La refrigeración se especifica para la hora más crítica, no para la hora promedio. La refrigeración forzada con aceite y aire (OFAF), con bombas de aceite redundantes e indicadores de caudal de aceite, es una práctica habitual en los transformadores de horno; las potencias mayores pasan a refrigeración forzada con aceite y agua (OFWF). La temperatura del aceite en la parte superior se retrasa respecto al arco varios minutos, razón por la cual las especificaciones de los hornos suelen incluir sondas de fibra óptica para detectar puntos calientes en el devanado.

El cambiador de derivaciones opera en un entorno completamente distinto al de la práctica habitual en el sector eléctrico. Un operario puede mover la derivación de cinco a quince veces durante una sola colada, y una acería que funciona en dos turnos lleva a cabo de ocho a doce coladas diarias: de 10 000 a 30 000 operaciones anuales es algo corriente. Por tanto, las unidades de horno se especifican con interruptores de derivación de alta duración, normalmente del tipo al vacío, y el plan de mantenimiento lo dicta el contador de operaciones, no el calendario. La norma IEC 60214-1 es la que rige la fabricación y ensayo de este equipo.

Los mecanismos de desgaste del cambiador de derivaciones son los mismos que describimos en nuestra guía sobre cambiadores de derivaciones bajo carga (OLTC) y sin carga , con una diferencia clave: en una acería, el «reloj» avanza aproximadamente diez veces más rápido, y un interruptor de derivación que nunca se inspecciona constituye una parada programada cuya fecha está pendiente de fijarse.

 

 

Armónicos, intermitencia y lo que el transformador no puede corregir

El arco es una carga no lineal y continuamente variable. Inyecta armónicos de segundo, tercer, quinto y séptimo órdenes, además de interarmónicos, y modula el voltaje del barramento a frecuencias que el ojo percibe como parpadeo. El diseño del transformador ayuda marginalmente: un devanado en triángulo atrapa los armónicos tripares y el margen de densidad de flujo mantiene las pérdidas y el ruido adicionales bajo control; sin embargo, ninguna especificación de transformador elimina el parpadeo. Esa tarea corresponde a un SVC o un STATCOM instalados en el barramento del horno, y a un estudio de calidad de la energía realizado antes de pedir el transformador, no después de su puesta en servicio.

Los hornos de arco de corriente continua desplazan el problema en lugar de eliminarlo. El arco se alimenta mediante un rectificador de tiristores a través de un transformador Sumergido en Aceite construido como transformador rectificador, por lo que el espectro armónico adopta el patrón característico de 6 pulsos o 12 pulsos, alrededor del cual se diseña el filtro. El transformador se especifica entonces según un espectro definido de corrientes armónicas, y no según un límite de parpadeo.

 

Lo que verificamos antes de que un transformador para horno salga de la fábrica

Ryan Electric fabrica transformadores desde 2007 en una planta de 120 000 m² equipada con más de 180 conjuntos de equipos de producción y prueba, y con 37 patentes; además, desde 2023 somos socio conjunto de Eaton. Las unidades de clase horno están diseñadas transformador Sumergido en Aceite según las especificaciones del cliente (tabla de derivaciones), no según una calificación de catálogo; por eso nuestros ingenieros solicitan el conjunto de documentos del proveedor del horno antes de emitir una cotización.

La secuencia de ensayos se extiende más allá de la lista habitual: medición de la relación de transformación en cada posición de derivación, resistencia de devanado por fase, resistencia de aislamiento e índice de polarización, ensayo de tensión aplicada y tensión inducida, medición de descargas parciales, medición de impedancia por cada derivación (no solo en la derivación nominal) y ensayos del aceite para determinar el voltaje de ruptura, la humedad y los gases disueltos. Cuando la especificación lo exige, se demuestra el aumento de temperatura en la derivación crítica, registrando las temperaturas del núcleo y de los devanados, no solo el aumento de temperatura del aceite superior. Para proyectos destinados a Estados Unidos y Canadá, la certificación UL y CSA se realiza mediante un inspector externo, no mediante nuestro propio departamento de calidad, y los ensayos de laboratorio cuentan con la acreditación CNAS.

El problema más frecuente que observamos en las consultas sobre hornos no es un problema de potencia en absoluto. Se trata de una tabla de derivaciones que no coincide con el sistema de control de electrodos, y permanece invisible hasta la puesta en marcha en caliente —cuando el horno está inactivo y el cronograma ya es muy ajustado.

 

Especificación de un transformador para horno de arco: lista de verificación para la solicitud de cotización (RFQ)

Incluya estos elementos en su consulta y la comparación técnica se volverá equilibrada:

• Tensión primaria, frecuencia del sistema (50 o 60 Hz) y MVA en cada posición de derivación

• Tabla de derivaciones del proveedor del horno: tensión y corriente en cada posición

• Diámetro de los electrodos, rango de tensión de arco y disposición del circuito secundario

• Valor objetivo de impedancia, o bien la reactancia total del circuito a la que aspira el diseñador del horno

• Corriente de cortocircuito máxima previsible en el interruptor del horno

• Temperatura ambiente y altitud en la zona de fusión —entre 45 °C y 50 °C es habitual en la región del Golfo y en algunas zonas del sudeste asiático

• Clase de refrigeración (ONAN, OFAF u OFWF) y si se requieren bombas de aceite redundantes

• Tipo de cambiador de tomas y número esperado de operaciones por año

• Regulación cíclica: corriente eficaz por ciclo térmico y número de ciclos térmicos por día

• Pruebas requeridas: ensayo de calentamiento, descargas parciales, evidencia de cortocircuito, secuencia de operación de los tomas

• Planos de interfaz: aisladores de AT o caja para cables, orientación de la caja de barras de BT, posición de la caja de distribución, dirección de entrada de los cables

• Base de cumplimiento: serie IEC 60076 o IEEE C57, además de cualquier certificación exigida por el mercado de destino

Una nota de adquisición tiene más peso que las demás. Un transformador de horno es una unidad de ingeniería, por lo que forma parte de la ruta crítica junto con la carcasa del horno y el sistema de control de electrodos. Fijar temprano la tabla de tomas no supone ningún costo; en cambio, acelerar un devanado una vez que ya se ha fijado la fecha de puesta en marcha del taller de fusión sí plazos de entrega de los transformadores se convierten en retrasos en la puesta en servicio, y definir el alcance de la protección resulta más económico frente a una especificación de protección que tras la fabricación de la caja de distribución.

Envíenos la tabla de derivaciones del fabricante del horno, el diámetro del electrodo y las condiciones ambientales, y nuestros ingenieros le proporcionarán una transformador para horno de arco recomendación: impedancia, rango de derivaciones, clase de refrigeración y valor de pérdidas en cada extremo del rango, además de las posiciones de derivación en las que se garantizarán el aumento de temperatura y la impedancia. Esa conversación tarda como máximo una semana y resulta considerablemente más económica que dejar un horno inactivo.

Acerca del autor: Este artículo fue redactado por el equipo de ingeniería de Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.), fabricante de transformadores fundado en 2007 y socio conjunto de Eaton desde 2023. Nuestros ingenieros brindan soporte a proyectos conformes con las normas UL, CSA e IEEE en Norteamérica, Asia Sudoriental, Medio Oriente y África, y nuestro laboratorio de ensayos opera bajo acreditación CNAS. Para la selección de transformadores para hornos, la revisión de tablas de derivaciones o una cotización, póngase en contacto con nuestro departamento de ingeniería.