Trasformatori per forni ad arco spiegati: come specificarli per carichi di fusione dell'acciaio con forno elettrico ad arco (EAF) e forno ad arco a corrente continua (DC Arc)

Nella primavera scorsa, un team di ingegneria per un impianto fusorio del Sud-Est asiatico ci ha inviato la targhetta identificativa di un trasformatore per forno: 60 MVA, tensione primaria 33 kV, tensione secondaria 650 V, impedenza 8% e una tabella dei prelievi con 23 posizioni. La domanda era semplice: potevamo costruire la stessa macchina per un secondo impianto fusorio. La targhetta si è rivelata la pagina meno utile del pacchetto. Ciò che distingue un trasformatore per forno ad arco da qualsiasi prodotto presente in un catalogo di distribuzione non è affatto riportato sulla targhetta. È invece il regime di funzionamento sottostante.

L’industria siderurgica sta spostandosi verso la via elettrica, e il ritmo di questo cambiamento emerge chiaramente dai dati numerici. La pubblicazione di worldsteel World Steel in Figures 2025 indica che la produzione globale di acciaio greggio ottenuta mediante forni elettrici ha raggiunto il 29,1% nel 2024 . La ripartizione regionale è ciò che interessa maggiormente gli acquirenti: nel Medio Oriente la via elettrica rappresenta già 95.4%dell’acciaio greggio, Egitto e Arabia Saudita raggiungono il 100%, mentre gli Stati Uniti si attestano al 71,8%. Ognuna di queste tonnellate viene fusa da un trasformatore per forno ad arco elettrico prima che diventi metallo. Il Sito web del settore siderurgico dell'IEA monitora lo stesso passaggio dal punto di vista energetico.

 

Perché un trasformatore per forno ad arco non è un grande trasformatore di distribuzione

Un trasformatore di distribuzione è progettato per gestire carichi e resistere a guasti. Un trasformatore per forno è progettato per operare all’interno di un guasto. L’arco è un cortocircuito controllato: si spegne e si riforma decine di volte per ogni ciclo di fusione, la colonna di rottame crolla e cortocircuita gli elettrodi, e l’affondamento degli elettrodi assorbe una corrente che un trasformatore di distribuzione incontrerebbe soltanto in condizioni di guasto. In un impianto di fusione tale evento non è un’anomalia: è la condizione operativa normale e si verifica migliaia di volte per ogni campagna.

Anche il profilo termico è altrettanto diverso. Un ciclo di riscaldamento dura da 35 a 60 minuti e la potenza oscilla tra circa il 20% e la massima erogazione in pochi secondi l’uno dall’altro, quindi la temperatura del punto caldo sul avvolgimento segue tale oscillazione. La norma IEC 60076-7, guida al carico per trasformatori di potenza immersi nell’olio, tratta questo tipo di servizio come un caso di carico autonomo, anziché come una variante del servizio normale.

Parametro	Trasformatore di distribuzione / standard	Trasformatore per forno ad arco
Tensione secondaria	Tensione di progetto fissa, prese ±2 × 2,5%	Finestra ampia, circa 300–1.100 V su 15–25 posizioni
Corrente secondaria	Generalmente inferiore a 3 kA	20–100 kA alla sbarra
Cortocircuito secondario	Evento di progetto, verificato una sola volta	Funzionamento normale, migliaia di volte per campagna
Impedenza percentuale	4–6%	6–12%, impostata dai limiti di corrente di cortocircuito e di stabilità dell’arco
Selettore di Tappatura	Fuori circuito, oppure un OLTC a bassa sollecitazione	OLTC ad alta sollecitazione, decine di migliaia di operazioni
Raffreddamento	ONAN o ONAF	OFAF o OFWF, spesso con pompe olio ridondanti

 

 

I numeri che determinano effettivamente la specifica

Cinque valori svolgono il lavoro reale: MVA e tensione primaria, la finestra di tensione secondaria, la corrente secondaria, l’impedenza (o la reattanza totale del circuito) e l’aumento di temperatura con la relativa classe di raffreddamento.

Il tavolo dei prelievi proviene dal fornitore del forno, non da quello del trasformatore, e codifica la curva di fusione. L'operazione di foratura avviene a bassa tensione e alta corrente perché gli elettrodi sono sepolti nella rottame e l'arco è di fatto corto. Man mano che l'arco si stabilizza, l'operatore passa a un arco più lungo e a tensione più elevata, con maggiore efficienza termica. Un salto di 5 V su una tensione secondaria di 600 V appare insignificante — meno dell'1% della tensione — tuttavia equivale a diverse centinaia di ampere di corrente secondaria al collettore, e il trasformatore deve erogare ogni punto di tale curva alla potenza nominale specificata in MVA.

L’impedenza è il parametro in cui le quotazioni divergono maggiormente. Un’unità forno viene normalmente specificata tra il 6% e il 12%, valore superiore a quello di un trasformatore di distribuzione, poiché i guasti secondari sono frequenti e l’avvolgimento è il primo elemento che deve limitarli. Tuttavia, l’impedenza percentuale rappresenta soltanto la quota del trasformatore nel circuito. Il progettista del forno lavora con la reattanza totale del circuito — trasformatore più sbarra collettore, cavo flessibile, braccio dell’elettrodo e elettrodo — perché tale valore totale determina la stabilità dell’arco e il fattore di potenza del forno. Modificare la lunghezza della sbarra collettore dopo aver ordinato il trasformatore equivale a modificare il punto di funzionamento del forno.

 

Il potere di interruzione in cortocircuito è il vero fattore determinante per la progettazione

Ecco il calcolo che stabilisce quanto debba essere robusta la macchina. Con un’impedenza dell’8%, un cortocircuito franco sul lato secondario assorbe circa 12,5 volte la corrente secondaria nominale . Su un’unità da 40 kA, ciò corrisponde a 500 kA sulla sbarra collettore. Le forze elettromagnetiche variano con il quadrato della corrente; pertanto, lo stesso guasto genera forze dell’ordine di 150 volte il carico meccanico nominale all’avvolgimento, ai suoi distanziatori e ai suoi conduttori di collegamento.

Un trasformatore di distribuzione viene solitamente sottoposto a prova per dimostrare che resiste a un cortocircuito una sola volta. Un trasformatore per forni deve resistervi come parte del normale funzionamento, quindi la progettazione meccanica diventa fondamentale: pressione di serraggio uniforme sull’intero pacchetto di avvolgimenti, distanziatori precompressi, rame indurito per deformazione plastica, conduttori di presa rinforzati e struttura del nucleo che non si sposti sotto la forza assiale causata da un guasto asimmetrico. La norma IEC 60076-5 stabilisce i requisiti di tenuta al cortocircuito, mentre la norma IEEE C57.12.90 definisce la procedura di prova. Quando un fornitore non è in grado di fornire sia la base di progettazione sia il verbale di prova, il solo valore dell’impedenza rivela molto poco sulla durata effettiva dell’unità.

Nei nostri interni processi di revisione progettuale, il documento che scatena il rifacimento non è quasi mai la figura relativa all’impedenza, bensì il disegno dei collegamenti secondari — con correnti di 40 kA o superiori attraverso barre collettore laminate o cavi raffreddati ad acqua; ed è proprio la distanza tra i supporti, definita in tale disegno, a impedire che le forze generate da un cortocircuito gravino sui terminali degli avvolgimenti.

 

Raffreddamento e funzionamento del commutatore a prese in un impianto di fusione

Il raffreddamento è dimensionato per l’ora peggiore, non per quella media. La configurazione OFAF (olio forzato/aria forzata), con pompe olio ridondanti e indicatori di portata dell’olio, è pratica comune per i trasformatori da forno; per potenze maggiori si passa invece alla configurazione OFWF (olio forzato/olio forzato). La temperatura dell’olio in sommità subisce un ritardo di alcuni minuti rispetto all’arco elettrico, motivo per cui le specifiche dei forni prevedono solitamente sonde in fibra ottica per il rilevamento dei punti caldi negli avvolgimenti.

Il commutatore a prese vive in un mondo diverso rispetto alla prassi industriale. Un operatore può spostare la presa da cinque a quindici volte in una singola fusione, e un impianto di fusione a due turni esegue da otto a dodici fusioni al giorno: da 10.000 a 30.000 operazioni all’anno è la norma. Le unità forno sono quindi specificate con interruttori deviatori ad alta sollecitazione, generalmente di tipo a vuoto, e il piano di manutenzione è determinato dal contatore di operazioni, non dal calendario. La norma IEC 60214-1 è quella secondo cui vengono costruiti e collaudati i componenti hardware.

I meccanismi dell’usura del commutatore a prese sono gli stessi illustrati nel nostro manuale sui commutatori a prese sotto carico (OLTC) e sui commutatori a prese fuori carico , con una differenza: in un impianto di fusione il tempo scorre circa dieci volte più velocemente, e un interruttore deviatore mai ispezionato è un fermo programmato in attesa di una data.

 

 

Armoniche, flicker e ciò che il trasformatore non può correggere

L'arco è un carico non lineare e in continua variazione. Inietta armoniche di ordine due, tre, cinque e sette, oltre a interarmoniche, e modula la tensione del collettore a frequenze percepite dall’occhio come sfarfallio. La progettazione del trasformatore aiuta marginalmente: un avvolgimento a triangolo intrappola le armoniche tripli e il margine di densità di flusso tiene sotto controllo ulteriori perdite e rumore; tuttavia, nessuna specifica del trasformatore elimina lo sfarfallio. Questo compito spetta a un SVC o a uno STATCOM installato sul collettore del forno, e a uno studio sulla qualità dell’energia effettuato prima dell’ordinazione del trasformatore, non dopo la messa in servizio.

I forni ad arco a corrente continua spostano il problema anziché eliminarlo. L’arco è alimentato da un raddrizzatore a tiristori attraverso un trasformatore a immersione in olio realizzato come trasformatore raddrizzatore, quindi lo spettro armonico diventa il classico schema a 6 impulsi o a 12 impulsi, intorno al quale è progettato il filtro. Il trasformatore viene quindi specificato in base a uno spettro definito di correnti armoniche, anziché in base a un inviluppo di sfarfallio.

 

Cosa verifichiamo prima che un trasformatore per forno lasci la fabbrica

Ryan Electric produce trasformatori dal 2007 in uno stabilimento di 120.000 m² dotato di oltre 180 unità di attrezzature per produzione e collaudo e di 37 brevetti; dal 2023 siamo partner di una joint venture con Eaton. Le unità della classe forno sono progettate trasformatore a immersione in olio realizzate secondo la tabella dei prelievi richiesta dal cliente, anziché in base a una potenza indicata su catalogo; è per questo motivo che i nostri ingegneri richiedono il set di documentazione del fornitore del forno prima di formulare un preventivo.

La sequenza di prova si estende oltre l'elenco standard: rapporto di trasformazione misurato in ogni posizione del prelevatore, resistenza degli avvolgimenti per fase, resistenza di isolamento e indice di polarizzazione, tenuta a tensione applicata e indotta, misura della scarica parziale, impedenza misurata per ogni posizione del prelevatore anziché solo alla posizione nominale, e analisi dell’olio per tensione di rottura, umidità e gas disciolti. Qualora la specifica lo richieda, la prova di innalzamento di temperatura viene eseguita alla posizione del prelevatore determinante, registrando le temperature del nucleo e degli avvolgimenti, non soltanto l’innalzamento della temperatura dell’olio in sommità. Per i progetti destinati agli Stati Uniti e al Canada, la certificazione UL e CSA viene rilasciata tramite un ispettore terzo, anziché dal nostro reparto qualità interno, e il lavoro di laboratorio è accreditato CNAS.

Il problema più comune che riscontriamo nelle richieste relative ai forni elettrici non riguarda affatto la potenza nominale. Si tratta invece di una tabella dei prelievi che non corrisponde al sistema di controllo degli elettrodi, e rimane invisibile fino alla messa in servizio a caldo — quando il forno è fermo e il cronoprogramma è già molto serrato.

 

Specificare un trasformatore per forno ad arco: la checklist per la richiesta di offerta (RFQ)

Inserite questi elementi nella richiesta e il confronto tecnico diventa equo:

• Tensione primaria, frequenza di sistema (50 o 60 Hz) e potenza apparente (MVA) per ogni posizione di presa

• Tabella dei prelievi del fornitore del forno: tensione e corrente per ogni posizione

• Diametro degli elettrodi, intervallo di tensione dell’arco e configurazione del circuito secondario

• Valore obiettivo di impedenza, oppure la reattanza totale del circuito a cui sta lavorando il progettista del forno

• Corrente di cortocircuito massima prevedibile presso l’interruttore del forno

• Temperatura ambiente e altitudine nel reparto fusione — 45 °C ÷ 50 °C è normale nel Golfo e in alcune zone del Sud-Est asiatico

• Classe di raffreddamento (ONAN, OFAF o OFWF) e se sono richieste pompe olio di riserva

• Tipo di regolatore a prese e numero previsto di operazioni all'anno

• Potenza nominale ciclica: corrente efficace per ciclo termico e numero di cicli termici al giorno

• Prove richieste — prova di riscaldamento, scarica parziale, prova di cortocircuito, prova di sequenza delle prese

• Disegni di interfaccia: isolatori ad alta tensione o scatola per cavi, orientamento della scatola per sbarre a bassa tensione, posizione della scatola di raccordo, direzione di ingresso dei cavi

• Base di conformità: serie IEC 60076 o IEEE C57, oltre alle certificazioni eventualmente richieste dal mercato di destinazione

Una nota d'acquisto ha maggiore peso rispetto alle altre. Un trasformatore per forno è un'unità progettata su misura, quindi si colloca sul percorso critico accanto alla struttura del forno e al sistema di controllo degli elettrodi. Definire anticipatamente la tabella delle prese non comporta alcun costo; accelerare la realizzazione di un avvolgimento dopo che la data di messa in servizio del reparto fusione è stata fissata è invece il momento in cui i tempi di consegna del trasformatore si trasformano in ritardi sulla messa in servizio, e definire l'ambito di protezione è più economico se concordato sulla base di una specifica di protezione piuttosto che successivamente, una volta realizzata la scatola di raccordo.

Inviaci la tabella dei prelievi del forno del fornitore, il diametro dell’elettrodo e le condizioni ambientali, e i nostri ingegneri vi forniranno una trasformatore per forno ad arco raccomandazione — impedenza, campo di prelievi, classe di raffreddamento e valore delle perdite a entrambe le estremità del campo — oltre alle posizioni dei prelievi per le quali sono garantiti l’aumento di temperatura e l’impedenza. Questa consulenza richiede al massimo una settimana ed è decisamente più economica rispetto a un forno fermo.

Informazioni sull'Autore: Questo articolo è stato redatto dal team di ingegneria di Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.), produttore di trasformatori fondato nel 2007 e partner congiunto di Eaton dal 2023. I nostri ingegneri supportano progetti conformi agli standard UL, CSA e IEEE in Nord America, Sud-Est asiatico, Medio Oriente e Africa, e il nostro laboratorio di prova opera con accreditamento CNAS. Per la selezione di trasformatori per forni, la revisione della tabella dei prelievi o un preventivo, contattate il nostro ufficio tecnico.