Transformadores de Forno de Arco Explicados: Como Especificá-los para Cargas de Fusão de Aço em Fornos de Arco Elétrico (EAF) e de Arco de Corrente Contínua (DC)

Uma equipe de engenharia de uma fundição no Sudeste Asiático nos enviou, na primavera passada, a placa de identificação de um transformador de forno: 60 MVA, tensão primária de 33 kV, tensão secundária de 650 V, impedância de 8% e uma tabela de derivações com 23 posições. A pergunta deles era direta: poderíamos fabricar a mesma máquina para uma segunda fundição? A placa de identificação acabou sendo a página menos útil do pacote. O que distingue um transformador para forno de arco de qualquer equipamento listado em um catálogo de distribuição não está impresso na placa de forma alguma. É a função operacional que está subjacente a ela.

O aço está migrando para a rota elétrica, e o ritmo dessa transição aparece nos números. A publicação da Worldsteel World Steel in Figures 2025 indica que a produção de fornos elétricos representou 29,1% do aço bruto global em 2024 . A divisão regional é o que realmente importa para os compradores: no Oriente Médio, a rota elétrica já representa 95.4%do aço bruto, enquanto Egito e Arábia Saudita atingem 100% e os Estados Unidos, 71,8%. Cada uma dessas toneladas é fundida por um transformador de forno elétrico antes de se tornar metal. O Página do setor de ferro e aço da AIE acompanha a mesma mudança do ponto de vista energético.

 

Por que um transformador de forno a arco não é um grande transformador de distribuição

Um transformador de distribuição é projetado para suportar carga e sobreviver a uma falha. Um transformador de forno é projetado para operar dentro de uma delas. O arco é um curto-circuito controlado: ele se extingue e se reacende dezenas de vezes por corrida, a coluna de sucata desaba e provoca um curto-circuito entre os eletrodos, e a perfuração interna (bore-in) puxa corrente que um transformador de distribuição só veria em condições de falha. Em uma oficina de fusão, esse evento não é uma anomalia. É a condição operacional normal, e ocorre milhares de vezes por campanha.

O perfil térmico também é bastante diferente. Uma corrida dura de 35 a 60 minutos, e a potência oscila entre aproximadamente 20% e a derivação máxima em questão de segundos, de modo que a temperatura do ponto quente no enrolamento acompanha essa oscilação. A norma IEC 60076-7, guia de carregamento para transformadores de potência imersos em óleo, trata essa condição de serviço como um caso específico de carregamento, e não como uma variação do serviço normal.

Parâmetro	Distribuição / transformador de potência padrão	Transformador para forno de arco
Tensão secundária	Tensão de projeto fixa, derivações de ±2 × 2,5%	Janela ampla, aproximadamente 300–1.100 V em 15–25 posições
Corrente secundária	Normalmente inferior a 3 kA	20–100 kA no barramento
Curto-circuito secundário	Evento de projeto, comprovado uma única vez	Operação normal, milhares de vezes por campanha
Impedância percentual	4–6%	6–12%, definidos pelos limites de corrente de falha e estabilidade do arco
Seletor de Taps	Fora do circuito ou um TCAL de baixa demanda	TCAL de alta demanda, dezenas de milhares de operações
Refrigeração	ONAN ou ONAF	OFAF ou OFWF, frequentemente com bombas de óleo redundantes

 

 

Os Números Que Realmente Definem a Especificação

Cinco valores desempenham o papel principal: MVA e tensão primária, a faixa de tensão secundária, a corrente secundária, a impedância (ou reatância total do circuito) e a elevação de temperatura com sua classe de refrigeração.

A tabela de taps é fornecida pelo fabricante do forno, não pelo fornecedor do transformador, e codifica a curva de fusão. A inserção dos eletrodos ocorre em baixa tensão e alta corrente porque os eletrodos estão enterrados na sucata e o arco é efetivamente curto. À medida que o arco se estabiliza, o operador aumenta para um arco mais longo e de maior tensão, com melhor eficiência térmica. Um degrau de 5 V em uma tensão secundária de 600 V parece insignificante — menos de 1% da tensão —, mas representa várias centenas de ampères de corrente secundária no barramento, e o transformador deve fornecer todos os pontos dessa curva na MVA especificada.

A impedância é onde as cotações divergem mais. Uma unidade de forno normalmente é especificada entre 6% e 12%, valor superior ao de um transformador de distribuição, pois faltas secundárias são frequentes e o enrolamento é o primeiro elemento que deve limitá-las. Contudo, a impedância percentual corresponde apenas à parcela do transformador no circuito. O projetista do forno trabalha com a reatância total do circuito — transformador, barramento, cabo flexível, braço do eletrodo e eletrodo — porque essa reatância total define a estabilidade do arco e o fator de potência do forno. Alterar o trecho do barramento após o pedido do transformador significa alterar o ponto de operação do forno.

 

A capacidade de curto-circuito é o verdadeiro fator determinante do projeto

Aqui está o cálculo que define o peso mínimo exigido pela máquina. Com impedância de 8%, uma falta franca na saída secundária drena aproximadamente 12,5 vezes a corrente secundária nominal . Em uma unidade de 40 kA, isso equivale a 500 kA no barramento. As forças eletromagnéticas variam com o quadrado da corrente; portanto, a mesma falta gera forças da ordem de 150 vezes a carga mecânica nominal ao enrolamento, seus espaçadores e seus condutores.

Um transformador de distribuição normalmente é ensaiado para comprovar que suporta um curto-circuito uma única vez. Um transformador de forno deve suportar tal evento como parte de sua operação rotineira; portanto, o projeto mecânico torna-se fundamental: pressão uniforme de aperto ao longo da pilha de enrolamentos, espaçadores pré-esforçados, cobre encruado, condutores de derivação reforçados e estrutura do núcleo que não se desloca sob a força axial provocada por uma falha assimétrica. A norma IEC 60076-5 estabelece o requisito de suporte a curto-circuito, enquanto a norma IEEE C57.12.90 define o procedimento de ensaio. Quando um fornecedor não consegue apresentar tanto a base de projeto quanto o registro do ensaio, o valor da impedância isoladamente revela muito pouco sobre a vida útil do equipamento.

Nas revisões de projeto realizadas internamente, o documento que desencadeia retrabalho raramente é a figura de impedância. Trata-se do desenho das conexões secundárias — 40 kA ou mais através de barramento laminado ou cabo refrigerado a água, sendo o espaçamento dos suportes definido nesse desenho o fator que mantém as forças afastadas dos terminais do enrolamento durante uma descarga.

 

Refrigeração e Função do Comutador de Taps em uma Fundição

A refrigeração é especificada para a hora mais crítica, não para a média. A configuração OFAF com bombas de óleo redundantes e indicadores de fluxo de óleo é prática comum em unidades de forno, e classificações maiores avançam para OFWF. A temperatura do óleo na parte superior atrasa-se em relação ao arco por vários minutos, razão pela qual as especificações de forno normalmente incluem sondas de ponto quente com fibra óptica nos enrolamentos.

O comutador de derivação opera em um universo distinto das práticas usuais das concessionárias. Um operador pode mudar a derivação de cinco a quinze vezes em uma única corrida de fusão, e uma fundição que opera em dois turnos realiza de oito a doze corridas por dia — de 10.000 a 30.000 operações por ano é algo comum. As unidades de forno são, portanto, especificadas com comutadores de desvio de alta durabilidade, normalmente do tipo a vácuo, e o cronograma de manutenção é definido pelo contador de operações, não pelo calendário. A norma IEC 60214-1 é aquela à qual o equipamento é projetado e testado.

Os mecanismos de desgaste do comutador de derivação são os mesmos descritos em nosso guia sobre comutadores de derivação sob carga (OLTC) e comutadores de derivação sem carga , com uma diferença: numa fundição, o relógio avança cerca de dez vezes mais rápido, e um comutador de desvio nunca inspecionado é uma parada programada à espera de uma data.

 

 

Harmônicos, cintilação e o que o transformador não consegue corrigir

O arco é uma carga não linear e continuamente variável. Ele injeta harmônicos nas ordens segunda, terceira, quinta e sétima, além de interharmônicos, e modula a tensão do barramento em frequências que o olho percebe como cintilação. O projeto do transformador ajuda marginalmente — um enrolamento em delta retém os harmônicos triplos e a margem de densidade de fluxo mantém perdas e ruído adicionais sob controle —, mas nenhuma especificação de transformador elimina a cintilação. Esse trabalho cabe a um SVC ou STATCOM no barramento do forno e a um estudo de qualidade de energia realizado antes da encomenda do transformador, e não após sua colocação em operação.

Os fornos a arco de corrente contínua deslocam o problema em vez de eliminá-lo. O arco é alimentado por um retificador a tiristores através de um transformador Imerso em Óleo construído como transformador retificador, de modo que o espectro harmônico passa a ser o padrão característico de 6 pulsos ou 12 pulsos, em torno do qual o filtro é projetado. O transformador é então especificado com base em um espectro definido de correntes harmônicas, e não em uma envoltória de cintilação.

 

O que verificamos antes de um transformador para forno sair da fábrica

A Ryan Electric fabrica transformadores desde 2007 em uma unidade fabril de 120.000 m², equipada com mais de 180 conjuntos de equipamentos de produção e teste e detentora de 37 patentes; desde 2023, somos parceira de joint venture da Eaton. As unidades da classe forno são projetadas transformador Imerso em Óleo projetos desenvolvidos conforme a tabela de derivações do cliente, e não conforme uma classificação de catálogo — razão pela qual nossos engenheiros solicitam o conjunto de documentos do fornecedor do forno antes mesmo de emitir uma cotação.

A sequência de ensaios vai além da lista rotineira: medição da relação de transformação em todas as posições de tomada, resistência de enrolamento por fase, resistência de isolamento e índice de polarização, ensaio de tensão aplicada e induzida, medição de descargas parciais, impedância medida em cada posição de tomada (não apenas na nominal) e ensaios do óleo quanto à tensão de ruptura, umidade e gases dissolvidos. Quando a especificação exigir, a elevação de temperatura é demonstrada na tomada crítica, com registro das temperaturas do núcleo e dos enrolamentos, não apenas da elevação da temperatura do óleo na parte superior. Para projetos destinados aos Estados Unidos e ao Canadá, a certificação UL e CSA é realizada por um inspetor terceirizado, e não pelo nosso próprio departamento de qualidade, e os trabalhos de laboratório são realizados sob acreditação CNAS.

O problema mais comum que observamos nas consultas sobre fornos não é, de forma alguma, uma classificação. Trata-se de uma tabela de taps que não corresponde ao sistema de controle dos eletrodos, permanecendo invisível até a partida quente — quando o forno está parado e o cronograma já está apertado.

 

Especificação de um Transformador para Forno a Arco: Lista de Verificação para Solicitação de Cotação (RFQ)

Inclua estes itens na consulta e a comparação técnica torna-se uma disputa justa:

• Tensão primária, frequência do sistema (50 ou 60 Hz) e MVA em cada posição de tap

• Tabela de taps do fornecedor do forno: tensão e corrente em cada posição

• Diâmetro dos eletrodos, faixa de tensão de arco e disposição do circuito secundário

• Valor-alvo de impedância ou a reatância total do circuito à qual o projetista do forno se orienta

• Corrente de curto-circuito presumível máxima no disjuntor do forno

• Temperatura ambiente e altitude na oficina de fusão — 45 °C a 50 °C é normal no Golfo Pérsico e em partes do Sudeste Asiático

• Classe de refrigeração (ONAN, OFAF ou OFWF) e se bombas de óleo redundantes são exigidas

• Tipo do comutador de taps e o número esperado de operações por ano

• Potência cíclica: corrente eficaz por ciclo térmico e o número de ciclos térmicos por dia

• Ensaios exigidos — ensaio térmico, descarga parcial, evidência de curto-circuito, sequência de operação dos taps

• Desenhos de interface: buchas de AT ou caixa de cabos, orientação da caixa de barramentos de BT, posição da caixa de distribuição, direção de entrada dos cabos

• Base de conformidade: série IEC 60076 ou IEEE C57, além de quaisquer certificações exigidas pelo mercado de destino

Uma observação de aquisição tem mais peso do que as demais. Um transformador de forno é uma unidade projetada sob medida, situando-se, portanto, no caminho crítico ao lado da carcaça do forno e do sistema de controle dos eletrodos. Congelar antecipadamente a tabela de taps não acarreta custos; já acelerar o enrolamento após a data fixada para a oficina de fusão é onde os prazos de entrega dos transformadores se transformam em atrasos na comissionamento, e definir o escopo de proteção é mais econômico quando feito com base numa especificação de proteção do que após a construção da caixa de distribuição.

Envie-nos a tabela de derivações do fornecedor do forno, o diâmetro do eletrodo e as condições ambientais, e nossos engenheiros enviarão uma transformador para forno de arco recomendação — impedância, faixa de derivações, classe de refrigeração e valor de perdas em cada extremidade da faixa — além das posições de derivação nas quais a elevação de temperatura e a impedância serão garantidas. Essa conversa leva, no máximo, uma semana e é consideravelmente mais barata do que manter um forno parado.

Sobre o Autor: Este artigo foi escrito pela equipe de engenharia da Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.), fabricante de transformadores fundada em 2007 e parceira de joint venture da Eaton desde 2023. Nossos engenheiros apoiam projetos compatíveis com as normas UL, CSA e IEEE nas Américas do Norte, Sudeste Asiático, Oriente Médio e África, e nosso laboratório de ensaios opera sob acreditação CNAS. Para seleção de transformadores para fornos, revisão de tabelas de derivações ou orçamento, entre em contato com nossa equipe de engenharia.