ES2223097T3 - Metodo para controlar la alimentacion de energia a hornos de arco electrico. - Google Patents

Abstract

PROCEDIMIENTO PARA CONTROLAR LA FUENTE DE ALIMENTACION PARA HORNOS DE ARCO ELECTRICOS, QUE SE ALIMENTEN POR CORRIENTE ALTERNA O CORRIENTE CONTINUA, INCLUYENDO DICHOS HORNOS UN CICLO DE FUSION QUE COMPRENDE LA CARGA DE LA ESCORIA TRANSPORTADA EN EL TIEMPO T 0 , UN PASO INICIAL DE PREFUSION DE LA ESCORIA A POTENCIA MEDIA BAJA CON UNA DURACION DE (T 1 - T 0 ), UN PASO DE FUSION A LA POTENCIA MAXIMA CON UNA DURACION DE (T 2 - T 1 ) Y UN PASO DE REFINADO CON UNA DURACION DE (T 3 - T 2 ), INCLUYENDO DICHO PROCEDIMIENTO LA IDENTIFICACION DINAMICA DEL MOMENTO APROXIMADO EN QUE CESAN LAS SITUACIONES DE RIESGO DENTRO DEL HORNO, CON UN PERMISO CONSIGUIENTE PARA INICIAR LA ENTREGA DE LA POTENCIA MAXIMA, ESTANDO LA IDENTIFICACION DINAMICA REGULADA POR EL CONTROL Y ANALISIS DE LAS MAGNITUDES ELECTRICAS, TENSION Y CORRIENTE, ALIMENTADAS AL HORNO.

Description

Método para controlar la alimentación de energía a hornos de arco eléctrico.

La presente invención se refiere a un método para controlar el suministro de energía a hornos de arco eléctrico, según se expone en la reivindicación principal.

La invención se aplica al sector de elaboración del acero para regular y controlar el suministro de energía en arcos de horno eléctrico, particularmente al comienzo del ciclo de fusión, con el objeto de reducir los tiempos totales del ciclo y reducir el consumo de la energía total suministrada.

Es bien sabido que en los hornos de arco eléctrico para la fusión de metales, al comienzo del ciclo de fusión, es decir inmediatamente después de haberse cargado las escorias en el interior del horno, el valor de la energía eléctrica suministrada a través de los electrodos es siempre inferior a la energía máxima disponible.

Esto es debido a que, debido a la consistencia de la carga de escorias, existe siempre un riesgo elevado de que pueda haber un cortocircuito entre los elementos y el arco eléctrico pueda ser inestable.

Además, cuando se dispone de una cantidad de energía considerable, los electrodos mismos pueden estar sometidos a grandes tensiones mecánicas que pueden hacer también que los electrodos se rompan o por lo menos resulten dañados.

Además, existe el riesgo de que, debido a la energía radiante, el arco pueda chocar con los paneles de refrigeración laterales del horno, rompiéndolos o dañándolos.

En la actualidad, se dispone inicialmente de poca energía para reducir los riesgos antes citados; se aumenta posteriormente la alimentación de energía, tras cierto período de tiempo, hasta que alcanza el valor máximo disponible, compatible con el equipo de fusión y los requisitos del ciclo.

Este intervalo se define normalmente según la experiencia de trabajo y el incremento de energía suministrada al horno se realiza tras un período de tiempo que puede garantizar unas condiciones de seguridad adecuadas, que permitan superar los riesgos antes citados de cortocircuitos y de tensiones peligrosas para los electrodos.

Este intervalo de tiempo, que se define previamente, se fija de forma que garantice estas condiciones de seguridad incluso en las situaciones más desfavorables y peligrosas y por consiguiente, en la mayoría de los casos, es excesivo y demasiado largo para los requisitos reales y específicos.

Por esta razón, en todos los casos en los que los tiempos de demora son más largos de lo necesario, antes de que comience el suministro de energía máxima, se prolonga innecesariamente el ciclo de fusión; esto alarga, como es natural, los tiempos del ciclo y produce también un consumo excesivo de energía.

El artículo Timm K. Et al. "Rechnergestüzte Prozessbeobachtung..." tomado de ELEKTROWAERME
INTERNATIONAL, EDITION B, Feb. 1987, vol. 45, n° 1, páginas 29-36 describe un método para controlar la alimentación de un horno eléctrico, en el que se hace un análisis de la evolución del espectro de frecuencias de las dimensiones eléctricas de los arcos (tensión, corriente, potencia, conductancia) al procederse al ciclo de fusión.

El objeto de este análisis es controlar el desarrollo de la escoria esponjosa que se genera en el interior del horno, con el objeto de obtener mejoras en el ciclo en términos operativos y tecnológicos.

No existe ninguna referencia al control de las magnitudes del horno para identificar el instante aproximado en el que se aumenta el suministro de energía y se lleva esta energía hasta el plan de trabajo.

El documento DE 36 16 344 A describe un método en el que se analizan los armónicos del espectro de frecuencia de la energía suministrada a un horno para determinar factores de distorsión como criterio de medida para la formación de la escoria y para una carga sólida o fundida. Estos ipsores de distorsión se utilizan para conseguir información con el fin de modificar la longitud del arco moviendo los electrodos, o cubrir el arco con la espuma de la escoria, aunque no se utilizan para determinar el instante más adecuado en el que es posible y seguro aumentar la energía suministrada al horno, pasando de un valor reducido a un valor máximo.

El documento WO 95 26118 A describe un método que utiliza el análisis del contenido de componentes armónicos de corrientes de fase para proporcionar datos que permitan seleccionar valores deseados de control adecuados. En general, este documento menciona que el conocimiento del contenido de los componentes armónicos se puede utilizar como base para reducir el valor deseado de la impedancia o resistencia del sistema de control con el fin de obtener una operación más estable, una toma de fuerza más elevada y un incremento más rápido de la potencia hasta el valor máximo al comienzo y después de haberse producido una perturbación. No obstante, no se da ninguna indicación o sugerencia acerca de la definición de dos etapas de fusión en el ciclo, donde el instante de iniciar la segunda etapa de fusión con máxima potencia se determina observando la evolución con el tiempo de las magnitudes eléctricas suministrada a la superficie, con el objeto de prevenir cualquier situación de riesgo en el interior del horno.

El presente solicitante ha diseñado, comprobado y realizado la presente invención para superar los inconvenientes del estado de la técnica, que han sido motivo de quejas de los industriales del sector durante mucho tiempo, y lograr otras ventajas adicionales.

La invención se describe y caracteriza en la reivindicación principal, mientras que las subreivindicaciones describen variantes de la idea de la invención principal.

El objeto de la invención es ofrecer un método para controlar el suministro de energía eléctrica para hornos de arco eléctrico, en el que es posible determinar, caso por caso, el momento exacto o aproximado, con un margen de seguridad predeterminado, en el que es posible aumentar el suministro de energía eléctrica al horno sin que exista ningún riesgo de cortocircuitos o de tensiones peligrosas en los electrodos o de energía radiante del arco hacia los paneles laterales.

En otras palabras, la invención propone identificar un método en el que sea posible identificar prácticamente en tiempo real, durante el transcurso de la primera etapa del ciclo de fusión, la desaparición de las situaciones de riesgo antes citadas, y por consiguiente, permitir el suministro de potencia máxima disponible según las condiciones específicas que se producen en una situación específica.

La presente invención reduce por lo tanto la duración de la etapa preliminar de baja potencia que caracteriza los ciclos de fusión en los hornos de arco eléctrico y reduce por lo tanto los tiempos totales del ciclo, con las ventajas consiguientes en términos de número de ciclos realizados en un período de tiempo determinado así como en términos de ahorro de energía.

Según la invención, el método controla y analiza dinámicamente la evolución de las magnitudes eléctricas del horno, al procederse al ciclo de fusión y las compara luego con valores relativos a un modelo tomado como situación de referencia.

La situación de referencia se basa, por ejemplo, en experimentos prácticos después de haber fijado cierto número de parámetros iniciales, como el tamaño del horno, el perfil de fusión, el tipo y forma de la carga, etc., o se identifica por el contrario dinámicamente en las primerísimas etapas en que se activa el horno; permite lograr un modelo de comparación, en el que se identifica la zona de transición en la que el horno pasa de una situación de riesgo a una situación segura.

La zona de transición se caracteriza por una evolución específica de las magnitudes eléctricas, tanto en términos de tiempo como de contenido armónico.

Controlando y siguiendo dinámicamente las magnitudes eléctricas durante el transcurso del ciclo de fusión específico y comparándolas con los valores de referencia de dicho modelo, la invención permite identificar, prácticamente en tiempo real y de forma suficientemente segura, el momento en que desaparece la situación de riesgo; también da la autorización para suministrar la energía máxima a alcanzar en condiciones prácticamente seguras.

De este modo, la invención permite pasar a una potencia máxima lo antes posible y minimiza por lo tanto los tiempos reales del ciclo de fusión, caso por caso y de forma dinámica y especializada.

Las figuras adjuntas se dan como ejemplo no restrictivo y muestran algunas realizaciones preferidas de la invención.

La figura 1 muestra un gráfico de tiempo/potencia de un ciclo de fusión standard en un horno de arco eléctrico;

Las figuras 2 y 3 muestran en forma esquemática el sistema de suministro de energía, respectivamente para un horno eléctrico alimentado con corriente continua y un horno eléctrico alimentado con corriente alterna;

La figura 4 muestra un diagrama de bloques del método según la invención.

La figura 1 muestra un posible perfil de fusión para un horno de arco eléctrico, en forma esquemática.

T_{0} indica el momento en que comienza la fusión, T_{1} indica el final de la prefusión de las escorias, que se realiza normalmente a potencia baja o media, T_{2} indica el final de la fusión en sí, que se realiza con la potencia a su máximo valor disponible, mientras que T_{3} indica el final de la etapa de afino y por consiguiente el final del ciclo completo.

La duración del período en T_{1} y T_{0}, es decir el período en que se realiza la prefusión de las escorias cargadas en el interior del horno y el horno se alimenta con potencia baja o media, es el período de tiempo que la invención pretende reducir, adelantando en la medida de lo posible el momento en que se puede suministrar la máxima potencia y por consiguiente reducir los tiempos completos del ciclo, con el ahorro consiguiente de energía.

Las figuras 2 y 3 muestran dos posibles sistemas eléctricos para la alimentación controlada de, respectivamente, un horno alimentado con corriente continua (DC) y un horno alimentado con corriente alterna (AC).

En estas figuras, las partes comunes a ambos hornos tienen los mismos números de referencia.

El número de referencia 10 corresponde al horno de arco eléctrico, en cuyo interior está el electrodo superior o electrodos 11; en el caso de un horno de corriente contínua, los electrodos inferiores 12 están situados sobre el suelo.

El electrodo superior 11 está controlado por un sistema de regulación 13, hidráulico o eléctrico, que regula la posición 14 reglada en feedback por medio de la unidad de control 15 que gestiona el funcionamiento del horno 10.

La potencia eléctrica suministrada al horno 10 se toma de la red de suministro de tensión media 16 y es transformada por los transformadores adecuados, respectivamente 17a para el horno de corriente continua y 17b para el horno de corriente alterna.

En el caso del horno de corriente continua, aguas abajo del transformador 17a, se encuentra un sistema de regulación 18 con válvulas de tiristor mandadas por la unidad de control 15, por medio del cual es posible controlar el perfil de la potencia suministrada al horno 10 a través de los electrodos 11 y 12.

Cada sistema con las válvulas de tiristor 18 es seguido por un inductor correspondiente 19.

En la línea de suministro, aguas arriba y aguas abajo del transformador, hay unos conjuntos de medición 20 y 21 que envían sus señales a la unidad de control 15 para mantener bajo control las magnitudes eléctricas del horno 10.

En el caso del horno de corriente continua, el inductor 19 está situado aguas arriba del transformador 17a, mientras que paralelamente a la línea de suministro hay un grupo de condensadores de modificación de fase 22.

La invención permite mantener un control constante de la evolución de las magnitudes eléctricas, es decir, la tensión y la corriente, de la energía suministrada al horno, para verificar, utilizando modelos de referencia obtenidos en experimentos o de forma dinámica en la etapa inicial del ciclo, el momento en que se puede considerar, con un margen de seguridad razonable, que han terminado las situaciones de riesgo relacionadas con la etapa inicial del ciclo de fusión.

El método según la invención permite realizar en las magnitudes eléctricas un análisis temporal o espectral, o ambos, con el fin de obtener los parámetros que se van a utilizar en la comparación con el modelo de referencia antes citado.

Según la invención, el análisis temporal permite determinar parámetros estadísticos específicos relativos a la evolución en el tiempo de la tensión y/o de la corriente del suministro de energía al horno.

En una realización de la invención, el parámetro estadístico calculado dinámicamente y comparado con el valor del modelo de referencia de la unidad de control 15 es la variancia, es decir el cuadrado de la desviación cuadrática respecto del valor medio, de la magnitud eléctrica específica del suministro de energía al horno, la tensión o la corriente.

Cuando la variancia de la señal analizada y controlada adopta un valor que, más allá de un umbral de seguridad definido, se puede comparar con el valor específico del modelo de referencia, esto significa que las situaciones de riesgo han terminado y que se puede autorizar el aumento del nivel de energía suministrado al horno.

En una realización preferida de la invención, la variancia media de la señal eléctrica se calcula y utiliza como control en un primer intervalo de tiempo tras el comienzo del ciclo.

Este intervalo de tiempo puede oscilar por ejemplo entre 30'' y 1'.

Este valor medio de variancia, calculado durante el primer intervalo después de la activación del horno, se toma como parámetro de referencia.

Al procederse al ciclo de fusión, el valor medio de la variancia se actualiza continuamente utilizando la técnica de media corrediza, manteniendo constante el intervalo de tiempo sobre el cual se calcula el valor medio.

En otras palabras, para calcular el valor medio, los nuevos valores instantáneos, controlados y seguidos de forma continua, se suman gradualmente uno a uno, y sustituyen lo valores iniciales correspondientes.

Cuando el valor medio de variancia, actualizado de forma continua, se reduce a un valor del orden de 60-70% con respecto al mismo valor medio calculado durante el intervalo de comienzo del ciclo, entonces se permite aumentar el suministro de potencia.

En otra realización, que puede ser una alternativa o se puede combinar con la anterior, este control se realiza analizando el espectro de frecuencia de las magnitudes del suministro de energía al horno, o analizando su contenido armónico con el fin de obtener información dinámica sobre el comportamiento del horno.

En este caso también, comparando de forma continua el contenido armónico de las magnitudes reales del suministro de energía al horno y los valores respectivos del modelo de referencia, es posible identificar el momento en que han terminado las situaciones de riesgo, y por lo tanto autorizar que se aumente, con seguridad, la potencia.

En una realización preferida de la invención, en un intervalo inicial determinado, se calculan las medias de las amplitudes de cierto número de armónicos pares y un número conjugado de armónicos impares.

En este caso también, el intervalo de tiempo puede oscilar por ejemplo entre 30'' y 1'.

La relación entre el valor medio de las amplitudes de los armónicos pares y el valor medio de las amplitudes de los armónicos impares se toma como parámetro de referencia.

Al realizarse el ciclo, las medias de las amplitudes calculadas por separado en los armónicos pares e impares, se actualizan continuamente con el método de media corrediza antes citado, con la consiguiente actualización de la relación correspondiente.

Cuando esta relación se reduce a un valor aproximado de 60-70% con respecto al valor de referencia inicial, se da permiso para aumentar la potencia.

El diagrama de bloques mostrado en la figura 4 resume de forma esquemática lo anterior.

Según este diagrama, existe una selección preliminar de un modelo de referencia 23, de acuerdo con las características del horno de arco eléctrico 10 y el perfil de potencia deseado, con una determinación 24 de los parámetros relativos a la zona de transición entre una situación de riesgo y una situación de no riesgo.

El modelo de referencia 23 se puede obtener experimentalmente o, como se puede ver más arriba, se puede obtener dinámicamente cuando el horno se encuentra en la primera etapa de activación.

Estos parámetros se memorizan en un área precisa de la memoria en la unidad de control 15.

De otra aparte, una vez iniciado el ciclo de fusión, se produce la selección/combinación 25 de las señales eléctricas, como la tensión V o la corriente I a utilizar en la verificación.

Si se utiliza el análisis de base temporal, hay un procedimiento 26 para determinar los parámetros estadísticos, por ejemplo la variancia, sobre los cuales se realizará la comparación.

Si se utiliza el análisis espectral, hay una primera transformación 27 de tiempo/frecuencia, y luego un procedimiento 28 para determinar el contenido armónico de la señal transformada.

Como hemos indicado anteriormente, ambos tipos de análisis se pueden utilizar, y combinarse los resultados, por ejemplo, por razones de seguridad.

Una vez obtenidos los valores de los parámetros seleccionados, se realiza una comparación 29 con los valores del modelo de referencia, tras determinar primero 30 los valores de umbral que se tienen que tener en cuenta según los niveles de seguridad deseados.

Si la comparación indica que ya no existe situación de riesgo de cortocircuitos o esfuerzos en los electrodos 11, la unidad de control 15 puede activar la selección 31 de la próxima etapa del perfil de potencia, es decir el suministro de potencia máxima.

Esta intervención de la unidad de control 15, en función del tipo de horno 10, se produce a través de las válvulas de tiristor 32, o de los conmutadores de tomas 33 o de la orden de elevar los electrodos 34.

Por consiguiente, con este método se produce siempre el suministro máximo de potencia y de forma especializada según el tipo de horno y las condiciones de fusión, en cuanto se han determinado las condiciones de hacerlo de forma segura; esto conduce a una reducción de los tiempos totales del ciclo y a un considerable ahorro de energía.

Claims (11)

1. Método para realizar un ciclo de fusión para un horno eléctrico, que comprende las siguientes etapas:

- carga de las escorias en el momento T_{0} dentro del horno.

- pre-fusión de las escorias con potencia baja y media, y una duración de (T_{1}-T_{0}), donde T1 corresponde al tiempo del final de la etapa de pre-fusión;

- control y análisis de una evolución con el tiempo de magnitudes eléctricas, tensión y corriente, aportadas al horno, durante la etapa de pre-fusión y, basándose en lo anterior, identificar cuándo desaparece una situación de riesgo en el interior del horno; y luego

- tras haber identificado la desaparición de las situaciones de riesgo en el interior del horno, fusión de las escorias con potencia máxima y una duración de (T_{2}-T_{1}), donde T2 es el tiempo correspondiente al final de la etapa de fusión;

- afinación del metal fundido con una duración de (T_{3}-T_{2}), donde T3 es el tiempo correspondiente al final de la etapa de afinación.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque incluye la determinación dinámica de la evolución de parámetros característicos de las magnitudes eléctricas y su comparación con parámetros de referencia, con el objeto de identificar el momento en que terminan las situaciones de riesgo en el interior del horno.

3. Método según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque los parámetros característicos de las magnitudes eléctricas de la potencia alimentada al horno son de tipo temporal.

4. Método según la reivindicación 3, caracterizado porque el parámetro característico de tiempo que se compara con los valores de referencia es la variancia.

5. Método según la reivindicación 4, caracterizado porque permite calcular el valor medio de variancia, actualizado de forma continua al procederse al ciclo de fusión, durante un intervalo de tiempo de amplitud determinada, comparar de forma continua el valor medio actualizado con el valor medio de variancia calculado en el intervalo de comienzo de ciclo que tiene esta amplitud determinada y tomado como parámetro de referencia, y autorizar el aumento de suministro de potencia al horno una vez que el valor medio de variancia se ha reducido a por lo menos 60% con respecto al valor inicial tomado como parámetro de referencia.

6. Método según la reivindicación 5, caracterizado porque el intervalo de tiempo tiene una duración comprendida entre 30'' y 1'

7. Método según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque los parámetros característicos de las magnitudes eléctricas de la potencia suministrada al horno son de tipo espectral.

8. Método según la reivindicación 7, caracterizado porque el parámetro espectral comparado con los valores de referencia es el contenido armónico de las magnitudes eléctricas.

9. Método según la reivindicación 8, caracterizado porque permite calcular por separado los valores medios de las amplitudes de un número determinado de armónicos pares e impares durante un intervalo inicial de tiempo de amplitud determinada, calcular la relación entre estos valores medios y tomar esta relación como parámetro de referencia, calcular de forma continua esta relación al procederse al ciclo de fusión y permitir aumentar el suministro de potencia al horno una vez que se ha reducido esta relación a un valor de aproximadamente 60% con respecto al valor inicial tomado como parámetro de referencia.

10. Método según la reivindicación 9, caracterizado porque el intervalo de tiempo tiene una duración comprendida entre 30'' y 1'.

11. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque permite proceder al comienzo del suministro de potencia máxima, una vez que los valores de los parámetros característicos de las citadas magnitudes eléctricas suministradas al horno son iguales a un valor de referencia correspondiente, además de un umbral de seguridad.