ES2289737T3 - Dispositivo y procedimiento de control dinamico de la combustion de un quemador en un horno electrico de arco. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para el control dinámico de la combustión de un quemador (8) de combustible gaseoso o líquido en un horno eléctrico de arco, en particular en un horno de arco de acería, emitiendo en uso dicho quemador (8) una llama (9) por una abertura situada en un extremo (8'') del quemador (8) por encima de un baño de metal fundido (3) coronado a su vez por una carga de metralla (5), caracterizado porque comprende unos medios de medición sin contacto, situados en el exterior del horno de arco, para estimar la distancia (D) entre un extremo (8'') del quemador (8) y una diana constituida por metralla sólida (5) situada enfrente de dicho extremo (8''), comprendiendo dichos medios una fuente que emite una señal que pasa al interior de dicho quemador (8), o de otro quemador, en dirección a dicha diana, y un detector en el que es captada dicha señal reflejada por la diana, pasando asimismo al interior de dicho quemador (8), respectivamente del otro quemador.
Description
Dispositivo y procedimiento de control dinámico
de la combustión de un quemador en un horno eléctrico de arco.
La presente invención se refiere a un
dispositivo de control dinámico de la combustión de los quemadores
de un horno eléctrico de acería, en particular de un horno
eléctrico de arco, con vistas a mejorar u optimizar el rendimiento
energético del horno.
La invención se refiere asimismo al
procedimiento que utiliza el dispositivo.
Es sabido que un horno eléctrico de arco,
denominado sucintamente en lo sucesivo "horno de arco",
comprende varios quemadores, generalmente dispuestos sobre la pared
lateral del horno. Además, la carga de un horno de arco de acería
está constituida principalmente por residuos metálicos que pueden
contener piezas desclasificadas o restos de fundición, acero o
metales ferrosos, que se denominarán indistintamente en lo sucesivo
"metralla(s)" o "chatarra(s)".
En los hornos de arco se utilizan quemadores que
emplean un par gas comburente/combustible gaseoso o líquido,
preferentemente oxígeno o aire como gas comburente con, por ejemplo,
gas natural como combustible. Estos quemadores son pilotados y
controlados habitualmente según un modo operativo predefinido que
determina la relación oxígeno comburente/gas carburante, así como
la duración de funcionamiento del quemador, sin tener en cuenta el
hecho de que la eficacia en funcionamiento de cada quemador
individual depende de la carga efectiva de chatarra que se
encuentra enfrente (de la llama) del quemador.
La utilización de modos de funcionamiento
preprogramados de los quemadores adolece, en particular, de los
inconvenientes siguientes:
- -
- no se toma en consideración que la eficacia de cada quemador individual depende de la carga efectiva de chatarra enfrente de este quemador particular. En consecuencia, una parte significativa de la energía consumida por el quemador es utilizada con un escaso rendimiento, puesto que los quemadores se utilizan según un esquema operativo arbitrario, aun cuando se haya realizado la fusión y no haya ya suficiente chatarra enfrente del quemador;
- -
- además, si una pieza de chatarra más pesada o voluminosa que las otras se cae por accidente demasiado cerca de un quemador que funciona con una larga llama, la llama puede desviarse y dañar las paredes del horno, provocando eventualmente por ello fugas peligrosas de agua de refrigeración.
Para mejorar el rendimiento de los quemadores en
función de la energía eléctrica y fósil de entrada, se requiere un
control dinámico del quemador. Se entiende por control dinámico un
control o una regulación en tiempo real que tiene en cuenta las
condiciones operativas de combustión en un instante dado, por
oposición a un punto de funcionamiento preprogramado.
Se conocen ya dispositivos de control del
funcionamiento o de la regulación de un horno eléctrico de arco. En
particular, la solicitud de patente europea
EP-A-1 457 575 describe un
dispositivo de observación de la carga de metrallas en un horno de
acería que comprende varios quemadores dispuestos por encima del
nivel del baño en fusión. Al menos uno de los quemadores está
equipado con una cámara dispuesta en el interior del quemador. Por
ejemplo, se puede tratar de una cámara infrarroja endoscópica
dispuesta de manera tal que su eje de mira coincida con el eje
longitudinal del quemador. Esta cámara y los medios de control que
le están asociados permiten vigilar la fusión de la carga de
metrallas en el curso del tiempo y adaptar la cadencia de carga de
las cestas de metralla.
En la patente americana
US-B-6.440.355 se describe un
dispositivo de medición óptica, retráctil dentro de un alojamiento
de protección y solidario del sistema de manutención de una lanza de
oxígeno en un convertidor de oxígeno. Este dispositivo de medición
comprende un cabezal óptico de láser apropiado para enviar un haz
incidente sobre una zona diana en el horno, tal como la superficie
de la escoria, recibir y detectar el haz reflejado y determinar,
comparando los dos haces, la distancia a la que se encuentra la zona
diana. Este dispositivo tiene por único objetivo permitir un ajuste
correcto de la distancia que separa la escoria del cabezal de la
lanza de oxígeno.
En la patente americana
US-A-5.125.745 se describe además un
aparato de inspección móvil que puede ser dispuesto en la
proximidad de la abertura de un horno dispuesto horizontalmente. El
aparato comprende un láser que puede iluminar el revestimiento
interno del horno. La luz difundida por éste puede ser recibida por
una red de detección lineal autobarrida y acoplada a un ordenador
para proporcionar una representación gráfica del estado de desgaste
del revestimiento interno del horno.
\newpage
La presente invención pretende proponer una
solución que permita solucionar los inconvenientes del estado de la
técnica.
En particular, la presente invención pretende
proporcionar un procedimiento de control dinámico, es decir, en
curso de funcionamiento, de los quemadores de combustible montados
sobre las paredes del horno de arco.
Un objetivo complementario de la invención es
mejorar, e incluso optimizar, el rendimiento de los quemadores del
horno de arco.
Otro objetivo es todavía obtener un
funcionamiento fiable y reproducible del horno de arco con vistas a
obtener una fusión óptima de una cantidad dada de chatarra, por
medio de una energía eléctrica menor y un consumo de gas reducido
con respecto a los sistemas utilizados en el estado de la
técnica.
Un primer objeto de la presente invención se
refiere a un dispositivo para el control dinámico de la combustión
de un quemador de combustible gaseoso o líquido en un horno
eléctrico de arco, en particular en un horno de arco de acería,
emitiendo en uso dicho quemador una llama por una abertura situada
en el extremo del quemador, por encima de un baño de metal fundido
coronado a su vez por una carga de metralla, caracterizado porque
comprende unos medios de medición sin contacto, situados en el
exterior del horno de arco, para estimar la distancia entre el
extremo del quemador y una diana constituida por metralla sólida
situada enfrente de dicho extremo, comprendiendo dichos medios una
fuente que emite una señal que pasa al interior de dicho quemador, o
de otro quemador, en dirección a dicha diana, y un detector en el
que es captada dicha señal reflejada por la diana, pasando asimismo
al interior de dicho quemador, respectivamente del otro
quemador.
Según un primer modo de realización preferido de
la invención, los medios de medición de distancia entre el extremo
del quemador y la metralla sólida comprenden un cabezal de detección
de tipo sensor de distancia óptico situado en el interior o en la
parte trasera del quemador, que presenta un láser preferentemente
pulsado que emite un haz incidente que apunta a la metralla a
través de una abertura situada en el eje del quemador, y un
fotodetector apropiado para recibir el haz láser reflejado por la
metralla.
Según este modo de realización, el cabezal de
detección está configurado para efectuar la medición de distancia
sobre una diana llevada a alta temperatura, preferentemente a una
temperatura que puede alcanzar 1.500ºC, y/o para efectuar dicha
medición en un ambiente o en un trayecto óptico que presenta
llamas.
Ventajosamente, el cabezal de detección está
equipado con unos medios de refrigeración, por ejemplo utilizando
agua.
Preferentemente, el láser es un diodo láser
semiconductor que emite en el dominio infrarrojo, equipado con una
lente colimadora y un filtro, preferentemente un filtro
interferencial, para eliminar o atenuar el ruido de fondo ligado a
la radiación propia del horno de arco.
Siempre preferentemente, el fotodetector
comprende una lente de recepción con un filtro interferencial y al
menos un fotodiodo, acoplado a un sistema electrónico de detección
de alta frecuencia.
Todavía ventajosamente, el fotodiodo y, por
tanto, el cabezal de detección están acoplados mediante fibra
óptica al sistema electrónico de detección de alta frecuencia, lo
que permite proteger mejor a este último con respecto al entorno
eventualmente difícil en el que se encuentra el sensor.
Siempre ventajosamente, la ventana de mira del
cabezal de detección está equipada con medios de protección de
barrido por un gas a presión, tal como nitrógeno, aire comprimido o
gas natural.
Siempre según la invención, el cabezal de
detección se puede configurar para poder medir distancias que
alcanzan hasta 5 metros.
El dispositivo de la invención comprende además
unos medios de regulación para ajustar en tiempo real una relación
gas comburente/combustible al nivel de la alimentación del quemador
y/o la potencia del quemador y/o la duración de funcionamiento del
quemador en función de la distancia medida por el cabezal de
detección y la electrónica de alta frecuencia.
Preferentemente, dichos medios de regulación son
unos medios de regulación en bucle cerrado.
Según un segundo modo de realización preferido
de la invención, los medios de medición de distancia entre el
extremo del quemador y la metralla sólida comprenden un sistema de
radar situado en el interior o en la parte trasera del quemador.
Un segundo objeto de la presente invención se
refiere a un quemador para horno eléctrico de arco equipado con un
dispositivo de control dinámico de la combustión tal como el que se
ha descrito anteriormente.
Un tercer objeto de la presente invención se
refiere a un procedimiento de control dinámico de la combustión de
un quemador en un horno eléctrico de arco por medio del dispositivo
con cabezal de detección óptica descrito más arriba, caracterizado
porque comprende las etapas siguientes:
- -
- emitir un haz láser pulsado incidente que apunta a la metralla a través de la abertura situada en el eje del quemador;
- -
- detectar el haz reflejado por la metralla;
- -
- deducir la distancia entre el extremo del quemador y la metralla por medio de una medición del tiempo de vuelo, es decir, midiendo el intervalo de tiempo que transcurre entre los impulsos láser emitido y recibido respectivamente;
- -
- ajustar una relación gas comburente/combustible al nivel de la alimentación del quemador y/o la potencia del quemador y/o la duración de funcionamiento del quemador, preferentemente según una regulación en bucle cerrado, utilizando como parámetro de regulación el valor de la distancia medida.
La figura 1 representa esquemáticamente en
sección vertical un horno de acería que comprende el dispositivo de
la invención.
Las figuras 2A y 2B representan esquemáticamente
dos casos de figura de funcionamiento que ilustran la realización
de la invención.
El objeto principal de la invención es dotar a
los quemadores de oxifuel montados en las paredes del horno de arco
con medios de control dinámico de la combustión.
Según una forma de ejecución preferida de la
invención, estos medios de control comprenden un sensor óptico, es
decir, sin contacto, situado en el exterior del horno de arco, para
estimar la distancia entre el extremo del quemador y una diana
constituida por metralla sólida situada enfrente de dicho extremo.
El sensor óptico está situado en el interior del quemador o detrás
de éste y se compone de un cabezal de medición que comprende una
fuente que emite un haz que pasa al interior del quemador en
dirección a la diana, es decir, la chatarra aún no fundida. El haz
es reflejado por el banco en dirección a un detector que se
encuentra en el cabezal de medición, pasando asimismo por el
interior del quemador.
La relación oxígeno/gas natural utilizado, la
duración de funcionamiento y/o la potencia del quemador se elegirán
entonces en función de la carga efectiva de chatarra enfrente de
cada quemador individual, que es estimada precisamente por medio
del sensor de distancia.
Cualquier otro medio distinto de un medio
óptico, por ejemplo un sistema de radar, que permita determinar
distancias en un entorno ruidoso de ruido debido a una alta
temperatura es susceptible de estar cubierto asimismo por el objeto
de la invención.
Un sistema para la medición instantánea de la
distancia entre el extremo del quemador y la chatarra sólida debe
permitir que se ajusten los puntos de funcionamiento del quemador y
su duración de funcionamiento correspondiente, con vistas a evitar
las desventajas mencionadas anteriormente y aumentar así la eficacia
del aporte de energía fósil.
Sobre la base de la señal medida a partir del
sensor de distancia, el cálculo de puntos de funcionamiento
dinámicos permitirá asimismo un funcionamiento automático del
quemador. La relación oxígeno/gas natural, la potencia del quemador
y la duración de funcionamiento de cada quemador individual se
calcularán en función de la carga efectiva de chatarra enfrente de
cada quemador.
En su fase de puesta en marcha, el quemador
utilizará una relación elevada de oxígeno/gas natural y una potencia
inferior a su potencia nominal, que puede ser, por ejemplo, de 5 a
10 megavatios (MW). Estas condiciones se mantendrán durante tanto
tiempo como esté presente la chatarra en la proximidad del extremo
del quemador y hasta que se cree una cavidad libre (vacía de
materia sólida) en el seno de la carga de chatarra enfrente del
quemador.
Cuando se haya formado dicha cavidad de fusión,
el quemador será controlado normalmente en las condiciones
estequiométricas y a la potencia nominal. El funcionamiento del
quemador deberá detenerse tan pronto como se aproximen las
condiciones de fusión, para evitar cualquier reducción de su
eficacia.
\newpage
El sensor de distancia será elegido para poder
apuntar a un diana llevada a una temperatura local muy alta, sin
que la medición se vea demasiado perturbada por la radiación propia
de la diana, a las longitudes de onda utilizadas. Este sensor
deberá acomodarse también a la presencia de las llamas generadas por
el quemador, que, en particular pueden absorber el haz emitido y
recibido por el sensor.
De manera ventajosa, el principio de medición
elegido es el siguiente:
- -
- un haz láser pulsado apunta a la chatarra a través de una abertura central del quemador;
- -
- la luz reflejada es detectada por un sensor adecuado;
- -
- la distancia (D) mencionada anteriormente se deduce de un cálculo de "tiempo de vuelo" basado en el intervalo de tiempo que separa el impulso emitido del impulso recibido; dado que la velocidad a considerar es la velocidad de la luz, se requiere una electrónica de detección de alta frecuencia.
En la figura 1 se ilustra un ejemplo de
instalación susceptible de utilizar el dispositivo de la invención,
mostrando dicha figura una vista fragmentaria de un horno de arco de
acería, en sección vertical, en la cual se ilustra esquemáticamente
el quemador que comprende el dispositivo de la invención.
El horno de arco comprende en particular una
cuba 1 cerrada por una tapa 2 provista de medios de refrigeración
por agua. En funcionamiento, la cuba 1 contiene un baño de acero
fundido 3 recubierto, a título de indicación, por una capa de
escoria 4. Después del afinado, el acero en fusión 3 es vertido por
un orificio de colada bien conocido por el experto en la materia
(no representado). Después de la colada, se carga una nueva cantidad
de metrallas 5 en el horno, con la tapa 2 abierta, por medio de una
cesta (no representada). La carga de metrallas 5 es fundida
progresivamente por medio de un arco eléctrico 6 formado entre un
electrodo 7 y el baño de acero fundido 3, con el apoyo de
quemadores 8, bien conocido en el estado de la técnica y que
desarrolla llamas 9. Un cabezal de detección 11 de tipo sensor de
distancia está integrado en el seno del quemador según una forma de
ejecución preferida de la invención: ésta comprende en particular un
diodo láser que genera un haz láser pulsado que apunta a la
chatarra 5 a través de una abertura central 8' del quemador, así
como un fotodetector dispuesto en un ángulo sólido que le permite
detectar el haz láser reflejado sobre la chatarra 5.
En funcionamiento normal o eficaz del quemador,
como se ha mencionado anteriormente, se forma una cavidad libre por
la fusión enfrente del extremo del quemador 8, como se ilustra en la
figura 2A. Esta cavidad define una distancia D entre el extremo 8'
del quemador y la chatarra frontal 5 todavía en estado sólido. Esta
distancia D es medida precisamente por el dispositivo de la
invención. En dicha situación, se alimentará el quemador con
oxígeno y carburante (gas natural, designado NG en las figuras 2A y
2B) según proporciones estequiométricas. A la inversa, en la
situación ilustrada en la figura 2B, en la que la fusión no es
óptima y en la que se observa una desaparición parcial de la
cavidad de fusión, se reduce fatalmente la distancia D medida con
respecto a la situación anterior y se alimentará el quemador con
una relación oxígeno/gas natural superior a la relación
estequiométrica y/o con una potencia reducida con respecto a la
potencia nominal.
La invención presenta la ventaja de que un
control dinámico y automático de los quemadores permite asegurar su
funcionamiento óptimo de manera fiable y reproducible con vistas a
obtener una fusión de la chatarra mejorada u optimizada por medio
de un consumo reducido de energía eléctrica y de gas, utilizando por
tanto mejor la energía del quemador.
Claims (14)
1. Dispositivo para el control dinámico de la
combustión de un quemador (8) de combustible gaseoso o líquido en
un horno eléctrico de arco, en particular en un horno de arco de
acería, emitiendo en uso dicho quemador (8) una llama (9) por una
abertura situada en un extremo (8') del quemador (8) por encima de
un baño de metal fundido (3) coronado a su vez por una carga de
metralla (5), caracterizado porque comprende unos medios de
medición sin contacto, situados en el exterior del horno de arco,
para estimar la distancia (D) entre un extremo (8') del quemador
(8) y una diana constituida por metralla sólida (5) situada enfrente
de dicho extremo (8'), comprendiendo dichos medios una fuente que
emite una señal que pasa al interior de dicho quemador (8), o de
otro quemador, en dirección a dicha diana, y un detector en el que
es captada dicha señal reflejada por la diana, pasando asimismo al
interior de dicho quemador (8), respectivamente del otro
quemador.
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque los medios de medición de distancia (D)
entre el extremo (8') del quemador (8) y la metralla sólida (5)
comprenden un cabezal de detección (11) de tipo sensor de distancia
óptico, situado en el interior o en la parte trasera del quemador
(8), que presenta un láser preferentemente pulsado que emite un haz
incidente que apunta a la metralla (5) a través de una abertura
situada en el eje del quemador (8) y un fotodetector apropiado para
recibir el haz láser reflejado por la metralla (5).
3. Dispositivo según la reivindicación 2,
caracterizado porque el cabezal de detección (11) está
configurado para efectuar la medición de distancia en una diana
llevada a alta temperatura, preferentemente a una temperatura que
puede alcanzar 1.500ºC, y/o para efectuar dicha medición en un
entorno o en un trayecto óptico que presente llamas.
4. Dispositivo según la reivindicación 2 ó 3,
caracterizado porque el cabezal de detección (11) está
equipado con medios de refrigeración.
5. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque el láser es un
diodo láser semiconductor que emite en el dominio infrarrojo,
equipado con una lente colimadora y con un filtro, preferentemente
un filtro interferencial, para eliminar o atenuar el ruido de fondo
ligado a la radiación propia del horno de arco.
6. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 5, caracterizado porque el fotodetector
comprende una lente de recepción con un filtro interferencial y al
menos un fotodiodo, acoplado a un sistema electrónico de detección
de alta frecuencia.
7. Dispositivo según la reivindicación 6,
caracterizado porque el fotodiodo está acoplado por fibra
óptica al sistema electrónico de detección de alta frecuencia.
8. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 7, caracterizado porque la ventana de
mira del cabezal de detección (11) está equipada con medios de
protección de barrido por un gas a presión tal como nitrógeno, aire
comprimido o gas natural.
9. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 8, caracterizado porque el cabezal de
detección (11) está configurado para poder medir unas distancias que
alcanzan hasta 5 metros.
10. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende
además unos medios de regulación para ajustar en tiempo real una
relación gas comburente/combustible al nivel de la alimentación del
quemador y/o la potencia del quemador y/o la duración de
funcionamiento del quemador en función de la distancia (D) medida
por el cabezal de detección (11) y la electrónica de alta
frecuencia.
11. Dispositivo según la reivindicación 10,
caracterizado porque dichos medios de regulación son unos
medios de regulación en bucle cerrado.
12. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque los medios de medición de distancia (D)
entre el extremo (8') del quemador (8) y la metralla sólida
comprenden un sistema de radar situado en el interior o en la parte
trasera del quemador (8).
13. Quemador para horno eléctrico de arco
equipado con un dispositivo de control dinámico de la combustión
según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
14. Procedimiento de control dinámico de la
combustión de un quemador (8) en un horno eléctrico de arco por
medio del dispositivo con cabezal de detección óptica (11) según
cualquiera de las reivindicaciones 2 a 11, caracterizado
porque comprende las etapas siguientes:
- emitir un haz láser pulsado incidente que
apunta a la metralla (5) a través de la abertura situada en el eje
del quemador (8);
- detectar el haz reflejado por la metralla
(5);
- deducir la distancia (D) entre el extremo del
quemador (8') y la metralla (5) por medio de una medición de tiempo
de vuelo, es decir, midiendo el intervalo de tiempo que transcurre
entre los impulsos láser emitido y recibido respectivamente;
- ajustar una relación gas
comburente/combustible al nivel de la alimentación del quemador y/o
la potencia del quemador y/o la duración de funcionamiento del
quemador, preferentemente según una regulación en bucle cerrado,
utilizando como parámetro de regulación el valor de la distancia (D)
medida.
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