IT201800004846A1 - Metodo di alimentazione elettrica di un forno elettrico ad arco e relativo apparato - Google Patents

Description

Descrizione del trovato avente per titolo:

"METODO DI ALIMENTAZIONE ELETTRICA DI UN FORNO ELETTRICO AD ARCO E RELATIVO APPARATO"

CAMPO DI APPLICAZIONE

Il presente trovato si riferisce ad un metodo di alimentazione elettrica di un forno elettrico ad arco ed al relativo apparato di controllo.

In particolare, il presente trovato si applica nell’ambito di forni elettrici impiegati per la fusione di materiali metallici.

Forme realizzative preferite del presente trovato, seppur non limitative, sono rivolte a forni elettrici ad arco di tipo trifase.

STATO DELLA TECNICA

Il ciclo di fusione di un forno ad arco prevede, normalmente, le seguenti fasi operative:

- carica nel forno di materiale metallico, solitamente rottame, mediante ceste a scarico dall’alto, o mediante apparati di trasporto a carica continua alimentati con rottame e/o ferro preridotto (DRI);

- generazione dell’arco elettrico; durante la quale gli elettrodi vengono abbassati verso il materiale metallico fino ad innescare l’arco elettrico di fusione che si genera tra l’estremità di questi ultimi ed il materiale da fondere;

- perforazione dello strato di materiale metallico tramite l’arco elettrico generato, durante la quale ha inizio la fusione vera e propria dei rottami per portarli alla completa fusione;

- formazione del bagno metallico fuso;

- affinazione del materiale fuso per regolare la temperatura del bagno e il contenuto di carbonio dell’ acciaio e/o definire una voluta composizione dell’acciaio mediante l’aggiunta di componenti chimici; - spillaggio del materiale fuso presente nel forno elettrico, previa eventuale scorifica.

Le operazioni di carica, generazione dell’arco elettrico, e perforazione possono essere ripetute più volte durante un singolo ciclo di fusione. Ad esempio dopo una prima carica di materiale metallico nel forno e la fusione di tale carica, si può prevedere l’introduzione di un’ulteriore carica di materiale metallico, e la successiva fusione anche di questa, prima di procedere con laffinazione del materiale fuso.

Nel caso di processo di fusione con carica continua, il ciclo di fusione sopra descritto è diverso e si prevede in genere il caricamento di una prima cesta nel forno, la successiva fusione per generare un livello di piede liquido sufficiente e la successiva introduzione in continuo del materiale da fondere per il raggiungimento di un quantitativo voluto da spillare.

Durante le fasi di perforazione l’arco elettrico fra gli elettrodi e la carica di materiale metallico ha un comportamento molto instabile, che migliora progressivamente con l’avanzamento della fusione. Nel frattempo ciò provoca variazioni repentine e improvvise delle potenza assorbita che si ripercuotono negativamente anche sulla rete elettrica di alimentazione con possibili danneggiamenti delle utenze alimentate dalla rete elettrica di alimentazione.

Durante la perforazione e fusione, infatti, i rottami ammassati e non ancora fusi possono crollare sugli elettrodi generando condizioni di corto circuito che corrispondono ad una notevole riduzione della potenza attiva utile alle operazioni di fusione ed un rapido incremento della corrente assorbita dalla rete elettrica.

Con l’avanzare dalla fusione, ovvero quando l’arco è opportunamente schermato dal materiale solido o dal liquido schiumoso (scoria), il comportamento dell’arco elettrico diventa via via più stabile, permettendo in questo modo di aumentare la sua lunghezza, aumentando così anche la potenza termica trasferita al materiale da fondere. La tensione e la lunghezza dell’arco vengono regolate in funzione del processo di fusione ed in modo da evitare un’eccessiva usura del refrattario.

Per limitare gli effetti indesiderati sulla rete di alimentazione, è noto effettuare una regolazione rapida della potenza fornita al forno mediante una regolazione in continuo quantomeno della posizione degli elettrodi e dei parametri di tensione e corrente impressi agli elettrodi.

In particolare, i parametri di tensione e corrente, nonché la posizione degli elettrodi, vengono opportunamente regolati in ciascuna fase del processo.

La posizione degli elettrodi rispetto al materiale da fondere determina la lunghezza dell’arco elettrico; essendo inoltre tale lunghezza d’arco funzione dell’interdipendenza tra corrente-tensione-impedenza, è necessario aumentare la tensione applicata per sostenere l’arco ed evitarne lo spegnimento, sacrificando nelle fasi di perforazione la potenza attiva, attraverso l’abbassamento del fattore di potenza e pertanto il rendimento, a favore della potenza reattiva. Al contrario se l’arco si accorcia, la corrente aumenta con un incremento incontrollato della potenza erogata dall’arco e con possibili danneggiamenti del forno elettrico o della sua volta.

La fig. 1 illustra schematicamente i valori di riferimento, o di set point, dei parametri elettrici da applicare agli elettrodi, durante l’avanzamento di un ciclo di fusione a tre ceste, ovvero in cui è previsto il caricamento nel forno di una prima cesta di materiale metallico, la fusione di quest’ultimo, il caricamento di una seconda cesta di materiale metallico, la fusione anche di quest’ultimo, e il caricamento di una terza cesta di materiale metallico con la fusione di quest’ultimo e la successiva affinazione di tutto il materiale liquido ottenuto.

E possibile notare che i parametri elettrici di corrente, tensione e potenza subiscono variazioni, mentre la frequenza di alimentazione degli elettrodi resta invariata durante il ciclo di fusione rimanendo uguale alla frequenza di alimentazione.

In prima approssimazione la tensione d’arco, a parità di corrente, è proporzionale alla distanza tra l’elettrodo e la massa da fondere. Per una data condizione di funzionamento, che prevede il raggiungimento di una corrente di riferimento dell’arco, si realizza una condizione di arco stabile, ovvero una condizione di corrente costante nel tempo, mediante la regolazione della distanza tra l’elettrodo e la massa da fondere, in relazione ad una curva caratteristica di tensione di alimentazione.

Gli apparati di alimentazione di tipo noto comprendono generalmente un trasformatore multi-tap, ovvero provvisto di una pluralità di rapporti di trasformazione selettivamente impostabili in relazione alle potenze richieste. Il trasformatore trasforma la tensione fornita da una rete di alimentazione elettrica, generalmente a media tensione, in una tensione adatta ad alimentare gli elettrodi.

Attraverso i tap del trasformatore e la regolazione continua dell’altezza degli elettrodi è possibile inseguire i punti di impedenza/ammettenza desiderati, e quindi regolare la tensione dell’arco, e la lunghezza di quest’ultimo, per determinare la potenza di fusione. Anche queste tipologie di apparati di alimentazione noti, tuttavia presentano un inconveniente legato all’ampia variazione di assorbimento istantaneo di potenza, che viene prelevata dalla rete di alimentazione e che si verifica in particolare durante la perforazione a causa del franamento del rottame che causa cortocircuiti delle fasi con corrispondente lunghezza dell’arco uguale a zero.

Durante la perforazione, data la variabilità nell’assorbimento di potenza da parte del forno, si generano fluttuazioni della tensione di rete provocando il cosiddetto fenomeno flicker. Dato che il processo fusorio può variare molto in termini di fluttuazione della corrente, quindi della caduta di tensione a parità di frequenza, è importante cercare di mantenere l’arco elettrico più stabile possibile, in modo da limitare il citato effetto flicker.

Affinché ci siano le condizioni necessarie ad avere un arco stabile, il sistema viene dimensionato scegliendo in modo opportuno il valore di reattanza induttiva che il circuito deve avere per la determinata frequenza di alimentazione della rete. La reattanza complessiva, opportunamente dimensionata in fase di progetto, viene ottenuta dalla somma delle reattanze dei conduttori, del trasformatore e di eventuali reattori aggiuntivi.

I reattori aggiuntivi, in un sistema di alimentazione elettrico di un forno ad arco elettrico, vengono determinati in funzione del valore di reattanza che si desidera raggiungere. I reattori aggiuntivi permettono di intervenire sulla gestione della potenza reattiva rispetto a quella attiva (la reattanza, infatti, produce una differenza di fase tra la corrente e la tensione del circuito, permettendo la regolazione del fattore di potenza), influenzando così la stabilità dell’arco.

È uno scopo del presente trovato mettere a punto un metodo di alimentazione elettrica di un forno elettrico ad arco che aumenti l’efficienza del processo di fusione.

È anche scopo del presente trovato, mettere a punto un metodo di alimentazione elettrica di un forno elettrico ad arco che riduca, fino ad eliminare gli effetti negativi generati dalle fluttuazioni di energia elettrica del forno elettrico.

E pure scopo del trovato mettere a punto un metodo di alimentazione elettrica di un forno elettrico ad arco che permetta di ridurre il tempo di ciascun ciclo di fusione.

E anche uno scopo del presente trovato, realizzare un apparato di alimentazione elettrica di un forno elettrico ad arco che sia semplice ed economico.

E pure scopo del trovato realizzare un apparato di alimentazione elettrica di un forno elettrico ad arco che sia efficiente, e riduca i tempi di ciascun ciclo di fusione.

È anche scopo del trovato, realizzare un apparato alimentazione elettrica di un forno elettrico ad arco che abbia ingombri contenuti, ammettendo comunque di raggiungere un valore di reattanza che permetta il buon funzionamento dell’impianto.

Per ovviare agli inconvenienti della tecnica nota e per ottenere questi ed ulteriori scopi e vantaggi, la Richiedente ha studiato, sperimentato e realizzato il presente trovato.

ESPOSIZIONE DEL TROVATO

Il presente trovato è espresso e caratterizzato nelle rivendicazioni indipendenti. Le rivendicazioni dipendenti espongono altre caratteristiche del presente trovato o varianti dell’idea di soluzione principale.

In accordo con i suddetti scopi, un metodo di alimentazione elettrica di un forno elettrico ad arco, secondo il presente trovato, comprende: - la fornitura di tensione e corrente di rete alternata mediante una rete elettrica di alimentazione, ad una frequenza di rete predefinita;

- la trasformazione di dette tensione, corrente e frequenza di rete in tensione, corrente e frequenza di base alternate, ed in cui detta tensione e corrente di base sono selettivamente impostabili, e detta frequenza di base è sostanzialmente uguale alla suddetta frequenza di rete;

- la raddrizzatura, di detta tensione e corrente di base con una pluralità di raddrizzatori per ottenere una tensione ed una corrente in continuo; - la conversione, con una pluralità di convertitori, di detta tensione e corrente in continuo in una tensione e corrente di alimentazione alternata selettivamente impostabile mediante un’unità di controllo e comando collegata a detti convertitori;

- l’alimentazione di detta tensione e corrente di alimentazione ad una pluralità di elettrodi del forno elettrico.

Secondo un aspetto del trovato, durante ciascuna fase di un ciclo di fusione di detto forno elettrico, l’unità di controllo e comando è provvista di dispositivi di regolazione che regolano una frequenza elettrica di alimentazione di detta tensione e corrente di alimentazione degli elettrodi, in modo indipendente dalla suddetta frequenza di rete, ottenendo una regolazione, eventualmente anche istantanea, della reattanza dell’apparato di alimentazione elettrica del forno elettrico.

La possibilità di regolare la frequenza elettrica di alimentazione del forno elettrico permette di:

- migliorare la stabilità dell’arco e pertanto il trasferimento di energia nel tempo;

- ridurre l’entità del flicker nella rete elettrica.

Una regolazione della frequenza elettrica di alimentazione ha un impatto diretto sul valore della reattanza e pertanto sul fattore di potenza con il quale viene alimentato il forno; la stabilità dell’arco e pertanto il trasferimento di potenza al materiale da fondere è fortemente legata a questo parametro.

La reattanza induttiva è, infatti, determinabile dalla seguente relazione:

in cui:

Xr è il valore della reattanza induttiva [Ohm]

f è la frequenza elettrica di alimentazione [Hz]

L è il valore dell’ induttanza [H] che solitamente è legato alle dimensioni e alla geometria di realizzazione dei componenti induttivi. Da tale relazione è possibile apprezzare che, a parità di reattanza induttiva, un incremento della frequenza di alimentazione permette di ridurre il valore dell’ induttanza e pertanto le dimensioni fisiche dei componenti induttivi. Il valore di induttanza è un parametro fisico che dipende da diversi fattori quali i materiali del nucleo magnetico, la geometria, la disposizione degli avvolgimenti, e il numero di spire. Pertanto fissata una geometria ed il materiale, a parità di valore di reattanza, l’aumento di frequenza, e quindi la riduzione dell’induttanza può comportare anche una riduzione degli spazi. Ciò permette pertanto di ridurre gli ingombri di installazione degli apparati di alimentazione di energia elettrica.

Forme realizzative del presente trovato si riferiscono anche ad un apparato di alimentazione elettrica di un forno elettrico ad arco comprendente:

- un trasformatore collegato ad una rete elettrica di alimentazione di una tensione, e corrente di rete alternata e configurato per trasformare tale tensione e corrente di rete alternata, avente una frequenza di rete predefinita, in una tensione e corrente di base alternata avente una frequenza di base uguale alla frequenza di rete;

- una pluralità di raddrizzatori collegati al trasformatore e configurati per trasformare la tensione e corrente di base in tensione e corrente elettrica in continuo;

- una pluralità di convertitori collegati a detti raddrizzatori e configurati per convertire la tensione e corrente in continuo in una tensione e corrente di alimentazione alternata, detti convertitori essendo collegati ad elettrodi di detto forno di fusione e ad un’unità di controllo e comando configurata per controllare e comandare il funzionamento di detti convertitori per regolare nel tempo la tensione e corrente di alimentazione.

In accordo con un aspetto del presente trovato, l’unità di controllo e comando è provvista di dispositivi di regolazione configurati per regolare, durante ciascuna fase di un ciclo di fusione di detto forno elettrico, la frequenza elettrica di alimentazione dell’energia elettrica di alimentazione, in modo indipendente dalla frequenza di rete, ed ottenere così una conseguente variazione della reattanza di detto apparato di alimentazione.

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI

Queste ed altre caratteristiche del presente trovato appariranno chiare dalla seguente descrizione di forme di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo, non limitativo, con riferimento agli annessi disegni in cui:

- la fig. 1 è un diagramma che illustra la variazione nel tempo dei parametri elettrici applicati agli elettrodi durante un ciclo di fusione in accordo con la tecnica nota;

- la fig. 2 è una illustrazione schematica di un apparato di alimentazione elettrica di un forno elettrico ad arco in accordo con forme realizzative del presente trovato;

- la fig. 3 è un diagramma che illustra la variazione nel tempo dei parametri elettrici applicati agli elettrodi durante un ciclo di fusione con carica a ceste in accordo con forme realizzative del presente trovato; - la fig. 4 è un diagramma che illustra la variazione nel tempo dei parametri elettrici applicati agli elettrodi durante un ciclo di fusione con carica in continuo di rottame in accordo con forme realizzative del presente trovato;

- la fig. 5 è un diagramma che illustra la variazione nel tempo dei parametri elettrici applicati agli elettrodi durante un ciclo di fusione con carica in continuo di ferro da riduzione diretta, anche denominato DRI in accordo con forme realizzative del presente trovato.

Per facilitare la comprensione, numeri di riferimento identici sono stati utilizzati, ove possibile, per identificare elementi comuni identici nelle figure. Va inteso che elementi e caratteristiche di una forma di realizzazione possono essere convenientemente incorporati in altre forme di realizzazione senza ulteriori precisazioni.

DESCRIZIONE DI FORME DI REALIZZAZIONE

Forme realizzative del presente trovato si riferiscono ad un apparato di alimentazione elettrica, indicato nel suo complesso con il numero di riferimento 10 (fìg. 2) e configurato per alimentare elettricamente un forno elettrico 11 ad arco.

Il forno elettrico 11 comprende un contenitore 12, o tino, nel quale materiale metallico M viene introdotto per essere successivamente fuso. Il caricamento del materiale metallico M può avvenire mediante l’impiego di ceste, ovvero in modalità discontinua come descritto con riferimento alla fig. 3, o in modalità continua come descritto con riferimento alle figg. 4 e 5.

Nel caso illustrato nelle figg. 3 e 4 è previsto il caricamento di materiale metallico M comprendente rottame. Nella soluzione realizzativa illustrata in fig. 5 è previsto il caricamento di materiale metallico M in forma di DRI.

Il forno elettrico 11 è provvisto, inoltre, di una pluralità di elettrodi 13, nel caso illustrato tre elettrodi 13 configurati per innescare un arco elettrico attraverso il materiale metallico M e fonderlo.

Secondo forme realizzative del presente trovato, gli elettrodi 13 sono installati su dispositivi di movimentazione 14 configurati per movimentare selettivamente gli elettrodi 13 in avvicinamento/allontanamento al/dal materiale metallico M.

I dispositivi di movimentazione 14 possono essere scelti in un gruppo comprendente almeno uno fra un attuatore meccanico, un attuatore elettrico, un attuatore pneumatico, un attuatore idraulico, un meccanismo articolato, un cinematismo meccanico, organi simili ed assimilabili o una possibile combinazione dei precedenti.

In accordo con una possibile soluzione realizzativa del presente trovato, nel caso in cui il numero di elettrodi 13 sia tre, ciascuno di essi è collegato ad una rispettiva fase di alimentazione dell’apparato di alimentazione 10.

In accordo con forme realizzati ve del presente trovato, l’apparato di alimentazione 10 comprende almeno un trasformatore 15 collegato ad una rete elettrica 16 di alimentazione di tensione e corrente alternata di rete e configurato per trasformare la tensione e corrente alterna di alimentazione di rete, in una tensione e corrente alternata di base.

Secondo una possibile soluzione realizzativa del trovato, la rete elettrica 16 può essere trifase.

In accordo con realizzazioni del trovato, la tensione di rete “Ur”, e la corrente di rete “Ir”, hanno una frequenza di rete “fr” predefnita.

In accordo con possibili soluzioni realizzative, la frequenza di rete “fr” è un valore scelto fra 50Hz e 60Hz, ovvero in ragione della frequenza della rete elettrica del paese in cui viene installato il forno.

In accordo con possibili soluzioni realizzative del presente trovato, il trasformatore 15 può comprendere un primario di trasformatore 17 accoppiato magneticamente ad almeno un secondario di trasformatore 18.

In accordo con una possibile soluzione realizzativa del trovato, il trasformatore 15 può comprendere una pluralità di secondari di trasformatore 18 accoppiati magneticamente al primario di trasformatore 17. Tale soluzione realizzativa permette di ridurre l’impatto dei disturbi lato rete, ovvero di ridurre il contenuto armonico e la potenza reattiva scambiata in rete dalla combinazione del trasformatore 15 e del raddrizzatore 19.

La tensione e corrente di base fornita dal trasformatore 15 ha una tensione di base “Ub”, una corrente di base “Ib”, ed una frequenza di base “fb”, predefmite e impostate dalle caratteristiche di progetto del trasformatore 15 stesso.

In particolare, la frequenza di base “fb” è sostanzialmente uguale alla suddetta frequenza di rete “fr” sopra identificata.

La tensione di base “Ub”, la corrente di base “Ib” sono invece correlate rispettivamente alla tensione di rete “Ur”, ed alla corrente di rete “Ir” dal rapporto di trasformazione del trasformatore 15 stesso.

Il trasformatore 15, ad esempio del tipo multi-tap, può essere provvisto di dispositivi di regolazione, non illustrati, previsti per regolare selettivamente il rapporto di trasformazione elettrico del trasformatore 15 in relazione alle specifiche esigenze.

L’apparato 10, secondo il presente trovato, comprende, inoltre, una pluralità di raddrizzatori 19 collegati al trasformatore 15 e configurati per trasformare la tensione e corrente alternata di base in tensione e corrente in continuo.

Nello specifico, i raddrizzatori 19 permettono di raddrizzare la tensione Ub e la corrente di base Ib, alternata, in rispettive tensioni e correnti continue.

I raddrizzatori 19 possono essere scelti in un gruppo comprendente un ponte a diodi e un ponte a tiristori.

In accordo con una possibile soluzione realizzativa, i raddrizzatori 19 comprendono dispositivi, ad esempio scelti in un gruppo comprendente Diodi, SCR (Silicon Controlled Rectifier), GTO (Gate Turn-Off thyristor), IGCT (Integrated Gate-Commutated Tyristor), MCT (Metal-Oxide Semiconductor Controlled Tyristor), BJT (Bipolar Junction Transistor), MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) e IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor).In accordo con un ulteriore aspetto del trovato, l’apparato 10 comprende una pluralità di convertitori 20 collegati ai raddrizzatori 19 e configurati per convertire la tensione e corrente in continuo in una tensione e corrente alternata di alimentazione degli elettrodi 13.

In accordo con una possibile soluzione realizzativa, i convertitori 20 comprendono dispositivi, ad esempio scelti in un gruppo comprendente SCR (Silicon Controlled Rectifier), , GTO (Gate Turn-Off thyristor), IGCT (Integrated Gate-Commutated Tyristor), MCT (Metal-Oxide Semiconductor Controlled Tyristor), BJT (Bipolar Junction Transistor), MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), e IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor).

I convertitori 20 sono collegati agli elettrodi 13 del forno di fusione 11 e ad un’unità di controllo e comando 21 configurata per controllare e comandare il funzionamento dei convertitori 20 e per regolare nel tempo l’energia alternata di alimentazione agli elettrodi 13.

Nello specifico l’unità di controllo e comando 21 controlla in modo i suddetti convertitori 20 in modo da selettivamente impostare i parametri della suddetta tensione e corrente di alimentazione alternata.

In accordo con un aspetto del presente trovato, l’unità di controllo e comando 21 è provvista di dispositivi di regolazione 22 configurati per regolare la frequenza elettrica di alimentazione “fa” della tensione e corrente di alimentazione alternata ed ottenere una contestuale variazione del valore di reattanza del circuito di alimentazione degli elettrodi.

Nello specifico, la tensione e corrente di alimentazione hanno una tensione di alimentazione Ua, ed una corrente di alimentazione la, che vengono selettivamente regolate in relazione alle potenze di fusione in gioco.

In accordo con possibili soluzioni realizzative del presente trovato, i dispositivi di regolazione 22 possono comprendere a solo titolo esemplificativo un modulatore ad isteresi, o un modulatore PWM (Pulse-Width-Modulation).

Tali tipologie di modulatore possono essere utilizzati per comandare i dispositivi a semiconduttore dei raddrizzatori 19 e convertitori 20. Tali modulatori, opportunamente controllati, generano valori di tensione o corrente da attuare agli elettrodi 13. In particolare, il modulatore elabora tali valori di tensione e corrente e produce dei comandi di azionamento quantomeno dei raddrizzatori 19 e dei convertitori 20 affinché ai morsetti di collegamento agli elettrodi 13 siano presenti le grandezze di tensione e corrente richieste dal controllo. Le tensioni e correnti da attuare sono il risultato di operazioni fatte dall’unità di controllo e comando sulla base delle grandezze lette dal processo e sulla base del modello del processo.

In accordo con possibili soluzioni realizzative, i raddrizzatori 19 possono essere collegati ai convertitori 20 mediante almeno un circuito intermedio 23 che lavora in corrente continua.

Il circuito intermedio 23 è configurato per immagazzinare energia elettrica in continuo e generare una separazione tra gli elettrodi 13 e i raddrizzatori 19, e pertanto con la rete elettrica 16.

In particolare, le fluttuazioni rapide di potenza derivanti dal processo vengono in parte filtrate tramite il circuito intermedio 23 riducendone l’impatto lato rete elettrica 16.

L’unità di controllo e comando 21 può essere inoltre configurata per regolare i parametri di tensione di alimentazione Ua e di corrente di alimentazione la generati dai convertitori 20 e fomiti agli elettrodi 13.

Soluzioni realizzative del presente trovato, prevedono che l’unità di controllo e comando 21 sia collegata, a sua volta, anche al dispositivo di movimentazione 14 per permettere una regolazione della posizione degli elettrodi 13 in relazione alle diverse fasi di processo di fusione.

In particolare, gli elettrodi 13 vengono movimentati dal dispositivo di movimentazione 14 per inseguire la posizione del materiale e pertanto modificare la lunghezza dell’arco.

In questo modo l’unità di controllo e comando 21 può gestire e comandare, in relazione alle specifiche fasi del processo almeno i seguenti parametri: tensione di alimentazione Ua, corrente di alimentazione la, frequenza elettrica di alimentazione “fa”, e posizione degli elettrodi 13. L’elevata possibilità di controllo dei diversi parametri permette di ottimizzare il trasferimento di energia al processo e al contempo una riduzione degli effetti sulla rete elettrica 16 derivanti dalle rapide variazioni di potenza lato forno.

Secondo possibili soluzioni realizzative, il trasformatore, i raddrizzatori 19, collegati al trasformatore 15, ed i convertitori 20 definiscono nel loro insieme un modulo di alimentazione 24.

In accordo con una possibile forma realizzati va del trovato, l’apparato 10 può essere provvisto di una pluralità di moduli di alimentazione 24, collegati in parallelo fra loro, ed alla rete elettrica 16 ed al forno elettrico 11.

La combinazione di più moduli di alimentazione 24 permette di ottenere un apparato 10 scalabile come dimensioni in relazione alla specifica taglia del forno elettrico 11 che deve essere alimentato.

In accordo con una possibile soluzione realizzativa, l’unità di controllo e comando 21 è collegata a tutti i moduli di alimentazione 24 per controllare almeno i rispettivi convertitori 20 in modo che ciascun modulo fornisca gli stessi valori di tensione Ua, corrente la, e frequenza elettrica “fa” di alimentazione agli elettrodi 11. In questo modo è possibile evitare malfunzionamenti dell’intero sistema.

In accordo con una possibile soluzione realizzativa, l’apparato 10 può comprendere un induttore configurato per ottenere la reattanza complessiva dell’apparato voluta.

L’induttore 25 può essere collegato a valle dei convertitori 20 e viene dimensionato in modo da raggiungere la reattanza equivalente totale desiderata. In questo modo è possibile ottenere una reattanza complessiva che è data dal contributo dell’induttore 25 e dalla reattanza introdotta dai conduttori che collegano il sistema al forno.

In linea generale, l’induttanza è un parametro (di progetto) che non è modificabile una volta costruito il componente.

Modificando la frequenza (rispetto ad es. i 50Hz di rete) è possibile, a parità di induttanza, cambiare il valore di reattanza che assume il componente nel circuito e pertanto raggiungere il valore di reattanza equivalente totale desiderata.

Secondo una possibile soluzione realizzazione (figg. 3-5), il ciclo di fusione comprende almeno una fase di perforazione del materiale metallico, ed una fase di fusione.

In accordo con possibili forme realizzative (figg. 3 e 4) il ciclo di fusione può comprendere anche una fase di affinazione del materiale fuso.

In particolare, durante la fase di perforazione gli elettrodi 13 vengono avvicinati al materiale metallico M solido scaricato, per innescare l’arco eletrico ed avviare la fusione del materiale metallico M. Via via che il materiale metallico M si fonde gli elettrodi 13 penetrano nella parte ancora solida del materiale metallico M per fonderla progressivamente. Quando gli elettrodi 13 raggiungono una posizione interna al contenitore 12, inizia la fusione vera e propria del rimanente materiale metallico M che circonda gli elettrodi 13.

In accordo con una possibile soluzione realizzativa (fig. 3), la fase di perforazione e la fase di fusione possono essere ripetute più volte prima della fase di affinazione e fra esse è prevista una fase di caricamento di ulteriore materiale metallico M nel forno elettrico 11.

Ad esempio con riferimento alla fig. 3, si prevede di effettuare una carica del materiale metallico, perforare con gli elettrodi la carica metallica e fondere quest’ultima. Tale sequenza operativa viene ripetuta per tre volte ad ogni caricamento del materiale metallico M.

In accordo con le soluzioni illustrate nelle figg. 4 e 5, si prevede il caricamento sostanzialmente in continuo che viene avviato prima della fase di perforazione e prosegue fino al raggiungimento del completo riempimento del forno e durante la fase di fusione del materiale metallico.

Secondo una possibile soluzione realizzativa del trovato, la frequenza elettrica di alimentazione “fa” viene variata durante il processo di fusione in modo che nella fase di perforazione la frequenza elettrica di alimentazione “fa” abbia almeno un primo valore fi, nella fase di fusione abbia almeno un secondo valore f2 inferiore al primo valore f1.

Secondo una possibile soluzione realizzativa, nella fase di affinazione (figg. 3 e 4) la frequenza di alimentazione “fa” ha un almeno terzo valore f3 inferiore al secondo valore f2.

In particolare, con l’espressione almeno un valore, si intende che il valore che di volta in volta la frequenza di alimentazione assume deve essere comunque sempre, o inferiore o superiore a quelli assunti nella fase precedente. In accordo con una possibile soluzione realizzativa, il primo valore fi è un valore superiore alla frequenza di rete “fr”.

Secondo possibili soluzioni realizzative, durante la fase di perforazione la frequenza elettrica si alimentazione fa può assumere, nel tempo, una pluralità dei primi valori fi che sono sempre superiori alla frequenza di rete “fr”.

In accordo con una possibile soluzione realizzativa, la fase di fusione può prevedere che la frequenza di alimentazione “fa” può assumere una pluralità dei suddetti secondi valori f2 che sono inferiori ai suddetti primi valori f1 .

Secondo possibili soluzioni realizzative, la fase di affinazione può prevedere che la frequenza di alimentazione “fa” assuma una pluralità dei suddetti terzi valori f3 che sono inferiori ai suddetti secondi valori f2. In particolare si può prevedere che, in ragione del controllo applicato, i suddetti primi valori f1 , secondi valori f2 e terzi valori f3 siano variabili continuamente nel tempo, ad esempio mediante controlli in retroazione.

Secondo una possibile soluzione realizzati va, il suddetto primo valore f1 è maggiore di almeno il 5%, preferibilmente di almeno il 10%, rispetto alla frequenza di rete “fr”.

La possibilità di regolare la frequenza, e ad esempio di aumentare la stessa rispetto la frequenza di rete fr permette di aumentare la reattanza totale equivalente e migliorare la stabilità dell’arco nella fase di perforazione.

La possibilità di regolare la frequenza, e ad esempio di ridurre la stessa permette di ridurre le perdite indotte sui conduttori, ad esempio dovute all’ effetto pelle, e quindi aumentare l’efficienza del sistema.

In accordo con un’ulteriore soluzione realizzati va del presente trovato, il secondo valore f2 della frequenza elettrica di alimentazione “fa”, durante la fase di fusione, è variabile fra 0,9 e 1,1 volte la frequenza di rete “fr”.

Durante la fase di fusione, infatti la potenza elettrica fornita agli elettrodi 13 aumenta. Tramite l’unità di controllo e comando 21 i riferimenti di tensione Ua e corrente di alimentazione la vengono modificati in modo da aumentare la potenza attiva dato che l’arco si presume ormai coperto e distante dalla volta del forno, e pertanto il rischio di danneggiamento di quest’ultima viene evitato. In questa fase l’arco è più stabile in quanto protetto dal rottame o dalla scoria.

In accordo con un’ulteriore soluzione realizzativa del presente trovato, il terzo valore 13 della frequenza di alimentazione “fa” durante la fase di affinazione è compreso fra 0,3 e 0,5 volte la frequenza di rete fr. Durante la fase di affmazione, infatti, il processo è molto più stabile e inoltre richiede meno potenza. Di conseguenza è possibile abbassare la frequenza garantendo una sufficiente stabilità anche se la reattanza totale equivalente viene ridotta.

Con il presente trovato pertanto, una volta determinati dal processista dei punti di lavoro del forno elettrico 11 in termini di potenza, tensione, corrente, fattore di potenza, l’unità di controllo e comando 21 cerca di inseguire tali punti di lavoro anche mediante la regolazione effettuata in continuo della frequenza di alimentazione “fa”.

Con il presente trovato è pertanto possibile, mediante la regolazione della frequenza durante le diverse fasi del processo, ottimizzare i parametri elettrici in ciascuna fase. Innanzitutto, si possono contenere le dimensioni (e quindi il costo) dell’induttanza, utilizzandola al meglio delle possibilità in affinazione.

Attraverso la topologia elettrica adottata per i convertitori è, inoltre, possibile preservare la rete elettrica dai disturbi dovuti al processo fusorio (riduzione flicker, armoniche, Power Factor, etc..), garantendo al tempo stesso la stabilità dell’arco in tutte le fasi.

La possibilità di modificare la frequenza di alimentazione degli elettrodi rispetto quella di rete, inoltre, rende più agevole il dimensionamento dei componenti induttivi in condizioni di spazi/costi limitati, ne migliora lo sfruttamento dei conduttori, riducendo la resistenza e quindi le perdite del sistema.

A parità di impedenza d’arco, aumentando la frequenza, aumenta la reattanza induttiva e diminuisce il fattore di potenza equivalente verso il carico, che migliora la stabilità dell’arco (utile quando ad esempio il rottame non è ancora fuso e l’arco non è molto protetto) evitandone lo spegnimento.

E chiaro che al metodo di alimentazione elettrica del forno elettrico 11 ad arco e al relativo apparato 10 fin qui descritto possono essere apportate modifiche e/o aggiunte di parti, senza per questo uscire dall’ambito del presente trovato.

E anche chiaro che, sebbene il presente trovato sia stato descritto con riferimento ad alcuni esempi specifici, una persona esperta del ramo potrà senz’altro realizzare molte altre forme equivalenti del metodo di alimentazione elettrica del forno elettrico 11 ad arco e del relativo apparato 10, aventi le caratteristiche espresse nelle rivendicazioni e quindi tutte rientranti nell’ambito di protezione da esse definito.

Nelle rivendicazioni che seguono, i riferimenti tra parentesi hanno il solo scopo di facilitare la lettura e non devono essere considerati come fattori limitativi per quanto attiene all’ambito di protezione sotteso nelle specifiche rivendicazioni.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo di alimentazione elettrica di un forno elettrico (11) ad arco, comprendente: - la fornitura, mediante una rete elettrica (16), di una tensione di rete (Ur), ed una corrente di rete (Ir) aventi una frequenza di rete (fr) predefmita; - la trasformazione, con un trasformatore (15) di detta tensione di rete (Ur) e corrente di rete (Ir) in una tensione di base (Ub) ed una corrente di base (Ib) selettivamente impostabili, ed aventi una frequenza di base (fb) sostanzialmente uguale alla suddetta frequenza di rete (fr); - la raddrizzatura, di detta tensione di base (Ub) e corrente di base (Ib) con una pluralità di raddrizzatori (19) per ottenere una tensione e corrente elettrica in continuo; - la conversione, con una pluralità di convertitori (20), di detta tensione e corrente elettrica in continuo in una tensione di alimentazione (Ua) e corrente di alimentazione (la) alternate selettivamente impostabili mediante un’unità di controllo e comando (21) collegata a detti convertitori (20); - l’alimentazione di detta tensione di alimentazione (Ua) e corrente di alimentazione (la) ad una pluralità di elettrodi (13) del forno elettrico (11), caratterizzato dal fatto che durante ciascuna fase di un ciclo di fusione di detto forno elettrico (11), dispositivi di regolazione dell’unità di controllo e comando (21) regolano una frequenza elettrica di alimentazione (fa) di detta tensione di alimentazione (Ua) e corrente di alimentazione (la), in modo indipendente dalla suddetta frequenza di rete (fr), ottenendo una regolazione, eventualmente anche istantanea, della reattanza dell’apparato di alimentazione (10) elettrica del forno elettrico (11).
2. 2. Metodo come nella rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto ciclo di fusione comprende almeno una fase di perforazione del materiale metallico (M), ed una fase di fusione, e che nella fase di perforazione la frequenza elettrica di alimentazione (fa) ha almeno un primo valore (f1), nella fase di fusione ha almeno un secondo valore (f2) inferiore al primo valore (f1).
3. 3. Metodo come nella rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto primo valore (f1) è maggiore di almeno il 5%, preferibilmente di almeno il 10%, rispetto alla frequenza di rete (fr).
4. 4. Metodo come nella rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detto secondo valore (f2) della frequenza elettrica di alimentazione (fa) è variabile fra 0,9 e 1,1 volte la frequenza di rete (fr).
5. 5. Metodo come in una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 4, caratterizzato dal fatto che detto ciclo di fusione comprende una fase di affmazione del materiale fuso, e che nella fase di affinazione detta frequenza elettrica di alimentazione (fa) ha un terzo valore (f3) inferiore al secondo valore (f2).
6. 6. Metodo come nella rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto terzo valore (f3) della frequenza di alimentazione (fa) è compreso fra 0,3 e 0,5 volte la frequenza di rete (fr).
7. 7. Apparato di alimentazione elettrica di un forno elettrico (11) ad arco comprendente: - un trasformatore (15) collegato ad una rete elettrica (16) di alimentazione di un una tensione di rete (Ur) e di una corrente di rete (Ir), aventi una frequenza di rete (fr) predefinita, detto trasformatore (15) essendo configurato per trasformare detta tensione di rete (Ur) e detta corrente di rete (Ir) rispettivamente in una tensione di base (Ub) ed una corrente di base (Ib) alternate; - una pluralità di raddrizzatori (19) collegati al trasformatore (15) e configurati per trasformare detta tensione di base (Ub) e detta corrente di base (Ib) in tensione e corrente elettrica in continuo; - una pluralità di convertitori (20) collegati a detti raddrizzatori (19) e configurati per convertire tensione e corrente in continuo in una tensione e corrente di alimentazione alternata, detti convertitori (20) essendo collegati ad elettrodi (13) di detto forno elettrico (11) e ad un’unità di controllo e comando (21) configurata per controllare e comandare il funzionamento di detti convertitori (20) e regolare nel tempo detta tensione di alimentazione (Ua) e corrente di alimentazione (la), caratterizzato dal fatto che detta unità di controllo e comando (21) è provvista di dispositivi di regolazione (22) configurati per regolare, durante ciascuna fase di un ciclo di fusione di detto forno elettrico (11), la frequenza elettrica di alimentazione (fa) di detta tensione di alimentazione (Ua) e corrente di alimentazione (la), in modo indipendente dalla frequenza di rete (fr), ed ottenere una regolazione della reattanza di detto apparato di alimentazione (10).
8. 8. Apparato come nella rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto trasformatore (15), detti raddrizzatori (19), collegati a detto trasformatore (15), e detti convertitori (20) definiscono nel loro insieme un modulo di alimentazione (24), e che detto apparato (10) può essere provvisto di una pluralità di moduli di alimentazione (24), collegati in parallelo fra loro, ed a detta rete elettrica (16) ed a detto forno elettrico (11).
9. 9. Apparato come nella rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detta unità di controllo e comando (21) è collegata a tutti i moduli di alimentazione (24) per controllare almeno i rispettivi convertitori (20) in modo che ciascun modulo fornisca gli stessi valori di tensione (Ua), corrente (la), e frequenza elettrica (fa) di alimentazione a detti elettrodi (11).
10. 10. Apparato come in una qualsiasi delle rivendicazioni da 7 a 9, caratterizzato dal fatto che detti elettrodi (13) sono installati su dispositivi di movimentazione (14) configurati per movimentare selettivamente detti elettrodi (13) in avvicinamento/allontanamento al/dal materiale metallico (M), e che detta unità di controllo e comando (21) è collegata, a sua volta, anche a detto dispositivo di movimentazione (14) per permettere una regolazione della posizione di detti elettrodi (13) in relazione alle diverse fasi di processo di fusione.