ITUD970138A1 - Procedimento di controllo alimentazione per forno elettrico ad arco - Google Patents

Description

Descrizione del trovato avente per titolo :

" PROCEDIMENTO DI CONTROLLO ALIMENTAZIONE PER FORNO ELETTRICO AD ARCO

CAMPO DI APPLICAZIONE

Forma oggetto del presente trovato un procedimento di controllo alimentazione per forno elettrico ad arco come espresso nella rivendicazione principale.

Il trovato si applica nel settore siderurgico per regolare e controllare l'alimentazione dei forni elettrici ad arco, in particolare nella fase di avvio del ciclo di fusione, allo scopo di ridurre i tempi complessivi del ciclo e per ottenere un risparmio nella potenza totale fornita.

STATO DELLA TECNICA

E' noto che nei forni elettrici ad arco per la fusione del metallo, all'avvio del ciclo di fusione, ossia subito dopo la carica di rottame all'interno del forno, la potenza elettrica fornita attraverso gli elettrodi presenta sempre un valore ridotto rispetto alla massima potenza disponibile.

Ciò è dovuto al fatto che, data la consistenza del carico di rottami, vi sono elevati pericoli di corto circuito tra gli elettrodi e di instabilità dell'arco elettrico.

Inoltre, nel caso di notevole disponibilità di potenza, gli elettrodi stessi possono essere soggetti ad elevate sollecitazioni meccaniche che possono anche provocarne la rottura o quanto meno il danneggicimento.

Ancora, vi è il rischio che a causa dell'irraggiamento l’arco colpisca i pannelli laterali di raffreddamento del forno danneggiandoli o rompendoli.

Attualmente, la disponibilità di potenza viene inizialmente fornita con un valore ridotto allo scopo di ridurre i rischi sopra citati e poi incrementata, dopo un definito intervallo di tempo, fino al massimo valore disponibile compatibile con le attrezzature di fusione e con le esigenze del ciclo.

Detto intervallo di tempo viene normalmente definito in base all'esperienza operativa e l'aumento della potenza erogata al forno avviene dopo un periodo tale da garantire sufficienti condizioni di sicurezza che prevengano i sopra menzionati rischi di cortocircuiti e di sollecitazioni pericolose per gli elettrodi.

Detto intervallo di tempo, essendo definito priori, viene fissato in modo da garantire dette condizioni di sicurezza anche nelle situazioni più sfavorevoli e più a rischio, risultando nella maggior parte dei casi sovradimensionato rispetto alle reali e specifiche esigenze.

A causa di ciò, in tutti questi casi di sovradimensionamento dei tempi di attesa per l'avvio dell'erogazione della massima potenza il ciclo di fusione viene inutilmente prolungato, con ovvie conseguenze di allungamento dei tempi e di consumi eccessivi di potenza.

Per risolvere questo inconveniente da lungo tempo lamentato dagli operatori del settore e per ottenere ulteriori vantaggi, la proponente ha studiato, sperimentato e realizzato il presente trovato.

ESPOSIZIONE DEL TROVATO

Il presente trovato è espresso e caratterizzato nella rivendicazione principale.

Le rivendicazioni secondarie espongono varianti all'idea di soluzione principale.

Lo scopo del trovato è quello di realizzare un procedimento di controllo dell'alimentazione elettrica per un forno elettrico ad arco in cui sia possibile determinare caso per caso l'istante temporale, ovvero un intorno di esso con un margine di sicurezza predefinito, in cui si può aumentare l'erogazione della potenza elettrica al forno senza correre rischi di cortocircuiti o di pericolose sollecitazioni agli elettrodi o di irraggiamento dell'arco verso i pannelli laterali.

In altre parole, il trovato si propone di individuare un procedimento in cui sia possibile identificare in tempo sostanzialmente reale, nel corso della prima fase del ciclo di fusione, la cessazione delle situazioni di rischio suddette e quindi sia possibile dare il consenso all'erogazione della massima potenza disponibile in funzione delle specifiche condizioni che si concretizzano in una specifica situazione.

Con il trovato, pertanto, si riduce la durata della fase preliminare a bassa potenza che caratterizza i cicli di fusione nei forni elettrici ad arco e quindi si riduce il tempo di ciclo complessivo, con conseguenti vantaggi in termini di numero di cicli eseguiti in un arco di tempo definito ed in termini di risparmio energetico.

Secondo il trovato, il procedimento prevede di controllare ed analizzare dinamicamente le grandezze elettriche del forno nella loro evoluzione al procedere del ciclo di fusione e di confrontarle con dei valori relativi ad un modello assunto come situazione di riferimento.

Detta situazione di riferimento, costruita ad esempio in base a prove sperimentali dopo aver fissato un certo numero di parametri iniziali quali dimensione del forno, profilo di fusione, tipo e formato della carica ed altro ancora, permette di realizzare un modello di confronto in cui è individuabile la zona di transizione in cui si passa da una situazione a rischio ad una situazione di sicurezza.

Tale zona di transizione è caratterizzata da uno specifico andamento delle grandezze elettriche, sia in termini temporali che in termini di contenuto armonico.

Rilevando dinamicamente dette grandezze elettriche nel corso dello specifico ciclo di fusione, e confrontandole con i valori di riferimento di detto modello, il trovato permette di individuare sostanzialmente in tempo reale, ed in modo sufficientemente sicuro, la cessazione della situazione di rischio e permette di fornire il consenso al raggiungimento dell'erogazione massima di potenza in condizioni di sostanziale sicurezza. Il trovato permette così di passare ad alta potenza non appena possibile e quindi minimizza, caso per caso ed in modo dinamico e specializzato, i tempi complessivi del ciclo di fusione.

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI

Le figure allegate sono fornite a titolo esemplificativo, non limitativo, ed illustrano alcune soluzioni preferenziali del trovato.

Nelle tavole abbiamo che:

- la fig.1 illustra un grafico tempo/potenza di un ciclo standard di fusione in un forno elettrico ad arco;

- le figg. 2 e 3 illustrano schematicamente il sistema di alimentazione rispettivamente per forno elettrico in corrente continua e per forno elettrico in corrente alternata;

- la fig. 4 illustra uno schema a blocchi del procedimento secondo il trovato.

DESCRIZIONE DEI DISEGNI

In fig.1 è indicato schematicamente un possibile profilo di fusione per forno elettrico ad arco.

Con To è indicato l'istante di inizio fusione, T1 indica la fine della fase di abbattimento rottami condotta normalmente a bassa o media potenza, indica la fine della fusione vera e propria eseguita con la potenza al suo valore massimo disponibile, mentre T3 indica la fine della fase di affinazione e quindi la fine del ciclo completo.

La durata del periodo fra T1 e To, ossia del periodo in cui avviene l'abbattimento dei rottami caricati all'interno del forno ed il forno viene alimentato con valori bassi o medi di potenza, è la durata che il trovato vuole ridurre, anticipando il più possibile l'inizio dell'erogazione della potenza massima e quindi riducendo di conseguenza i tempi complessivi del ciclo con conseguente risparmio energetico.

Le figg. 2 e 3 illustrano due possibili schemi elettrici per l'alimentazione controllata, rispettivamente, di un forno a corrente continua (DC) e di un forno a corrente alternata (AC).

In dette figure, le parti comuni presentano gli stessi numeri di riferimento.

Con 10 è indicato il forno elettrico ad arco, al cui interno si posiziona l'elettrodo, o gli elettrodi, superiore/i 11 e sulla cui suola, nel caso di forno DC, sono presenti gli elettrodi di fondo 12.

L'elettrodo superiore 11 è controllato da un sistema 13 di regolazione, idraulico od elettrico, della posizione 14 asservito in retroazione al gruppo di controllo 15 che gestisce il funzionamento del forno 10.

La potenza elettrica di alimentazione del forno 10 viene prelevata dalla rete a media tensione 16 e trasformata da opportuni trasformatori, rispettivamente 17a per il forno DC e 17b per il forno AC.

Nel caso di forno DC, a valle del trasformatore 17a è presente un sistema di regolazione 18 con valvole a tiristori comandato dal gruppo di controllo 15, mediante il quale può essere controllato il profilo della potenza inviata al forno 10 attraverso gli elettrodi 11 e 12.

Cadaun sistema a valvole a tiristori 18 è seguito da un relativo induttore 19.

Sulla linea di alimentazione, a monte ed a valle del trasformatore, sono presenti gruppi di misura 20 e 21 che inviano i loro segnali al gruppo di controllo 15 per mantenere sotto controllo le grandezze elettriche del forno 10.

Nel caso di forno AC, l'induttore 19 è posto a monte del trasformatore 17b, mentre in parallelo alla linea di alimentazione è presente una batteria di condensatori di rifasamento 22.

Il trovato prevede di mantenere costantemente sotto controllo l'evoluzione delle grandezze elettriche di alimentazione del forno, vale a dire tensione e corrente, per verificare, utilizzando modelli di riferimento ottenuti sperimentalmente, quando le situazioni di rischio correlate alla fase iniziale del ciclo di fusione possano considerarsi cessate con un ragionevole margine di sicurezza .

Il procedimento secondo il trovato prevede di eseguire , su dette grandezze elettriche , o un ' analisi temporale o un ' analisi spettrale od entrambe dette analisi , allo scopo di ottenere i parametri da utilizzare nel confronto con il detto modello di riferimento.

Secondo il trovato, l ' analisi temporale prevede la determinazione di specifici parametri statistici relativi all'andamento nel tempo della tensione e/o della corrente di alimentazione del forno.

In una soluzione del trovato, il parametro statistico, dinamicamente calcolato e confrontato con il valore del modello di riferimento dal gruppo di controllo 15, è la varianza, ossia il quadrato dello scarto quadratico rispetto al valore medio, della specifica grandezza elettrica di alimentazione del forno, tensione o corrente.

Quando la varianza del segnale analizzato e controllato assume un valore che, al di là di una soglia di sicurezza definita, è assimilabile allo specifico valore del modello di riferimento, si ha un'indicazione della cessazione delle situazioni di rischio e può essere dato il consenso all'aumento del livello di potenza fornito al forno.

In un'altra soluzione, alternativa o combinata alla precedente, il controllo viene eseguito analizzando lo spettro di frequenze delle grandezze di alimentazione del forno, ossia analizzando il loro contenuto armonico per ricavare indicazioni dinamiche sul comportamento del forno.

Anche in questo caso, il confronto continuo del contenuto armonico delle effettive grandezze di alimentazione del forno con i corrispettivi valori del modello di riferimento permette di individuare la cessazione delle situazioni di rischio e quindi il consenso in sicurezza all'aumento di potenza.

Lo schema a blocchi di fig. 4 riassume schematicamente quanto sopra esposto.

Secondo tale schema, vi è una preliminare scelta di un modello di riferimento 23 in base alle caratteristiche del forno elettrico 10 ed al profilo di potenza voluto, con determinazione 24 de parametri relativi alla zona di transizione fra una situazione di rischio ed una non di rischio.

Tali parametri vengono memorizzati in una precisa area di memoria del gruppo di controllo 15.

Dall'altro lato, una volta avviato il ciclo di fusione, vi è la selezione/combinazione 25 dei segnali elettrici, quali la tensione V o la corrente I, da utilizzare per il controllo.

Se viene utilizzata l'analisi su base temporale, vi è una procedura 26 di determinazione dei parametri statistici, ad esempio la varianza, su cui effettuare il confronto.

Se viene utilizzata l'analisi su base spettrale, vi è prima una trasformazione 27 tempo/frequenza, e poi una procedura 28 di determinazione del contenuto armonico del segnale trasformato.

Come detto, entrambe le analisi possono essere utilizzate ed i risultati combinati, ad esempio per motivi di sicurezza.

Ottenuti i valori dei parametri selezionati viene avviato il confronto 29 con i valori del modello di riferimento, previa determinazione 30 dei valori di soglia di cui tener conto in funzione dei voluti livelli di sicurezza.

Quando la fase di confronto determina la cessazione delle condizioni di rischio per corto circuiti o sollecitazioni agli elettrodi 11, il gruppo di controllo 15 può attivare la selezione 31 della fase successiva del profilo di potenza, ossia il passaggio all'erogazione di potenza massima.

Tale intervento del gruppo di controllo 15 prevede di agire, in funzione della tipologia di forno 10, o sul comando delle valvole a tiristori 32, o sul tapchanger 33 o sul comando di sollevamento elettrodi 34.

Con questo procedimento quindi, l'avvio dell'erogazione della potenza massima avviene sempre, ed in maniera specializzata per tipo di forno e per condizioni di fusione, non appena se ne determinano le condizioni in regime di sicurezza, ciò portando ad una riduzione dei tempi complessivi del ciclo e ad un rilevante risparmio energetico.·

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1 - Procedimento di controllo alimentazione per forno elettrico ad arco, siano essi forni AC o forni DC, detti forni prevedendo un ciclo di fusione che prevede la carica del rottame eseguita al tempo T0, una fase iniziale di abbattimento dei rottami a bassa e media potenza avente durata (T1 - T0), una fase di fusione alla massima potenza avente durata (T2 - T1) ed una fase di affinazione avente durata (T3 - T2), caratterizzato dal fatto che prevede l'individuazione dinamica dell'intorno dell'istante di cessazione delle situazioni di rischio all'interno del forno con conseguente consenso all'avvio dell'erogazione della massima potenza, detta individuazione dinamica essendo asservita al controllo ed all'analisi delle grandezze elettriche, tensione e corrente, di alimentazione del forno. 2 - Procedimento come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che prevede la determinazione dinamica dell'andamento di parametri caratteristici di dette grandezze elettriche ed il loro confronto con parametri di riferimento per l'identificazione della cessazione di situazioni di rischio all'interno del forno. 3 - Procedimento come alla rivendicazione 1 o 2, aratterizzato dal fatto che i parametr caratteristici di dette grandezze elettriche d alimentazione del forno sono di tipo temporale. 4 - Procedimento come alla rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che il parametro temporale caratteristico confrontato con i valori di riferimento è la varianza. 5 - Procedimento come alla rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che i parametri caratteristici di dette grandezze elettriche di alimentazione del forno sono di tipo spettrale. 6 - Procedimento come alla rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che il parametro spettrale confrontato con i valori di riferimento è il contenuto armonico delle grandezze elettriche. 7 - Procedimento come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che prevede di determinare le soglie di sicurezza intervenenti nella fase di confronto fra parametri dinamicamente ricavati e parametri di riferimento. 8 - Procedimento come alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che adotta i contenuti di cui alla descrizione ed ai disegni,