Un forno ad arco elettrico (EAF) a controllo manuale, con un operatore esperto che regola la presa del trasformatore e la posizione degli elettrodi a occhio, può ottenere risultati rispettabili. Un EAF che opera con un sistema di automazione di Livello 2 ben calibrato può ridurre il tempo di accensione dell'8-12%, il consumo di elettrodi del 10-15% e il consumo di energia elettrica di 20-40 kWh per tonnellata. La differenza non è trascurabile. Per un impianto da 500.000 tonnellate all'anno che paga 0,08 dollari per kWh, un risparmio di 30 kWh/tonnellata si traduce in 1,2 milioni di dollari all'anno.
MONTE INTELLIGENCE integra i sistemi di controllo di processo nei nostri pacchetti di fornitura per forni elettrici ad arco (EAF). Questo articolo illustra l'architettura di controllo, gli algoritmi che la governano e le sfide pratiche di implementazione.
L'automazione di Livello 1 gestisce il controllo in tempo reale: regolazione degli elettrodi, controllo del sistema idraulico e regolazione del flusso di raffreddamento ad acqua. Queste funzioni vengono eseguite su controllori logici programmabili (PLC) con tempi di ciclo compresi tra 10 e 50 millisecondi. Il sistema di regolazione degli elettrodi è la funzione più critica del Livello 1: deve mantenere una lunghezza dell'arco stabile nonostante le perturbazioni dovute al movimento dei rottami, alla formazione di schiuma di scoria e alle fluttuazioni di tensione della rete elettrica.
La regolazione degli elettrodi basata sull'impedenza è l'approccio standard. Il regolatore misura la tensione e la corrente dell'arco, calcola l'impedenza (Z = V/I) e regola la posizione dell'elettrodo per mantenere il valore di riferimento dell'impedenza. Il valore di riferimento varia durante il processo di fusione: maggiore impedenza durante la fase di fusione dei rottami per proteggere il guscio del forno dalle radiazioni dell'arco, minore impedenza durante la fase di bagno piatto per massimizzare la potenza in ingresso.
I moderni regolatori utilizzano un controllo adattivo del guadagno: i guadagni proporzionale e integrale del circuito PID si regolano automaticamente in base alle condizioni operative. Quando l'arco è instabile (ad esempio, a causa di cedimenti del materiale di scarto o variazioni della scoria schiumosa), i guadagni aumentano per garantire una risposta più rapida. Quando l'arco è stabile, i guadagni diminuiscono per evitare movimenti inutili dell'elettrodo che aumenterebbero il consumo dell'elettrodo stesso e l'usura del sistema idraulico.
L'automazione di Livello 2 fornisce l'ottimizzazione del livello di riscaldamento che si colloca al di sopra del controllo in tempo reale di Livello 1. Il sistema di Livello 2 riceve le specifiche del grado di acciaio dal sistema di gestione della produzione (MES) dell'impianto, calcola i setpoint ottimali per ciascuna fase del riscaldamento e li scarica nel sistema di Livello 1. Al termine del riscaldamento, il sistema di Livello 2 analizza le prestazioni rispetto agli obiettivi e regola i setpoint per il riscaldamento successivo in base ai risultati.
Il profilo termico in un sistema di Livello 2 suddivide il ciclo del forno ad arco elettrico (EAF) in fasi distinte: caricamento del cestello 1, fusione 1, caricamento del cestello 2, fusione 2, raffinazione e spillatura. Ogni fase ha dei setpoint target per la tensione dell'arco, la corrente dell'arco, la portata di ossigeno, la velocità di iniezione del carbonio e il funzionamento del bruciatore. Il sistema di Livello 2 regola questi setpoint in base alla miscela di rottami effettiva, alla temperatura di spillatura desiderata e al contenuto di carbonio target.
Le applicazioni delle reti neurali nel controllo dei forni ad arco elettrico (EAF) sono passate dalla fase di ricerca ai sistemi di produzione. L'applicazione più comune è la previsione del punto finale, ovvero la stima della temperatura del bagno e del contenuto di carbonio al termine del ciclo di riscaldamento, basandosi su dati di processo in tempo reale, senza dover attendere un'analisi chimica. Una rete neurale addestrata su dati storici relativi ai cicli di riscaldamento può prevedere la temperatura finale con una precisione di ±15 °C e il contenuto di carbonio finale con una precisione di ±0,02% per l'85-90% dei cicli.
Gli input della rete di previsione del punto finale includono l'energia elettrica cumulativa, il volume cumulativo di ossigeno, il carbonio iniettato cumulativo, la temperatura e la composizione dei gas di scarico (CO, CO2, H2), l'aumento della temperatura dell'acqua di raffreddamento e il tempo trascorso. La rete apprende le relazioni tra queste variabili e le condizioni del punto finale da migliaia di cicli di riscaldamento storici. Una volta addestrata, fornisce una stima in tempo reale che consente all'operatore di intraprendere azioni correttive – regolare il flusso di ossigeno, aggiungere carbonio, prolungare o accorciare il ciclo di riscaldamento – prima che il campionamento confermi il punto finale effettivo.
La gestione predittiva dell'energia è una funzionalità che diventa importante quando un forno ad arco elettrico (EAF) opera su una rete elettrica con risorse limitate. L'EAF rappresenta un carico elettrico elevato e altamente variabile. I costi di potenza richiesti dalla rete elettrica possono aumentare il costo dell'energia di 5-15 dollari per MWh. Un sistema di gestione predittiva dell'energia utilizza il profilo termico per prevedere la domanda di energia con 5-15 minuti di anticipo e gestisce il carico in modo da rimanere entro i limiti di potenza contrattuali. Se la previsione supera il limite, il sistema può ridurre temporaneamente la presa del trasformatore, regolare la posizione degli elettrodi per ridurre la corrente o ritardare l'avvio della successiva colata.
L'infrastruttura dati rappresenta spesso il collo di bottiglia nell'implementazione del controllo avanzato di processo. Il sistema necessita di dati provenienti dai PLC (Livello 1), dal sistema di gestione energetica, dall'analizzatore dei gas di scarico, dal sistema di misurazione della temperatura e dal sistema informativo di laboratorio. I dati devono essere sincronizzati temporalmente con una precisione di un secondo. Molti impianti scoprono, durante gli aggiornamenti di automazione, che la loro infrastruttura dati esistente non è in grado di supportare questi requisiti, e gli aggiornamenti di rete e del database diventano una parte significativa del costo del progetto.
MONTE INTELLIGENCE collabora con i principali fornitori di automazione per offrire sistemi di controllo integrati per forni elettrici ad arco (EAF). Il nostro ambito di attività comprende la definizione delle specifiche del sistema di controllo, l'ingegneria di integrazione, la messa in servizio e la formazione degli operatori.
Per discutere del controllo di processo specifico per la configurazione del vostro forno, contattate helenxu@cnlymonte.com.
