Brevet FR2018343A1 — publié le 19700529

L'invention a pour objet un procédé pour exploiter plusieurs fours de fusion électriques en utilisant, pour chaque four, des courbes caractéristiques de consommation électrique différentes et prédéterminées, courbes de consommation en fonction du temps, la puissance électrique totale prélevée sur le réseau d'alimentation étant limitée. Le fonctionnement habituel d'un four à arc, au cours de la fusion d'acier fin à partir d'une charge solide, comporte les phases opératoires suivantes: chargement, fusion, affinage, désoxydation, addition d'éléments d'alliage et coulée. (Sisco Kriz: Das Elektrostahlverfahren, Springer Verlag, Berlin 1929; Sommer Pollak: Elektrostahlerzeugung, Düsseldorf 1950, page 200). Pendant la nhase de chargement, les électrodes et la cuve du four sont séparées les unes de l'autre, de sorte que le réseau ne débite cas sur le four0 La durée de chargement est variable et dépend largement des moyens de chargement (goulotte, panier) du type de riblons (copeaux, chutes de lingots) et des dimensions du four. La fusion s'effectue à pleine charge, après le chargement et après que le couvercle comportant les électrodes ait été placé sur la cuve du four. C'est la phase de charge maximale du réseau de distribution électrique. Le puissanc4e absorbée pendant la phase de fusion est propre à chaque four, c'est-à-dire que les transformateurs ne sont pas calculés uniquement en fonction des dimensions spécifiques du four ou du poids du bain, mais également en fonction du désir d'obtenir les temps de fusion les plus courts. Il faut noter que l'on peut utiliser des fours dits à grande vitesse, ou fours UHP (Ultra High Power). On sait tue l'opération de fusion est accélérée par insufflation d'oxygène ou par apport complémentaire d'énergie d'un mélange huileoxygène ou gaz-oxygène. La phase d'affinage a pour bur de brûler, selon les besoins, le carbone et d'autres éléments, particulierement pour abaisser le teneur en phosphore jusqu'à une valeur prédéterminée et pour éliminer de l'acier les gaz et les éléments en suspension par un vigoureux travail du bain. Pendant l'opération d'affinage, le consommation de courant diminue; en général, la puissance est réduite graduellement. Pendant la désoxydation, pour éliminer l'oxygène et les inclusions non métalliques qui se sont formées pendant la désulfuration et l'addition des éléments d'alliage, la puissance @@@ maintenue régulièrement à un niveau qui assure la compensation des déperditions extérieures de chaleur. Comme on le sait d'après la littérature (Sommer Pollak, @@@ citatus, page 266), la puissance absorbée par une installation comportant 3 fours électriques, pendant la durée de la fusion, par être celle représentée sur la fig. 1. Pour des raisons de simpli@@@ lion, les mêmes durées de fiision ont été prévues pour tous le four représentés. Les fours électriques sont exploités ectuellement de tell que chaque four est "autonome" en ce nui concerne son aliments mon en courant, ce oui vPut dire qu'il n'y a ps.s à cet égard synchro tion entre les modes d'exploitation des différents fours. En cours d'exploitation, il peut arrivewr, par exemple, que certaines période des phases de fusion de plusieurs fours coincident accidentellement, ce qui conduit à des pointes de consommation qui surchargent les entreprises de distribution d'électricité très au-delà de la moyenne d'exploitation habituelle, comme on le voit sur la fig. 2 donnant les variations de la charge d'un four sur 24 heures. Pour de telles pointes de consommation, less entreprises de distribution d'électricité doivent maintenir prêts des générateurs électriques de complément (chaudières à vapeur, turbines) qu'elles sont toutefois pas besoin de mettre en service lorsque le prélèvement de courent est régulier. On arrive donc à un gaspillage considérable d'énergie si les entreprises de distribution d'électricité cherchent donc vues pour des pointes de courant qui peuvent ne pas être du tout utilisées. Les entreprises de distribution d'électricité cherchent donc à obliger par contrat les industries consommatrices de courant, dans le cas présent les aciéres électriques, à assurer un prélèvement de courant aussi régulier que possible, comme c'est le cas par exemple de l'électrolyse ignée dans l'industrie de l'aluminium. Les accords contractuels stipulent que la puissance absorbée qui a été convenue ne doit pas être dépassée, c'est-à-dire: - que les entreprises de distribution d'électricité s'energent à livrer une puissance élevée, mais susceptible d'être dépassée (le prix de la peuissance fournie augmente avec son importance). - ou bien que, dans le cas où la puissance contractuelle correspondant à la somme des points de puissance possibles, est faitle, les utilisateurs sont obligés d'accentuer des réductions ou des arrêts fréquents des fours dans les phases dangereuses. Des pertes de pro duction en sont 'n conséquence. Afin d'éliminer les inconvénients précipités, une aciérie anglaise a entrepris des essais relatifs à la commande des opérations pour une installation comportant plusieurs fours (R.S.Howes : Some Developments in Electric Steelmaking at Templebourough, Journal of the Iron and Steel Institute, mars 1968). Cette commande évite les pointes de charge en arrêtant certains fours pendant la période de fusion, la consommation théorique et la consommation effective étant constamment comparées par une calculatrice et le four chargé en dernier étant mis hors circuit. Ce procédé pour conséquence des pertes de production du fait de l'arrêt des fours. Une aciérie allemande a effectué des essais analogues nour obtenir des valeurs d'exploitation renroductibles, selon lesquelles la fusion est effectuée en comparant les consommations théoriques et les consommations effectives, ces valeurs étant obtenues à partir des statistiques de consommation d'énergie des installations de fourselectriques, compte tenu de la qualité des riblons, etc. (Schönert : Zeitschrift für Elektrowärme N 11, 1965). Un autre constructeur de fours allemand développa ce principe sous le nom de "Programelt" en utilisant un calculateur. Le but de ces travaux est de développer à l'avenir cette commande "Programelt" pour. la mise en marche et l'arrêt automatiques des fours électriques de fusion de l'acier. Certes, l'état de 19 technique permet d'étaler ces pointes de. courant et d'éviter les pénalisations prévues par les accords avec les entreprises de distribution de courant, m?is les nroblèmes de rdduction de puissance ainsi que les pertes de production qui en dd- coulent d'utilisation défectueuse des fours et d'acrroissement des frais ne sont pas résolus. L'objet de l'invention est d'éliminer aussai largement que Dossible ces limitations d'exploitation des aciéries électrioues et d'es- surer une exploitation plus efficace en mettant à disposition un mode de travail lié à un programme de calculateur. Dans ce but, l'invention propose, en premier lieu, après addition des nuissances électriques totales absorbées nour différentes combinaisons possibles, de déterminer les courbes caractéristiques les plus favorables parmi les courbes possibles susceptibles d'être utilisées au choix pour chaque four et d'exploiter les fours selon ces courbes. Cette détermination peut être faite à l'aide de programmes linéaires ou non. Selon une autre caractéristique de l'invention, ce procédé est utilisé pour exploiter des fours à arc électrique. Le procédé selon l'invention peut également être utilisé pour exploiter des fours de fusion à arc électrique pour la fabrication des alliages de for, en particulier de l'acier. Pour résoudre le problème posé par l'invention, il est prévu d'utiliser des calculateurs, en particulier des calculateurs électroniques, pour déterminer le programme d'exploitation. Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé peut également être appliqué à des fours dont les courbes indiquent des prélèvements de puissance variable, fonction du temps. Conformément à l'invention, les fours doivent être exploités pendant au moins 42 heures sur la base du programme déterminé. Le procédé conforme à l'invention est en outre caractérisé par le fait que le programme d'exploitation est déterminé de la base de courbes caractéristiques groupant les courbas individuelles techniquement possibles. Le programme de fusion est avantageusement contrtlé, de façon continue, par exemple toutes les heures, lorsqu'il se produit des perturbations, et il est à noiveau modifié lorsqu'il y a risque de pointes de courant. C'est en tenant compte des variations des paramètres tels que la durée de fusion, la différence de temps entre des périodes de fusion comparables, le dénut des périodes de fusion des fours présents en fonctionnement, le prélèvement de puissance maximal possible, la période s'écoulant entre deux fusions d'un même four et la limitation du prélèvement de puissance qui influe sur la d'virée de la fusion, l'invention prévoit l'établissement d'un programme selon le ouel les fours doivent être ex"loités. L'invention va maintenant être décrite et expliquée plus en détail. Selon les dimensions du four et la puissance des transformateurs nour chaque four individuel, on obtient une courbe spécifique (nuissance électrique en fonction du temns de fusion). Cette courbe ne dépend pas exclusivement de ces deux paramètres. La charge de riblons, la fusion du bSin en présence d'oxygène et d'autres éléments louent également un rôle important pour déterminer la courbe caractéristique, car l'industriel qui a irne fois effectué des fusions en présen- ce d'oxygène s'en tiendra à l'avenir à ce procédé. Il faut donc éta blir une différence entre les courbes spécifiques constantes du four déterminées d'après les donnes et des modes d'exploitation du four invariables et les temps de traitement qui sont obtenus en fonctions de variables telles que la qualité de l'acier fini, le degré de nureté, etc. Pour améliorer le système, il convient, afin de tenir compte des temps de fusion qui peuvent être différentes, de constituer des groupes de courbes caractéristiques avec des temps de fusion différentes qui sont représentatifs, par exemple, d'un chargement unique ou d'un chargement multiple, de l'état du garnissage des fours, du type des riblons, etc. En outre, il est possible d'étendre la constitution de groupes à l'ensemble du processus de fusion, c'est-à-dire aussi à la phase de désoxydation et à la phase d'alliage. Le but visé par l'invention, à savoir d'exploiter le four de telle sorte qu'il ne se produise pas de pointes de consommation, impose la séquence selon laquelle doivent être associés les différentes fours ou leurs caractéristiques. On sait aussi que la forme de la courbe caractéristique de chaque four varie pendant l'ensemble de la période de fusion et qu'elle a tendance à s'chaisser vers la fin de la fusion. On peut admettre que cette courbe garde ses caractéristiques individuelles tout ou long de la campagne du four. En conservant les courbes caractéristiques supposées normalisées, le mode de fonctionnement des fours en combinaison les uns avec les autres est le suivant : - la courbe caractéristique du four II, représentée sur la fig. 1, conserve toujours sa position zéro; - la courbe caractéristique du four III est d'abord maintenue constante et la courbe caractéristique du four IV est déclarée vers la droite par tranchers de 10 minutes seccessives; après chaque décelage, on effectue l'addition des puissances des différents fours dans les 25 tranches de 10 minutes envisagées; - la courbe caractéristique du four III est à son tour déclarée vers la droite par tranche de 10 minutes. Pour chaque décalage de la caractéristique du four III, 1- caractéristique du four IV est décalée 25 fois. Pour chaque décalage d'une tranche de la courbe III, combiné aux 25 décalages de la courbe IV, on additionne les puissances correspondantes. Ce calcul permet de connaître, pendant toute la durée de la fusion (250 minutes), et par tranches de 10 minutes, le prélèvement total de puissance de tous les fours pour chaque combinaison de dé celage des courbes des fours par trenches de 10 minutes. On obtient une vue d'ensemble de décalages en séquences pour lesquels la puissence maximale en @@ sur toute la durée de la charge n'est pas atteinte, ou pour lesquels on descend en dessous. Etant donné que ces combinaisons en séquence "sans danger" des courbes caractéristiques ne se produisent pas de façon sporadique, mais constituent des zones qui peuvent être fixées avec précision, il est possible, en définissant des limites de temps, de réagir avec suffisamment de souplesse aux variations de courbes caractéristiques des fours, inhérentes à leur fonctionnement. La nécessité de faire fonctionner les fours dans des conditions "sans danger" est exclusivement limitée à la durée de la charge correspondant à la qualité d'acier à produire. Pour déterminer les zones et lse limites de cette exploitation "sans danger", on prend pour base les courbes caractéristiques. Après entrée des combinaisons de séquence instantanées, le calculateur n'a plus qu'à choisir et à exprimer les durées de charge et/ ou les qualités permettant d'exploiter le four sans danger. Exemple : Combinaison instantanée de séquence (Fig. 1) Four II 50 min. Four III 150 mine Four IV O min. Les fours ont à traiter des charges des durées suivantes : Four II 200 min. Four III 300 min. Four IV 200 min. La nouvelle combinaison de séquence obtenue est Four II 50 + 200 = 250 min. Four III 150 + 300 = 450 min. Four IV 200 + O = 200 min. Etant donné que le four II doit conserver sa position zéro, à partir de laquelle sont définies les limites des zones sans danger, il faut transposer : Imposé : tII = 0 mon. c'est-à-dire : y = 250 min. il s'ensuite que : tII - y = 250 - 250 = 0 min. tIII - y = 450 - 250 = 200 min. Etant donné que : tIV # y, il en résulte, tIV - y = z # 200 - 250 = -50 min. tIV = 250 - z A 250 + (-50) = 200 min. Une comparaison avec les limites définies montre si la combinaison de séquence est possible. Si elle ne l'est pas, il faut choisir une autre combinaison de temps (# de qualité). L'avantage apporté par l'invention consiste dans la possiblité d'exploiter une installation de fours électriques, de façon qu'il ne se produise pas de pointes de courant, c'est-à-dire de façon à éliminer les réductions de puissance qui diminuent la production et donc de faire fonctionner les fours de façon continue et à pleine charge. L'invention englobe également des variantes du mode de mise en oeuvre indiqué dans les revendications annexées et concerne surtout l'ensemble. des caractéristques qui sont divulguées isolément ou en combinnisons dsns la description et les figures du dessin. REVENDICATIONS 1- Procédé pour exploiter plusieurs fours de fusion électriques en utilisant, pour chaque four, des courbes caractéristiques de consommation électrique différentes et prédéterminées - courbes de consommation en fonction du temps - la puissance électrique totale prélevée dans le réceau d'elimination étant limitée, caractérisé en ce que, après addition des puissances électriques totales absorbées pour différentes combinaisons possibles, on détermine par exemple par un programme linéaire ou non les courbes caractéristiques les plus favorables parmi les courbes possibles susceptibles d'être utilisées au choix pour chaque four, et qu'on exploite les fours selon ces courbes. 2,- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour exploiter des fours à arc électrique. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour exploiter des fours de fusion à arc électrique pour la fabrication des alliances de fer, en particulier de l'acier. 4.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il utilise des calculateurs, en particuliers des calculateurs électroniques, pour déterminer le programme d'exploitation. 5.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est appliqué à des fours dont les corbes indiquent des prélèvements de puissance variables, fonction du temps. 6.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les fours sont exploités sur la base d'un programme déterminé pour au moins 12 heures. 7.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 5,caractérisé en ce que les fours sontexploités sur la base d'un programme déterminé pour au moins 36 heures. 8.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les fours sont exploités sur la base d'un programme déterminé pour au moins 42 heures. 9.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le programme d'exploitation est déterminé sur la base de courbes carctéristiques groupant des courbes individuelles techniquement possibles. 10.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, carctérisé en ce que le programme de fusion est avantageusement contrôlé, de façon continue, par exemple toutes les heures, lorsqu'il se produit des perturbations, et il est à nouveau modifié lorsqu'il y a risque de pointes de courant. 11.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que c'est en tenant compte des variations des paramètres, tels que la durée de fusion, la différente de temps entre des périodes de fusion comparables, le début des périodes de fusion des fours présents en fonctionnement, le prélèvement de puissance maximal possible, la période s'écoulant entre deux fusions d'un même four et la limitation du prélèvement de puissance qui influe sur la durée de la fusion, qu'est établi le programme selon lequel les fours sont exploités.