Brevet FR2518352A1 — publié le 19830617

PROCEDE DE SURVEILLANCE DE LiSTA D'UNE FUSION A L'ARC La présente invention concerne l'électrométallurgie, et, plus précisément, les procédés de contrale de la fu- sion à l'arc d'après des paramètres indirects, notamment les procédés de surveillance de l'état de la fusion à l'arc. Elle peut entre appliquée en continu pour effectuer la surveillance de l'état de la fusion dans les fours à arc et la correction du processus de fusion en fonction du résultat de la mesure du paramètre à contrôler. On connais divers procédés de contrôle de la fusion et de surveillance de la fusion à l'arc, dans lesquels on choisit un paramètre de contrôle lié à la non-linéarité de l'arc et l'on compare ce paramètre à des valeurs de référence obtenues en s'appuyant sur l'analyse des fusions précédentes. Se rapportent à de tels paramètres, par exemple, le rayonnement de fréquence radioélectrique de l'arc, ap- paraissant dans les portions à résistance différentielle négative des arcs (voir par exemple le brevet Norvege n0125128 ). Le rayonnement de fréquence radioélectri- que est capté par des antennes pour ondes mérriques., incorporées dans le garnissage du four, et est utilise pour la surveillance de la fusion, consistant principalement à déterminer. les instants d'amorçage de l'arc découvert émettant le rayonnement vers le garnissage. On connais aussi un autre procédé de surveillance de l'état de la fusion à l'arc d'après des paramètres de contrôle l.iés à la non-linéarité de 11 arc. el est le procédé de contrôle de la fusion d'après les harmoniques superieurs du courant d'arc (voir par exemple le certificat d'auteur u R S S n0358 796 du i3.10.?0). Le principe de ce procédé de surveillance de la fusion à l'arc d'après les harmoniques supérieurs consiste à déduire d'un signal proportionnel aux valeurs instantanées du courant d'arc, les composantes harmoniques apparaissant par suite de la non-linéarité de l'arc, puis, par comparaison du rapport des amplitudes aes composantes déduites et de l'amplitude du premier harmonique (fondamental) avec une valeur de référence obtenue en s' appuyant sur l'analyse des fusions précédentes, à déterminer l'état réel de la fusion. On coenaft aussi un procédé de surveillance de l'état de la fusion à l'arc d'après les fluctuations de l'impédance du circuit d'arc (voir par exemple le brevet Japon n01309389, 1973). Le principe exploité dans ce procédé 'est pas lié directement à la non-linéarite' de l'arc; il est fondé sur le changement du caractère des écarts par rapport à la valeur moyenne de l'impédance, déterminé principalement par les caractéris-tiques physi- ques de la charge et du régulateur déplaçant les électrodes, et n'est applicable qu'à l'étape initiale de la fusion. Tous les procédés connus, décrits plus hart, de contrôle de la fusion d'après des paramètres indirects, ne permettent de surveiller l'état de la fusion à l'arc avec un degré de précision suffisamment élevé qutavec un temps important (quelques minutes)d1élaboration du paramètre de contrôle et sont préférentiellement applicables à l'étape de fusion de la charge. Lè procédé de surveillance de la fusion basé sur l'analyse harmonique--du-courant ne permet pas de déterminer les conditions se formant au cours de la fusion dans la zone d'un arc eoncret, vu le couplage des trois courants d'arc du four à arc. On s'est proposé d'élaborer un procédé de surveillance de l'état de la fusion à 11 arc qui rendrait possible- la détermination précise et raphide de l'état de la fusion à l'arc dans les zones de chacun des arcs du four à arc et n'exigerait pas un temps long pour l'élaboration du paramètre de contrôle. La solution consiste en un procédé de surveillance de l'état de la fusion à l'arc dans lequel on impose un paramètre de contrôle lié à la non-linéarité de 11 arc, ce paramètre étant différent pour les différents états de la fusion à l'arc, et l'on compare ce paramètre à des valeurs de référence obtenues en s t appuyant sur l'analyse des fusions précédentes, procédé dans lequel, d'après l'invention, on n'utilise en tant que paramètre de contrôle que les valeurs instantanées de la résistance (ohmique) de l'arc lui-même, et-on détermine ces valeurs au moins en une paire de points, l'un d'eux correspondant à la portion d'':ioL'çage de l'arc, et l'autre, à la valeur instantanée maximale du courant. Dans ce procédé, les points de mesure de la résistance de l'arc dans la portion d'amorçage sont choisis dans l'intervalle de 0,1 à 5% de la valeur instantanée maximale du courant. La détermination des valeurs instantanées de la résistance de l'arc s'effectue d'après les valeurs mesurées simultanément du courant et de la tension d'arc, compte tenu de la correction pour l'inductance du circuit d'arc, pour laquelle, afin d'assurer la précision requise des mesures, on mesure l'inductance du circuit d'arc au début de chaque période du courant, quand le courant passe par zéro, puis, d'après ces valeurs, on corrige la valeur de la tension d'arc mesurée dans la portion d'amorçage qui suit l'instant de la mesure de l'inductance, l'inductance du circuit d'arc étant déterminée comme étant le quotient des valeurs instantanées de la tension dans le circuit d'arc et de la vitesse de variation du courant dans ce circuit, mesurées à l'instant où le courant passe par zéro. L'avantage de l'invention consiste en ce que la résistance est un paramètre qui permet de déterminer directement le caractère de la non-linéarité de la caractéristique tension-courant de l'arc. Or c'est justement sur cette non-linéarité, surtout dans la portion d'amorçage de l'arc, que l'influence des paramètres technologiques de la fusion à l'arc est déterminante. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée par la description d'un mode de réalisation concret et par les dessins annexés, dans lesquels la figure 1 représente les courbes typiques du courant d'arc en fonction de la tension d'arc et les courbes typiques de la résistance de l'arc (valeurs instantanées) enfonction de la valeur instantanée du courant d'arc, obtenues lors d ' investigations et données pour expliquer le procédé faisant l'oojet de l'invention; la figure 2 représente le schéma synoptique d'un dis positif pour réaliser ce procédé. Pour mesurer l'inductance du circuit d'arc dans un circuit -triphaso s-ns neutre (dans un four à arc), outre la f.é,m. d'auto-induction dt s il faut tenir compte -de la f.é.m. indtlite dans le circuit de l'arc considéré par les courants variables des deux autres arcs. Vans les environs de l'instant où le courant de l'arc contrôlé passe par zéro, les deux autres arcs fonctionnent avec de forts courants, et l'addition à ces courants des petits courants du troisième, contrôléà la portion d'amorçage, ne change pas d'une manière sensible la-valeur de ces courants, ni leurs vitesses de variation.L'analyse mathématique et la vérification expérimentale subséquente ont permis d'établir que, dans la portion d'amorçage de l'arc, la f.é.m. supplémentaire, engendrée par les courants variables des deux autres arcs dans le circuit de l'arc à contrôler, e-st pratiquement constante. De la sorte, la tension d'arc dans la portion dtallumage peut s'écrire par la formule UR = U - U0 - L di dt , U étant la tension totale dans le circuit à charge complexe; l'inductance du circuit; i., le courant dans le circuit; Uo la f.é.m. induite par les courants des autres arcs.dans le circuit contrôlé. Comme UOCC U, en première approximation on peut le négliger. Ceci n'a pratiquement aucune-influence sur la qualité du contrôle de la fusion. Le procédé decrit plus haut de mesure des valeurs instantanées de la tension dans la portion d'amorçage de l'arc est applicable à tous les arcs, et, pour chaque arc, les vale.urs mesurées sont déterminées par les conditions concrètes dans sa zone de fonctionnement. La figure 1 représente, pour différents états du processus de fusion, les courbes typiques du courant d'arc en fonction de la tension d'arc (courbes 1, 2,-3, et 4) et les courbes correspondantes de la valeur instantanée de la résistance en fonction de la valeur instantanée du courant d'arc (courses 5, 6, 7). Les courbes 1 et 5 correspondent au fonctionnement de l'arc sur une charge solide Elles se transfoi?nant progressivement en courbes 2 et 6, observées lors de la fusion de la charge. Après addition des scorifiants, les courbes les plus caractéristiques ont l'allure des courbes 3 et 7 et le graphique correspondant à un court circuit est la droite 4.Ces courbes montrent explicitement que la résistance de l'arc dans la portion d'allumage reflète le mieux le déroulement de la fusion1 alors que la résistance sous courant maximal n'est pratiquement pas liée aux particularités de la fusion, ce qui permet de l'utiliser pour supprimer la dépendance des résultats des mesures des valeurs instantanées de la résistance dans la portion d'amorçage vis-à-vis de la longueur de l'arc. Pour une meilleure compréhension du procédé, considérons un schéma synoptique et le principe de son fonctionnement. Le schéma synoptique, représenté par la figure 2, d'un dispositif pour la mesure de la valeur instantanée de la résistance de l'arc dtum tour 8 à arc, est prévu pour la mesure dans la portion d'amorçage de l'arc de la phase 'spi' et quand le courant d'arc est maximal dans cette phase d'après les valeurs instantanées mesurées simultanément du courant et de la tension d'arc, compte tenu de la correction pour l'inductance du circuit d'arc (d'après le procédé faisant l'objet de l'invention). Ce dispositif comprend un capteur de courant 9 , par exemple, un amplificateur à impédance d'entrée proche de zéro, connecté à un transformateur de courant 10, un amplificateur commandé 11, corrigeant le signal de vitesse de variation du courant d'arc, prélevé à.la ceinture dtinduc- tion 12 (ceinture de Rogowski), un capteur de tension de phase 13, qui peut être un diviseur de tension résistif. Les sorties des capteurs sont raccordées aux entrées d'un bloc ae soustraction 15, dont les sorties sont raccordées aux entrées d'un bloc analogique de mémoire 16. Le capteur de courant 9 est raccordé à l'entrée du circuit de commande du bloc 16 par l'intermédiaire d'un bloc de polarisation 17. Les sorties des blocs analogiques de mémoire 14 et 16 sont raccordées aux entrées de conve.rtisseurs de division 18 et 19.Un bloc analogique kle mémoire peut entre réalisé, p.r exemple, en utilisant un amplificateur opérationnel à CraIlde impédance d'entrée, à l1 entrée duquel on monte un condensateur d'accumulation qui est branché à l'émetteur de signal d'entrée pour une durée pendant laquelle le signal d'entrée n"a pas le temps de changer (en l'occurrence, cette durée est de 0,5 10-6s). La commande du branchement est assurée par un indicateur de zéro qui élabore une impulsion de durée indiquée plus haut quand le signal attaquant l'entrée de commande pa.sse par zéro. Le bloc de polarisation 17 est, par exemple, un amplificateur additionneur, dont une entrée est attaquée par la polarisation réglable, de valeur se situant entre 0,1 et 5% de la valeur instantanée maximale du courant prélevé au bloc de mémoire analogique 14, et dont la seconde entrée est attaquée par le signal issu du capteur 9 de valeur instantanée du courant. Pour introduire la correction tenant compte du changement d'inductance, il.est prévu un bloc de correction d'inductance 20, dont les entrées sont raccordées aux capteurs 9 et 13 de courant et-de tension respectivement, et à la sortie de l'amplificateur de signal correcteur 11. Les convertisseurs de division 18 et 19 sont réalisés, par exemple, suivant le schéma d'un modulateur à variation de la largeur des impulsions. Dans le cas d'application du procédé faisant l'objet de l'invention avec emploi d'un ordinateur, l'opération de division peut être transférée à 1' ordinateur. Examinons le fonctionnement du dispositif, ce qui rendra encore plus clair la substance du procédé faisant l'objet de l'invention. A l'instant où le signal de vitesse de variation du courant passe par zéro (quand la valeur instantanée du courant est maximale), le bloc 14 enregistre simultanément la valeur instantanée du courant et de la tension. En outre, les signaux proportionnels à la valeur instantanée du courant attaquent le bloc 17 de polarisation, qui impose la position du point de mesure de la résistance de l'arc dans la portion d'amorçage. Bes signaux de valeurs instantanées de la tension et de la vitesse de variation du courant attaquent le bloc de soustraction 1,ruz lequel retranche une auto-induction de l'autre et fournit le signal de tension d'arc. Ce signal, conjointenent avec le signal de courant, attaque le bloc de mémoire 16, qui enregistre la valeur du courant et de la tension à l'instant où le courant passe par une valeur déterminée en pour-cent de la valeur maximale du courant et imposée par le bloc de polarisation 17. Les signaux de courant et de tension dans la portion d'amor çage, issus du bloc 16, attaquent le convertisseur dé division 19, lequel fournit à sa sortie un signal proportionnel à la valeur instantanée de la résistance de lrarc au point d'amorçage. La correction d'inductance s'effectue de la façon suivante. Le bloc 20 d'induction de la correction, l'amplifi- cateur commandé 11, le capteur de tension de phase quand le courant passe par zéro constituent un asservissement bouclé (pour une durée de 10-6 s), dont le signal d'écart est la différence entre les signaux de tension de phase et le signal de sortie de l'amplificateur 11. Grâce au fort gain de l'asservissement, le signal de désaccord tend à stan- nuler, et, par conséquent, le gain de l'amplificateur Il s'établit automatiquement à la valeur correspondant à la valeur actuelle de l'inductance. De la sorte, l'avantage principal du procédé faisant l'objet de l'invention, comparativement aux autres procédés connus, consiste en ce que l'on utilise, pour le contrôle du processus de fusion, des paramètres caractérisant directement la non-linéarité de la résistance de l'arc, et non pas des paramètres secondaires, par exemple les harmoniques du courant dus à cette non-linéarité et même, parfois, non liés à elle d'une manière univoque. L'invention est d'une. efficacité maximale quand elle est appliquée aux systèmes de controle automatisé au régime "conseiller de l'aciériste". L'application de l'invention permet de maintenir un régime énergétique optimal, en tenant compte des conaitions concrètes de la fusion dans la zone de chaque arc, ce qui donne la possibilité de réduire la durée de fusion de 10 à 15%, d'abaisser la consommation spécifique d t énergie électrique, de diminuer 1' usure du garnissage, d'optimaliser la composition et le temps d'introduction des scorifiants, et, enfin, cle prévenir l'apparition de situations d' avarie. REVND 10 AT IONS 1. Procédé de surveillance de l'état de la fusion à l'src dans lequel on choisit un paramètre de contrôle lié à la non-linéarité de l'arc, ce paramètre étant différent pour les différents états de la fusion à ltarc, et l'on compare ce paramètre à des valeurs deréférence obtenues en s'appuyant sur l'analyse des fusions précédentes, c a r a c t é r i s é en ce que l'on n'utilise en tant que paramètre de contrôle que les valeurs instantanées de la résistance (ohmique) de l'arc lui-même, et que If on détermine ces valeurs au moins en une poli: de points, l'un pris sur la portion d'amorçage de l'arc et l'autre pris à la valeur instantanée maximale du courant. 2. Procédé selon la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que les points de mesure de la résistance dans la portion d'amorçage, sont choisis dans l'intervalle de 0,1 à 5% de la valeur instantanée maximale du courant. 3. Procédé selon la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que les valeurs instantanées de la résistance de l'arc sont déterminées par mesure slmul- tanée des valeurs instantanées du courant et de la tension, et que l'on mesure supplémentairement l'inductance du circuit d'arc au début de chaque période du courant, quand le courant passe par zéro, puis, compte tenu de cette valeur, on corrige la valeur de la tension d'arc mesurée dans la portion d'amorçage qui suit 1 instant de la mesure de l'inductance, l'inauctance du circuit d'arc étant dé termnée comme étant le quotient des valeurs instantanées de la tension dans le circuit d'arc et de la vitesse devariation du courant dans ce circuit, mesurées à l'instant où le courant passe par zéro.