Brevet FR2525422A1 — publié le 19831021

La présente invention concerne un procédé de contrôle et d'équilibrage dans un four électrique, un four de fusion ou un four de chauffage auquel la puissance est appliquée par l'intermédiaire d'au moins une électrode et dans lequel le premier stade d'équilibre est établi en déplaçant les électrodes. Le brevet ZA 773923 décrit un système de contrôle de four électrique qui est basé sur l'observation des conditions existant dans le circuit secondaire. Selon ce système, des grandeurs sélectionnées de circuits primaire et secondaire sont mesurées et les résultats de mesure sont traités par ordinateur. Le traitement par ordinateur renforce le contrle du four de sorte que le comportement des inductances du circuit secondaire peut être prédit en fonction des autres modifications intervenant dans le four. Les grandeurs obtenues a l'aide de l'ordinateur sont encore appliquées aux dispositifs de contrôle du four afin de maintenir les conditions existant dans le four dans des limites prédeterminées par un mouvement, éventuellement nécessaire, des électrodes soit vers le bas, soit vers le haut. La réalisation pratique du système de contrôle selon le brevet 773923 exige que les inductances du circuit secondaire soient maintenues à des valeurs constantes et que, lorsque l'on emploie des valeurs constantes des inductances, les valeurs déterminées des résistgnces soient comparées a des valeurs de résistance prédéterminées approximativement. Dans ce cas, puisque la puissance transmise par les électrodes dépend beaucoup des valeurs de résistance utilisées, qui dans le système selon le brevet ZA 773923 dépendent grandement des valeurs prédéterminées, tous les réglages de puissance nécessaires au four doivent être principalement effectués en déplaçant les électrodes soit vers le bas soit vers le haut. Le contrôle de puissance d'un four électrique réalisé en déplaçant les électrodes est desavantageux en ce qui concerne les électrodes, puisque celles-ci sont par -onsé quent soumises, entre autres choses, à de grandes variations de température. Lorsque l'on utilise des électrodes autofrittant, dites de Sôderberg, la répartition de la température est cruciale pour le fonctionnement d'une électrode. La pâte pour les électrodes Soderberg est préparée en mélangeant un matériau contenant du carbone et du brai de goudron comme agent de liaison. Du point de vue qualitatif, les propriétés de la pâte peuvent être réparties en deux, la partie supérieure et la partie inférieure de la zone de frittage. La partie frittée inférieure peut être considérée comme une électrode complète dans laquelle les propriétés physiques du carbone solide sont importantes lorsque l'on considère le fonctionnement de l'électrode. Dans la partie supérieure, la principale condition imposée à la pâte est une bonne fluidité, puisqu'il est important que la pate s'écoule à température modérée et remplisse convenablement l'enveloppe. Dans ces conditions, il est important pour toute l'électrode de maintenir la hauteur de la pâte fondue et de la zone de frittage dans certaines limites.Les hauteurs de ces zones sont essentiellement affectées par la température. En ce qui concerne le fonctionnement de l'électrode, des hauteurs désavantageuses peuvent causer des problèmes allant meme jusqu'à la rupture des électrodes en deux parties. La présente invention a pour objet d'éliminer les inconvénients de la technique actuelle et de fournir un procédé de contrôle de la puissante & l'intérieur d'un four électrique en ajustant la tension entre les électrodes et, pour équilibrer la puissance entre les électrodes, en ajustant la vitesse d'avance en fonction de l'usure des électrodes. Le procédé de l'invention est notamment caractérisé en ce qu'au moment où l'équilibre désiré a été atteint, la puissance est contrôlée en ajustant la tension entre les électrodes au moyen de grandeurs mesurées dans le four électrique, auquel cas, les impédances, la réactance et la résitance du four peuvent varier librement et en même temps la vitesse d'avance des électrodes vers le bas est constante ou nulle et ce uniquement si, à la limite de la gamme de puissances désirées, la limite de la gamme du courant d'alimentation est également atteinte, compte tenu de la capacité d'alimenstation en puissance des électrodes et/ou des changements dans les conditions du four, un équilibrage est effectué en réglant la vitesse d'avance des électrodes une par une, le but étant de maintenir les extrémités de chaque électrode dans le même plan au cours de la séquence du processus, auquel cas les tendances calculées à partir des grandeurs mesurées dans le four et les variations mutuelles de ces tendances sont utilisées, et en ce qu'après avoir défini une nouvelle vitesse d'avance, le contrôle de puissance est ensuite effectué en ajustant la tension et ainsi de suite aussi longtemps qu un équilibre peut être maintenu par ce procédé. Selon l'invention, le point de départ fait que, pour contrôler la puissance appliquée au four, les électrodes ne sont pas déplacées vers le bas ou vers le haut, mais le but est de maintenir leurs extrémités en place, la puissance étant régulée en ajustant la tension entre les électrodes. Cependant, étant donné le procédé de fabrication l'électrode s'use de façon irrégulière, et étant donné que les changements intervenant dans le four entraînent des conditions dans lesquelles les différentes électrodes sont capables de recevoir des courants et des puissances différents à des instants différents, ces changements doivent être équilibrés par différents types d'alimentation des différentes électrodes du four.Selon le système de contrôle et d'équilibrage de l'invention, aucune tentative n'est faite à aucun stade pour rendre constants les parametres électrotechniques du four, à savoir la résistance R, l'inductance L et l'impédance Z, mais par contre, on tolère qu'ils varient librement en fonction de la'séquence du processus. Dans ces conditions, il est possible de réduire au minimum le mouvement des électrodes, donc d'obtenir un fonctionnement régulier des électrodes et d'éliminer la rupture des électrodes du fait des mouvements mécaniques. En outre, l'entretien des dispositifs mécaniques des électrodes est réduit et l'étanchéité entre le haut du our et les electrodes ne se détériorera pas et il n'y aura donc pas de fuite. Une forme de réalisation préférée de l'invention est illustrée avec davantage de détails ci dessous en se référant au dessin annexé qui représente le principe de fonctionnement du procédé de contrôle selon l'invention. Pour appliquer le procédé de contrôle selon l'invention, les grandeurs suivantes sont mesurées dans le four A. Courants de phase (I ) du circuit primaire du transfzrmateur p B. Courants de phase (I du circuit secondaire du transfor- mateur C. Courants des électrodes D. Puissance apparente par phase (Sp) du transformateJr p E. Puissance efficace par phase appliquée (P5) au foar Les limitations extérieures au contrôle selon l'invention proviennent uniquement des valeurs maximales admises pour les puissances et les courants du transformateur du four et des valeurs maximales des courants du système d'électrode et des rails conducteurs.Le contrôle est le suivant : d'après les grandeurs mesurées A-E, le contrôleur vérifie d'abord l'ensemble des conditions extérieures, qui ne doivent pas être dépassées, et fixe la tension à un niveau pour lequel les conditions extérieures ne seront pas dépassées. Si les conditions extérieures n'ont pas été dépassées, le contrôleur calcule à partir des puissances efficaces appliquées par phase P5, la somme de la puissance efficace appliquée au four ZP5 et la compare avec les valeurs fixées et applique l'augmentation ou la diminution nécessaire de tension si le résultat obtenu pour la mesure de EPs est en dehors de la gamme fixée. L'invention est décrite ci-dessous plus en détail en se référant au dessin annexé qui représente les courbes relatives à l'exposé du procédé de contrôle. La figure représente schématiquement les principes de fonctionnement du procédé de contrôle de l'invention, dans le cas d'une charge triphasée symétrique/e 39onction de la résistance R de chaque phase et de l'angle de phase 9 en utilisant, pour rendre la figure plus claire, une valeur constante de réactance, ce qui n'est cependant pas réalisé en pratique et en supposant que les conditions extérieures des quantités relatives aux phases n'ont pas été dépassées. Le repère 1 indique le courant secondaire maximal dans le transformateur du four et le repère 2 le courant maximal d'électrode circulant du transformateur vers les électrodes. D'une façon générale, les courants d'électrode sont indiqués par le repère numérique 3.Les lignes fines 4 et 5 indiquent les limites supérieures et inférieures- de la puissance désirée dans le four 6, telle qu'elle a été préréglée dans le contrôleur et la ligne verticale en trait interrompu indique la limite entre la gamme utile de fonctionnement du procédé de contrôle selon l'invention et la gamme de fonctionnement non recommandée. La gamme utile de fonctionnement se trouve à droite de la ligne en trait interrompu 7. La gamme de fonctionnement se répartit en trois parties : la zone 8 dans laquelle le courant maximal d'électrode 2 limite la puissance du four, la zone 9 dans laquelle le courant du primaire du transformateur 11 limite la puissance du four et la zone 10 dans laquelle le contrô- leur détermine la puissance du four.Dans la zone 10, la limite supérieure 4 de la puissance désirée du four est constamment inférieure à la charge maximale admise pour le transformateur, c'est-à-dire à son courant primaire. Le jeu des courbes 12 représente les différents échelons de tension du transformateur. Les surfaces hachurées par des lignes en biais 13 à l'intérieur des zones 8, 9 et 10 illustrent les différentes séquences de contrôle lors de l'application du procédé de contrôle selon l'invention. La somme des puissances efficaces EPs calculée par le contrôleur à partir des puissances efficaces de chaque P5 va maintenant être discutéé en se reportant à la figure. Dans la zone 8, à l'intérieur de laquelle la puissance désirée du four 6 n'a pas encore été atteinte, en raison du courant maximal d'électrode 2, le contrôleur applique-une augmentation de la tension en commutant l'enroulement au pas de tension suivant 12 au cours de la séquence de contrôle 13. I1 se produit la mème chose dans la zone 9 et ce n'est qu'à la fin de cette zone que la limité supérieure désirée 4 pour la puissance du four est atteinte, par suite de la charge maximale 11 du transformateur. Dans la zone 10 au cours de la séquence de contrôle 13, le commutateur d'enroulement applique une diminution ou une augmentation de tension jusqu'au pas de tension 12 pour lequel la puissance d(sirée 6 situee à l'intérieur des limites 4 et 5 est obtenue dans le four.Donc l'impédance (et du même coup la résistance) du four peut varier librement pendant le fonctionnement du four. Dans une application avantageuse du procédé de contrôle selon l'invention, qui tient compte des changements se produisant dans les différentes electrodes en ce qui concerne leur capacité à recevoir la puissance, les puissances de chaque électrode du four électrique sont équilibrées en ajustant la tension appliquée aux électrodes. Le mot équilibrage désigne ici les conditions dans lesquelles la position des électrodes, plus exactement celle de leurs extrémités est mesurée par une méthode connue et ces extrémités sont placées, électrode par électrode, dans le même plan fixe. Dans ces conditions, un équilibre est obtenu dans le four et l'objectif consiste à maintenir cet équilibre. Ce qui est très important dans l'équilibrage c'est que les modifications effectuées en déplaçant les électrodes doivent être appliquées suffisamment tôt, avant que les modifications de la répartition des courants n'aient entraîné des changements dans la répartition des températures du four. Lorsque l'on observe les variations provoquées par une usure irrégulière des électrodes ou par des changements dans les dépôts du four, on peut noter les faits suivants - des changements se produisent dans les courants d'électrode IE, - des changements se produisent dans les puissances efficaces d'électrode Ps, - des changements se produisent dans les puissances réactives d'électrode Q5 - des changements se produisent dans la tension UE entre l'électrode et le fond. Le changement de la position d'une électrode, c'est-a- dire l'usure de l'électrode, peut être observé, d'après les modifications des grandeurs spécifiées ci-dessus. Poir équilibrer les puissances par le procédé selon la présente invention, les grandeurs suivantes sont mesurées dlns le four en plus des grandeurs mesurées pour ajuster la puissance F. Puissance réactive de chaque phase Qs appliquée au four, G. Tension UE entre les électrodes et le fond, H. Tension U entre les électrodes. Le principe de mesure pour l'équilibrage des puissances entre les électrodes selon la présente invention est le suivant Les différentes quantités sont mesurées en permanence, ainsi que leur moyenne arithmétique, à des intervalles de 10 secondes à 15 minutes. Ensuite, les tendances à court terme de 0,5 heure à 96 heures, et à long terme de 2 heures à 60 jours, c'est-à-dire des schémas de variation sont calculés en fonction des quantités mesurées. La séquence de mesure et les durées des tendances peuvent autre sélec- tionnées séparément pour chaque quantité. Les tendances sont calculées par des méthodes mathématiques connues comme l'analyse des réactions, en utilisant un calculateur ou un ordinateur. Les tendances à court terme et à long terme sont calculées pour les grandeurs suivantes a) différence entre la puissance efficace par phase SP P5 et la moyenne de la somme des puissances efficaces s pour chaque séquence de mesure, n étant le nombre d'élecn- trodes, b) puissance efficace totale SP5, c) différence entre les puissances réactives de chaque phase Q5 et la moyenne de la puissance réactive totale Qs pour chaque séquence de mesure, n étant le nombre n d'électrodes, d) puissance réactive totale SQ5, e) courants de phase 1p et IS des circuits primaires et secondaires du transformateur, f) courants des électrodes IE g) Tension UE entre les électrodes et le fond, retranchée de la tension U entre les électrodes et divisée par 4 , c'est-à-dire U - U . 3 En outre, les linéarités sont calculées pour les tendances (a-g) calculées d'après le procédé de contrôle et d'équilibrage de l'invention et les coefficients angulaires des fonctions linéaires sont ensuite examinées. Si les coefficients angulaires de la tendance à court terme et de la tendance a long terme de la même quantité (a, c et e-g) s'écartent l'un de l'autre, un changement est effectué sur l'alimentation de chaque électrode, dans les limitations extérieures comme celles qui s'appliquent au système d'alimentation des électrodes. Le réglage des alimentations de toutes les électrodes est effectué en se basant sur les différences entre les coefficients angulaires des fonctions linéaires des tendances à court terme et à long terme des sommes (b et d), compte tenu, cependant, de l'effet des réglages effectués sur chaque électrode. Pour appliquer avantageusement le procédé de contrôle et d'équilibrage de la puissance d'un four électrique selon l'invention, les périodes de limitation des grandeurs, comme les courants et les puissances apparentes, concernant la puissance appliquée sont également observées par suite des limitations extérieures.Lorsque les périodes de limitation sont dépassées, auquel-cas les variations qui se sont produites ont été supérieures aux limitations extérieures, et les marges de réglage du dispositif ont été dépassées, les positions relatives des électrodes sont ajustées de façon à obtenir un nouvel équilibre, la position des électrodes étant déterminée par la même méthode déjà connue et le calcul des nouvelles tendances à court terme et à long terme commence ême si pour appliquer de façon avantageuse le procédé de l'invention, des électrodes sont appliquées dans le four au cours de laséquence du processus, il est également possible en liaison avec l'établissement de l'équilibre des électrodes de déplacer une ou plusieurs électrodes vers le haut , si cela est avantageux lorsque l'on considère par exemple les conditions du four. L'avance des électrodes dans le four, soumises au procédé de contrôle et d'équilibrage de l'invention et le contrôle de cette avance peuvent être effectués soit automatiquement, soit manuellement. L'application du procédé de contrôle et d'équilibrage selon l'invention n'est pas limitée aux fours électriques complètement fermés, mais on peut également obtenir des avantages en appliquant le procédé dans des fours électriques ouverts ou semi-ouverts. Des avantages particuliers peuvent être obtenus en appliquant le procédé de l'invention dans des fours à arc à immersion complètement fermés dans lesquels le produit fondu est sorti par intermittence et les gaz d'échappement de ce produit sont utilisés pour économiser l'énergie a l'extérieur du four, auquel cas la production uniforme de gaz obtenue grâce au procédé de contrôle et d'équilibrage de l'invention est importante. De tels fours à arc à immersion sont utilisés en particulier dansXles processus du ferrochrome a fer brut et du ferromanganèse. Cependant, le procédé est également applicable à des fours électriques dont on décharge le produit fondu de manière continue. Le contrôle de puissance selon l'invention en agissant sur le commutateur des enroulements peut constituer à lui seul un procédé de contrôle d'un four et n'est pas nécessairement associé à un procédé d'équilibrage, si, par exenple, on peut éviter une usure différente de toutes les electrodes du fait de leur structure. De même, l'équilibrage des électrodes peut aussi être appliqué seul en liaison avec d'autres procédés de contrôle de puissance, même s'il se prête mieux à être employé en liaison avec un contrôle par commutateur d'enroulement. REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle et d'équilibrage de la puissance d'un four électrique de fusion ou de chauffage dans lequel la puissance est appliquée au four par au moins une électrode et où le stade initial d'équilibre est établi en déplaçant les électrodes, caractérisé en ce qu'au moment où l'équilibre désiré a été atteint, la puissance est contrôlée en ajustant la tension entre les électrodes au moyen de grandeurs mesurées dans le four électrique, auquel cas les impédances, la réactance et la résistance du four peuvent varier librement et en même temps la vitesse d'avance des électrodes vers le bas est constante ou nulle et ce uniquement si, à la limite de la gamme de puissances désirées, la limite de la gamme du courant d'alimentation est également atteinte, compte tenu de la capacité d'alimentation en puissance des électrodes et/ou des changements dans les conditions du four, un équilibrage est effectué en réglant la vitesse d'avance des électrodes une par une, le but étant de maintenir les extrémités de chaque électrode dans le même plan au cours de la séquence du processus, auquel cas les tendances calculées à partir des grandeurs mesurées dans le four et les variations mutuelles de ces tendances sont utilisées, et en ce qu'après avoir défini une nouvelle vitesse d'avance, le contrôle de puissance est ensuite effectué en ajustant la tension et ainsi de suite aussi longtemps qu'un équilibre peut être maintenu par ce procédé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contrôle de tension est effectué en agissant sur le commutateur d'enroulement du transformateur d'alimentaticn. 3.Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérise: en ce que, pour contrôler et équilibrer la puissance, les courants de phase Ip et Iodes circuits primaire et secondaire du transformateur du four, les courants des électrodes IE, la puissance apparente de chaque phase du transformateur Sp, la puissance efficace de chaque phase P5 appliquée au four, la puissance réactive de chaque phase Q5 appliquée au four, la tension U5 entre les électrodes et le fond et la tension entre les électrodes sont mesurés. 4. Procédé selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que, à partir des grandeurs mesurées dans le four, les tendances à court terme et à long terme sont calculées séparément pour chaque grandeur traitée et en ce que les fonctions linéaires sont calculées pour les tendances, la différence entre ces fonctions et les tendances à court terme et à long terme de la même quantité étant utilisées pour déterminer la vitesse d'avance des electrodes dans le four. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la durée des tendances à court terme est comprise entre 0,5 et 96 heures. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la durée des tendances à long terme est comprise entre 2 heures et 60 jours. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications cidessus, caractérisé en ce que les grandeurs mesurées dans le four sont mesurées en permanence ainsi que leur moyenne arithmétique, l'intervalle entre les séquences de mesure étant compris entre 10 secondes et 15 minutes.