Brevet FR2581498A1 — publié le 19861107

PROCEDE DE REGULATION A RESISTANCE CONSTANTE DE FOURS A ARCS ELECTRIQUES DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé de régulation à résistance constante de fours à arcs électriques, et, plus particulièrement de fours di ou triphasés, à arc immergé et à prise de sole conductrice, destinés à la production de ferro-alliages, tels que ferro-manganèse ou ferro-silicium, par fusion réductrice d'une charge de minerai éventuellement en présence d'additifs destinés à former un laitier. ETAT DE L'ART ANTERIEUR La conduite des fours à électrodes est habituellement basée sur la régulation d'un facteur électrique tei que l'intensité ou l'impédance, ou la puissance. Ce facteur est maintenu à des valeurs proches d'une valeur de consigne fixée à l'avance. Pour ajuster la valeur prise en considération dans un intervalle défini, un système de régulation déplace les électrodes dans le sens de la montée ou de la descente au moyen de treuils ou de vérins hydrauliques. En outre, pour compenser l'usure des électrodes. on est amené, à intervalles réguliers , à faire glisser la partie carbonée de l'électrode à l'intérieur de son support mécanique (pince d'électrode).La fréquence des mouvements de l'électrode et leur amplitude varient en fonction de la sensibilité de la régulation et de l'importance des phénomènes perturbateurs tels que : coulée des produits élaborés, glissement des électrodes, variations de tension du réseau, qualité et dosage des matières premières, apport de charge froide ou préchauffée, effondrement de voûtes formées localement par une fusion irrégulière de la charge, etc. Il est souhaitable que cette régulation assure à la fois un rendement maximal des processus de réduction et une stabilité maximale des paramètres électriques. Dans le brevet US 2 721 948, on décrit un procédé de régulation basé sur le maintien d'une intensité constante, par action proportionnelle sur le niveau d'immersion de chaque électrode dans la charge du four. Dans le brevet US 3 909 242, on décrit un procédé de régulation caractérisé en ce qu'une grandeur électrique, variant en fonction de la caractéristique non-linéaire de l'arc électrique est mesurée et transformée de manière à fournir un signal indiquant de combien la grandeur mesurée s'écarte de la tension d'alimentation, ce signal étant utilisé pour commander le rapport carbone/oxyde dans la charge à réduire. Enfin, dans la demande de brevet français FR-A-2547478. la position de l'électrode est commandée de manière à maintenir constante la puissance active fournie à l'arc, la valeur de consigne de puissance active étant choisie pour correspondre à une valeur aussi élevée que possible de la résistance d'arc. L'expérience a montré que les procédés actuellement connus ne permettaient pas toujours d'obtenir à la fois un fonctionnement stable du four et une puissance dissipée aussi proche que possible de la valeur maximale permise par le ou les transformateurs et le four, tout en assurant la sécurité dé ces matériels. OBJET DE L'INVENTION La présente invention est basée sur un principe différent de ceux qui sont mis en oeuvre dans l'art antérieur. Elle consiste à maintenir constante la résistance ohmique de la charge du four, électrode, par électrode, la tension d'alimentation du four étant maintenue constante. Il est en effet apparu que la résistance ohmique vraie de chaque circuit d'électrode était le paramètre à la fois le plus stable (vis-à-vis des perturbations extérieures), et le plus représentatif de l'état de la charge à un instant donné. De façon plus précise, I'invention concerne un procédé de régulation d'un four d'électrométallurgie à arc, à sole conductrice, alimenté par un transformateur simple ou multiple, et dans lequel chaque électrode, serrée par une pince qui sert d'amenée de courant, est réglable en hauteur en vue de contrôler la valeur d'au moins un des paramètres électriques qui agissent sur le fonctionnement du four et sur la transformation de la charge qu'il contient, la tension au secondaire du transformateur étant maintenue à une valeur sensiblement constante, par les dispositifs classiques de régulation bien connus de l'homme de l'art. Ce procédé est caractérisé en ce que de façon répétitive. par cycles success fs on mesure la tension Vi entre chaque électrode, au niveau de la pince, et la du four, et en ce que, à partir de la valeur de l'intensité IEi dans chaque électrode, de la valeur du facteur de puissance Cos Qi dans le circuit de chaque électrode, et de la valeur de Vi, on détermine une résistance Rj qui correspond à la résistance pure de l'arc électrique et de la charge, et, pour chaque électrode, on compare cette résistance Rj à une valeur de consigne RTi, et à la valeur de Ri pour les deux autres électrodes, et on donne à l'électrode considérée un ordre de montée ou de descente en action proportionnelle pour ramener Ri à la valeur de consigne. DESCRIPTION DE L'INVENTION Pour la bonne compréhension de l'invention, on rappelle tout d'abord qu'un four d'électrométallurgie comporte le plus souvent trois électrodes carbonées, serrées dans des pinces refroidies par circulation d'eau, et connectées aux extrêmités des secondaires du transformateur d'alimentation par des câbles souples, qui peuvent suivre les mouvements de montée et de descente des électrodes commandés par le système de régulation, et les éventuels basculements du four. Selon les cas, le four peut être alimenté par un unique transformateur triphasé, ou le plus souvent, surtout dans le cas de fours de grande puissance, par trois transformateurs monophasés dont les secondaires sont couplés de facon convenable pour assurer une alimentation équilibrée sur les trois électrodes. Dans tout ce qui suit, on affectera, par convention chaque grandeur électrique de l'indice 1, 2 ou 3 si elle concerne une des trois électrodes en particulier, et de l'indice j si elle concerne, globalement, les trois électrodes ou les trois circuits qui les alimentent. Pour la mise en oeuvre de l'invention, on mesure les tensions V1, V2, V3 entre la plaque de contact de chaque pince d'électrode et la sole du four. Cette mesure est plus représentative qu'une mesure effectuée sur les sorties secondaires du transformateur, qui est altérée par les différentes fluctuations de tension, les pertes actives et surtout les pertes réactives. La détermination de la résistance ohmique vraie. entre chaque électrode (au niveau de la pince de serrages et la sole conductrice du four. revient en fait à déterminer la résistance de l'arc plus la résistance de la charge, la résistance de la longeur d'électrode située au-dessous de la pince pouvant être négligée, car elle n'intervient que comme un facteur constant, ou, tout au moins lentement variable, selon l'usure de l'électrode, ou ses glissements provoqués, après une certaine usure. L'introduction de la valeur de cette résistance arc + charge dans le système de régulation de la position des électrodes s'effectue, par la succession des opérations suivantes, selon des cycles répétitifs. 1. On fixe tout d'abord un certain nombre de valeurs de consigne pour la sécurité du transformateur intensité de consigne ligne ICLi {intensité maximale dans chaque ligne d'alimentation des électrodes) intensité maximale dans chaque électrode lETi intensité maximale de ligne dans chaque primaire du transformateur (ITi), puissance active de consigne PC sur le four. Chaque dépassement de ces valeurs de consigne déclenche des alarmes. de façon bien connue. 2. Puis on détermine la puissance théorique dissipée par électrode PCEj - PC x k 3 k étant un coefficient d'une valeur de l'ordre de 0,97 qui tient compte des pertes dans les transformateurs et les circuits de liaison. 3. On détermine la puissance maximale théorique par électrode: lETi - ICLi x k (ICL et k définis ci-dessus) 4. On détermine la résistance théorique arc + charge qui sera prise comme valeur de consigne RTi - PC/(IEtj) (R - P/t2) 5. On lit la puissance active P1, P2, P3 et la puissance réactive Q1, Q2, Q3 sur chaque phase du transformateur (ou chaque transformateur si le four est alimenté par trois transformateurs monophasés). 6. On lit également - les intensités IP1, IP2, IP3 -sur chaque primaire du (ou des 3) transformateur(s), - les tensions secondaires U1, U2, U3 sur chaque secondaire du (ou des 3) transformateur(s), - les tensions Vi (V1, V2, V3) entre les plaques de contact de chaque électrode et la sole, - les intensités de ligne IL1, IL2, IL3 au primaire du (ou des 3) transormateur(s). 7. On calcule l'intensité IEi dans chaque électrode: IEi 5 ILi x k 8. On détermine les déphasages ei entre Vj et IEi, par mesure avec un appareil du commerce, par exemple le modèle 2711 de SCHLUMBERGER, et on obtient Cos Oj, Sin ej et tg #j, avec tg Qi = Xi/Rj 9. On en déduit la puissance active et la puissance réactive par électrode PRi (puissance active) = Vj.IEi.Cos #j QEi (puissance réactive) = Vj.IEj.SinQi 10.Les valeurs de ia résistance arc + charge, par électrode (Ri). et, accessoirement de l'impédance s'en déduisent immédiatement Ri - PEj/(IEj) Xi = QEi/(lEi)2 11. On compare la résistance Rj (arc + charge) de chaque électrode 1, 2, 3, (R1, R2, R3) ainsi obtenue, avec la valeur théorique de consigne RTj pour chaque électrode (RTl, RT2, RT3), et avec la valeur de Ri pour les deux autres électrodes, c'est-à-dire que l'on compare R1 avec RT1, R2 et R3 R2 avec RT2, R1 et R3 R3 avec RT3, R1 et R2 Puis (en raisonnant par exemple sur R1) si R1 > RT1 et R1 > R2 et R1 > R3, on envoie un ordre de descente à l'électrode El, sous forme d'une brève impulsion de l'ordre, par exemple, d'une demi-seconde à une seconde. On vérifie que l'intensité I1 sur l'électrode El ne dépasse pas la valeur de consigne IET1. Si, par contre, on a R1 R1 R1 Cette même opération s'effectue successivement sur R2 et R3. Si l'on veut assurer un fonctionnement du four à une valeur aussi proche que possible de la consigne de puissance maximale, il est essentiel qu'à ce stade du procédé, on classe les mesures de R1. R2, et R3 par valeurs décroissantes et que l'on agisse en premier lieu sur l'électrode qui correspond à la plus forte valeur de Ri ( > RT1), par un ordre de descente qui ramènera Ri à RT1, puis sur celle des deux autres électrodes correspondant au plus fort écart positif de Ri par rapport à RTi, et on agit enfin sur la troisième électrode pour corriger soit le plus faible écart positif de Ri par rapport à RTi (ordre de descente), soit un éventuel écart négatif (ordre de montée). Autrement dit, la régulation corrige d'abord, en donnant des ordres de descente, les écarts positifs de Ri par rapport à RTl et en commençant par les écarts les plus forts, puis les écarts négatifs, en donnant des ordres de montée à la ou aux électrodes correspondantes. 12. Enfin, on compare l'intensité ti dans chacun les trois primaires du transformateur (ou dans le primaire de chacun des trois transformateurs monophasés), avec l'intensité maximale de consigne ITi si I1 > IT1 et si R1 Si I1 > IT1 et si R1 > R2, on donne un ordre de montée à E2, jusqu'à ce que I1 redevienne On répète ce processus sur I2 (en comparant à IT2, et en comparant R2 et R3 > , puis sur 13 (en comparant R3 et R1). Au terme de ces opérations, et dans la mesure où les valeurs de consignes n'ont pas été modifiées, on reprend un nouveau cycle de régulation au stade n'5, et ce, de façon répétitive. Si l'une quelconque des valeurs de consignes a été modifiée, on introdXt d'abord cette modification dans le programmateur (automate programmable ou microprocesseur) avant de reprendre le cycle de régulation au stade n5. Les ordres de montée et de descente sont executés en action proportionnelle à la différence entre Ri mesurée et RTi de consigne, et il est apparu préférable que les mouvements de descente soient effectués plus rapidement que les mouvements de montée, pour se maintenir au plus près de la consigne de puissance maximale du four. EXEMPLE DE MISE EN OEUVRE L'invention a été appliquée à la régulation d'un four triphasé à sole conductrice de 6 600 kW de puissance nominale, pour la production de ferro-silico-manganèse. La tension secondaire du transformateur alimentant le four a été maintenue constante par un régulateur de tension, pouvant agir sur le rapport de transformation grâce à un commutateur en charge en cas de variations de la tension au primaire. On a fixé les valeurs de consigne suivantes Puissance du four : PC - 6 600 kW Tension par électrode: Vi, V2, V3 = 51 volts Intensité maxi par électrode :11, I2, 13 - 45 kA Puissance active maxi par électrode : 2100 KW Résistance pure arc+charge par électrode : 980 p L En cours de fonctionnement, on a mesuré des Cos Q variant entre 0,93 et 0,94. Les fluctuations de la résistance Ri ont pu être maintenues, par la régulation entre 940 et 1000 p,RL. AVANTAGES PROCURES PAR L'INVENTION La mise en oeuvre du procédé de régulation selon l'invention améliore sensiblement les conditions de conduite des fours à arc d'électrométallurgie. Il apparait que la résistance vraie entre chaque électrode et la sôle constitue un moyen très sensible et très sùr de suivre l'évolution de i'état de la charge et du processus de réduction, bien mieux que ne le permettaient les procédés antérieurs basés sur la mesure de l'impédance et dans lesquels les variations brusques et souvent importantes de la puissance réactive masquaient les phénomènes liés à l'évolution de la charge. On dispose ainsi d'un moyen nouveau, d'effectuer des corrélations entre la nature et l'évolution de la charge du four, et les variations de la résistance. En outre, le retour à l'équilibre, c'est-à-dire à la résistance de consigne arc + charge, RTi, est très rapide, et il en résulte, outre une plus grande régularité de marche, une amélioration des mises au mille de charge et d'énergie qui peut atteindre plusieurs pour-cent. Enfin, la sécurité du matériel, et en particulier du transformateur, est assurée de façon au moins aussi efficace que par les procédés antérieurs. REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation d'un four d'électrométallurgie à arc, à prise de sole conductrice, alimenté par un transformateur simple ou multiple, et dans lequel chaque électrode, serrée par une pince qui sert d'amenée de courant, est réglable en hauteur en vue de controler la valeur d'au moins un des paramètres électriques qui agissent sur le fonctionnement du four et sur la transformation de la charge qu'il contient, la tension au secondaire du transformateur étant maintenue sensiblement constante, ce procédé étant caractérisé en ce que de façon répétitive, par cycles successifs, on mesure la tension Vi entre chaque électrode, au niveau de la pince, et la prise de sole du four. et en ce que, à partir de la valeur de l'intensité IEj dans chaque électrode et de la valeur du facteur de puissance Cos Qi dans le circuit de chaque électrode, et de la valeur de Vi, on détermine une résistance Ri qui correspond à la résistance pure de l'arc électrique et de la charge, et, pour chaque électrode, on compare cette résistance Ri à une valeur de consigne RTi, et à la valeur de Ri pour les deux autres électrodes, et on donne à l'électrode considérée un ordre de montée ou de descente on action proportionnelle à l'écart RTeRi lU pour ramener Ri à la valeur de consigne. 2. Procédé de régulation, selon la revendication 1, caractérisé en ce que à chaque cycle l'on compare entre elles les valeurs R1, R2 et R3 de la résistance Ri pour chaque électrode et l'on corrige tout d'abord, en donnant des ordres de descente, les écarts positifs de Ri par rapport à RTl, en commençant par l'électrode qui donne le plus fort écart, puis en corrigeant par destordres de montée, les écarts négatifs de Ri par rapport à RTI. 3. Procédé de régulation, selon revendication 1, caractérisé en ce que la valeur de la résistance Ri pour chaque électrode est calculée par les opérations répétitives suivantes - on lit la puissance active Pi et la puissance réactive Qi sur chaque phase du transformateur (ou sur chaque transformateur si le four est alimenté par trois transformateurs monophasés). - on lit les intensités IPi sur chaque primaire. - on lit les tensions secondaires Ui et les tensions Vj entre les plaques de contact et la sole, et les intensités de lignes au primaire ILJ. - on calcule l'intensité IF dans chaque électrode lEi = ILj x k (k étant sensiblement égal à 0,97). on mesure les déphasages Qi entre Vj et IEj et on en déduit Cos Qi. - on en déduit la puissance active par électrode PEi - Vj. IEi. cos Qi. - on en tire la résistance ohmique par électrode Ri = PEi / (IEj). 4. Procédé de régulation, selon revendication 1, caractérisé en ce que les mouvements de descente des électrodes sont exécutés à une vitesse supérieure aux mouvements de montée.