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La presente invention due à la collaboration de Monsieur
Guy SARTORIUS est relative à un procédé de controle continu et
de r~gulation du régime the~lique des fours métallurgiques à arcs
d'acieries ~lectriques ou d'une manière plus générale de tous
dispositifs de fusion de métaux tels que hauts-fourneaux, conv~r-
tisseurs, cubilots, etc.
On sait que dans le domaine de la métallurgie et en par-
ticulier en ce qui concerne les fours à arcs d'acieries, d'impor-
tantes améliorations ont été récemment apportées. On a en effet
développé des commandes électroniques rapides des électrodes uti-
lisées dans les fours à arcs qui ont permis de maitriser des puis-
sances ~lectriques accrues pour un four donné. Or, on sait que
les frais des réfractaires utilisés pour protéger les parois in-
ternesdes fours diminuent avec la capacité de ceux-ci et que par
ailleurs les frais de main-d'oeuvre diminuent également avec la
' capacité des fours.
On sait que dan~ le cas des fours à arcs électriques il
~., ,
lmporte de maintenir la valeur maximum de la puissancc de chaque
arc p~ndant la fusion aussi constante que po-~sible pour que la
puissance moyenne utilis~e se rapproche le plus possible de la
puissance maximum. ~'électrode doit donc descendre au fur et à
mesure que le puits se forme dans le matériau solide destiné à
~tr¢ liquéfi~ et l'arc ne doit ni s'allonger ni se raccourcir.
Par ailleurs, la commande des électrodes doit emp~cher
qu~à aucun moment une ou plusieurs électrodes ne puisse toucher
le bain liquide o~ la charge solide pour éviter toute recarbura-
tion ou casse d'~lectrodes.
Dans les dispositifs dits de régulation de type classique
i utilis~s depuis toujours dans le domaine des fours a arcs ~lectri-
ques, le principe de con~ande de hauteur des électrodes au-dessus
:. . . .
du bain se refère uniquement à des critères électriques. Habituel-
lemen~ on cherche à maintenir constant le rapport tension/inten-
-- 1 --
,
... .
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sité pour chaque électrode, cela quel que soit l'état de fusion
de la charge. Un tel rc~lage à impédance constante réalise un
mouvement minimum des élcctrodes et évite que celles-ci ne des-
2endent en cas de manque de courant.
Par contre la puissance électrique fournie est toujours
réglée de manière empirique selon l'état d'avancement des diffé-
rentes fusions et en essayant de ménager le plus possible les
mur~ réfractaires du fo~r, cela d'après les expériences statisti-
ques d'exploitation de chaque four.
Jusqu'à présent aucune régulation ne permet donc une
.
~urveillance continue du régime thermique du four à arcs en ré-
pon~e à une entrée d'~nergie arbitraire basée sur des critères
purement électriques ou énergétiques.
Un tel inconvénient est particulièrement ge~nant dans les
fours moderne~ dont le~ puissances de plus en plus importantes
augmentent encore la vulnérabilité des murs internes des fours.
La présente invention a pour objet un procéd~ de contr81e
continu du régime thermique d'un dispositif de fusion de m~taux
et en particulier d'un four à arcs d'aciérie3 permettant une uti-
li~ation maximaie de la puisance du four, un gain de temps appré-
ciable et une usure plus régulière et moins importante que dans
; les fours classique~ des parois réfractaires du four.
Selon la présente invention, le procéd~ de contrôle con-
tinu du régim~ thermique d'un four m~tallurgique consi3te à mesu-
rer en continu la température superficielle interne des parois du
four, à surveiller l'augmentation de température par unité de
temps après le passage par un minimum de la courbe de température
et enfin à agir sur la "régulation" du four dès que ladite aug-
mentation de température par unité de temps depasse une valeur
pr~détermin~e pendant une durée prédéterminée, la temperaturetant par ailleurs supérieure d'une valeur prédéterminée au mini-
. .~ .
mum pr~cité de la courbe de température.
~, : ' ' . ' ' '
~ 2 -
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Dans un mode de réalisation préféré, on agit également
sur la "régulation" du four si la temp~rature mesurée dépasse
une valeur limite.
Pour réaliser la mesure en continu de la température
superficielle interne des parois du four on utilise de préféren-
ce pour chaque électrode une sonde de température telle que dé-
crite dans le brevet ~rancais no 72 21944 déposée le 16 juin,
1972 pour "Dispositif de mesure de température en continu pour
four métallurgique", au nom de la demanderesse.
Une telle sonde de mesure est en effet munie d'un méca-
nisme approprié qui lui permet de reculer automatiquement en
fonction de l'usure des parois réfractaires. De cette manière
on obtient une mesure très précise de la température superficiel-
12 interne de3 parois réfractaires, mesure qui n'est pas affectée
par les projections du bain ni par les produits de fusion des
mur~.
Dans un mode de réalisation préféré de la pr~sente
invention, le procédé est particulièrement adapté au cont~ole
continu du régime thermique d'un four à arcs ~lectriques et con-
siste alors à agir directement sur la commande d'intensité ducourant d'alimentation des électrodes de manière à ramener l'aug-
mentation de température par unité de temps à une valeur prédé-
terminée ou en dessous de celle-ci.
Selon cette réalisation préf~rée du procédé de l'inven-
tion particulièrement adaptée au controle continu du régime ther-
mique d'un four à arcs électriques on procède à une baisse de
tencion du four uniquement lorsque, au bout d'un temps préd~ter-
miné après l'intervention sur l'intensité de l'électrode considé-
r~e, l'augmentation de température par unité de temps dépasse
toujours une valeur optimale de dévoltage à déterminer par l'ex-
périence du capteur et inférieure à la valeur prédéterminée pré- -
citée, ou que la température est toujours supérieure à la valeur
~,'; ".
. .
~ ~ 3 ~
-
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limite citee plus haut. On obtient ainsi finalement une optimi-
sation de la fusion réalisee dans le four à arcs.
La pr~sente invention concerne également un dispositif
de co~mand~ automatique du régime thermique d'un dispositif de
fusion de métaux qui permet la mise en oeuvre du procédé selon
l'invention.
Ce dispositif comprend un enregistreur potentiometrique
pour la température superficielle interne des parois, qui se
trouve relié d'une part à un détecteur analogique de creux maxi-
mum et d'autre part à un module analogique qui forme la dérivéede la température par rapport au temps. Le détecteur analogique
de creux maximum et le module de formation de la dérivée de la
temp~rature sont chacun connect~s par leur sortie à un dispositif
comparateur de valeur critique et à l'entree d'un module analogi-
gue r~alisant la fonction ET et dont la sortie commande une alar-
me.
Dans une réalisation préf~rée du dispositif de l'inven-
- tion, partlculièrement adapt~e à la commande automatique du régi
me thermique d'un four à arcs électrique3,la sortie du module
analogique r~ali~ant la fonction ET se trouve reli~e directement
la commande d'intensité des ~électrodes du four de façon à agir
~ur la longueur de l'arc et à ramener l'augmentation de tempéra-
ture par rapport au temps à une valeur predéterminée ou au-des-
oous de cette valeur.
8elon ce mode de réaliqation préféré, un module de com-
parai~on se trouve relié au module analogique de formation de la
d~riv~e de la température par l'intermédiaire d'une temporisation
réglable et compare la dérivée de la température à une valeur
~; prédéterminée de dévoltage. Le module de comparaison est adapt~
pour agir sur un contact à deux voies de façon à mettre en ser-
vice la régulation d'intensité des électrodes du four à arcs
lors~ue la d~riv~e mesur~e est inférieure à la valeur de dévol-
; ` , ~ , ~ ' "''" ' '
~ - 4 -
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tage. Dc la m~me manière le module de comparaison peut command~r
une baisse de tension lorsque la dérivée atteint ladite valeur
de dévoltage.
Dans une réalisation avantageuse du dispositif de l'in-
vention un module réalisant la fonction OU est relié directement
à la sortie du module de comparaison précité de façon à comman-
der également une baisse de tension dans le cas où la températu-
re monterait assez lentement mais jusqu'à une valeur suffisante
pour présenter un danger malgré la diminution de puissance.
La présente invention sera mieux comprise à l'étude
d'un mode de réalisation particulier d'un dispositif de commande
automatique du régime thermique d'un four à arcs électrique3dé-
crit a titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les
de8sins, sur lesquels:
la figure 1 représente un sch~ma fonctionnel d'un
premier mode de réalisation du dispositif de l'invention, et
la figure 2 représente un sch~ma fonctionnel d'un deu-
xi~me mode de réalisation du dispositif de l'invention.
Tel qu'il se trouve représenté sur la figure l, le dis-
poJitif de contr~le continu du régime thermique d'un four à arcs
~ ~ 8elon la présente invention comporte un enregistreur potentio-
i métrique de temp~rature l qui trace une courbe 2 représentant les
variations de la température superficielle interne des parois du
; four. Celle-ci e8t mesurée à l'aide d'une sonde de température
, ,:
~ appropriee et comportant un thermocouple dont la sortie e8t
, .. . . .. . .
~; reliée par la connexion électrique 3 à l'enregistreur potentio-
met~ique l.
e ~ignal~électrique ~manant du thermocouple de mesure
e~t par ailleurs introduit dans un dispositif amplificateur 4
~après avoir traversé un dlspos~itif de~lissagc 5, l'une des en-
trées dé l'amplificateur 4 étant par ailleurs reliée a une ten-
oion de r6férence par~l'intermédiaire de la connexion 6 et de
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l'interrupteur 11.
La sortie de l'amplificateur 4, qui représente la valeur
de la température mesurée est introduite d'une part dans un dé-
tecteur analogique de creux 7 et d'autre part dans un module ana-
logique 8 formant la dérivée de la température par rapport au
temps. Le module analogique 8 est alimenté par ailleurs par la
tension de référence par l'intermédiaire de l'interrupteur 11
lorsque l'interrupteur 9 est fermé par le temporisateur 10 qui
peut atre réglé sur une dur~e de 8 à 10 minutes ou de préférence
de une demi-minute par tonne de matière solide chargée dans le
four.
Le détecteur analogique de creux maximum 7 peut être
par exemple un détecteur analogique de pic~ de type classique
utilisé en sens inverse et il permet de trouver le creux maximum
de température entre deux fusions de paniers de métal solide.
Le détecteur 7 est par ailleura alimenté par la tension dé r~fé-
rence par l'inter~édiaire d'un interrupteur g~néral 11 qui inter-
rompt le fonctionnement de l'en~emble du dispositif de contrôle
~or~que la voute du four e5t ouverte en coupant la tension de
; 20 r~érence et ramenant ainsi le8 temporisations à leurs valeurs
re~pectives de départ.
Un module analogique 12 réalise une opération de sous-
traction entre la valeur de la température provenant de l'ampli-
ficateur 4 par l'interm~diaire de la connexion 12a et la tempé-
rature minimum d~terminée par le détecteur de creux maximum 7.
.
~a 50rtie du module 12 se trouve reliée à l'entrée du comparateur
; 13 qui compare la différence entre la température effective et la
température minimum, soit ~ T-T-Tm où T est la température mesu-
i ree ot Tm repr~sente la température minimum détectée, avec un
. .. . : - : -
~ 30 intervalle de température critique prédéterminée, ~Tc qui est
.
~ ; flx~à volonté~à l~'aide du potentiomètre 14.
; ~ ~ De la m~me~manière la sortie du module analogique de
, ~
~ ~ ~ 6~
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formation de derivée 8 est reliee à 11entrée d~un comp~rateur 15
qui compare la valeur de la dérivée mesurée à une valeur criti-
que donnee par le potentiomètre ré~lable 16.
Le module analogique réalisant la fonction ET 17 est
alimenté à son entrée par la sortie de deux comparateurs 13 et 15
et ne délivre donc un signal de sortie que lorsque l'intervalle
entre la température mesurée et la température minimum est supé-
rieur à la valeur critique et qu'en meme temps la dérivée de la
température par rapport au temps est supérieure à la valeur cri-
tique. Le signal de sortie du module 17 alimente une alarme 19par l'intermédiaire d'un module analogique 18 qui réalise la fonc-
tion OU.
L'alarme 19 peut en effet être également act onné par
l'interm~diaire du module 18 lorsque la temp~rature mesur~e re-
pxé~entée par le signal provenant de l'amplificateur 4 d~passe
uns valeur prédéterminée maximale fixée par le potentiomètre 20.
~a température ef~ective mesurée e~t comparée par 1~ module 21
la valeur maximale admi~sible.
Le dispositif selon la présente invention fonctionne de
la manlère ~uivante: L'opérateur du four fixe tout d'abord la
valeur convenable de l'intervalle critique ~Tc au moyen du poten-
tiomètre réglable 14. On peut par exemple décider que l'alarme
ne sera pas enclench~e tant que la température n'aura pas dépassé
d'une valeur convenable telle que 200 Celsius le creux maximal
constaté, afin de laisser le temps à un efondrement de ferrail-
les de se produire. Un tel effondrement à l'intérieur du four
pourrait en effet suivre une brusque augmentation de température
j ,. . . .
qui ne présenterait cependant aucun danger de surchauffe pour le
four étant donné qu'il s'agit d'une élévation de température
bloquée ensuite par la ferraille masquant à nouveau la sonde.
L'opératuer fixe ~galement la limite maximum critique
de la pente de la courbe de temperature 2 en fonction du temps.
- 7 -
` ' , ' . :
~1038917 `
La valeur de la pente à ne pas dépasser pourra ètre déterminée
par expérience et sera par exemple de 150~ Celsius par minute.
Au-delà de cette valeur on se trouvera en surchauffe et il sera
nécessaire, si une telle situation n'est pas due à un effondre-
ment partiel de ferrailles, de dévolter très rapidement le four
étant donné qu'il serait alors nuisible et inutile de maintenir
la puissance à une valeur constante.
Enfin, l'opérateur peu également fixer pæ^le potentio-
mètre 20 une valeur limite à ne pas dépasser pour la température
de façon à obtenir une sécurité supplémentaire du dispositif de
l'invention.
L'opérateur fixe également la valeur désir~e de la tem-
porisation du dispositif 10 de façon que la surveillance de la
pente de la courbe de température 2 ne soit réalisée qu'après
le démarrage convenable de la fusion.
Une foi~ mis en fonctionnement par l'interm~diaire de
l'interrupteur général 11 le dispositif de contrôle continu selon
l'lnvention permet donc de déclencher une alarme 19 avant qu'une
~urchauffe véritable ne se soit produite qui ait eu le temps de
d~tériorer les murs du four. Il est ainsi possible de gagner du
temps sur chaque coulée par rapport aux marches courantes d'un
four ne comportant pas le dispositif de controle continu de l'in-
vention et que l'on eqt amené à dévolter de manière préventive
et ~ouvent pr~maturée.
Sur la figure 1 la sortie du dispositif de contrôle de
l'invention a étë représentée sous la forme de la flèche 22 qui
montre qu'après le déclenche~ent de l'alarme 19 l'opérateur peut
agir en temps utile ~ur le dispositif de commande du four à arcs.
Dans le mode de réalisation représenté sur la figure
la régulation Se fait de manière entièrement automatique, la
sortie 22 du dispositif de controle continu represente sur la
figure 1 ~tant connectée d'une part à un relais statique 23
- 8 -
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auto-alimerlté par une connexion 25 et qui agit sur un interrup-
teur 24 et d'autre part à un temporisateur 26 agissant sur un
contact 27.
Par ailleurs,la sortie du ~odule analogique 8 représen-
té sur la figure 1 qui forme la dérivée de la température par
rapport au temps est reliée par la connexion 28 de la figure 2
et par l'intermédiaire du contact 27 au comparateur 29. Un
potentiometre reglable 30 permet de fixer une valeur pr~déter-
minée de dévoltage pour la dérivée de la température par rapport
au temps. Le comparateur 29 réalise la comparaison entre 1~
valeur effective de la d~rivée de la température et la valeur de
dévoltage et délivre, par l'intermédiaire d'un module analogique
31 réalisant la fonction OU, un signal de sortie au relais stati-
~ue 33 de manière à fermer et à ouvrir alternativement les con-
tacts 34 et 35. Le contact 34 est placé dans le circuit de régu-
lation en intensité du circuit de commande de type classique des
~lectrodes du four à arcs. Ce circuit comprend notamment un
servo-moteur 36 qui fait varier l'intcnsité sur chaque ~lectrode
entre ses limites au moyen du potentiomètre 37.
L~ deuxième entrée du module OU 31 est la connexion 32
reli~e à la sortie du module 21 visible sur la figure 1 qui fixe
le seuil maximum de température.
Le contact 35 est placé dans le circuit de réglage de
la tension du four qui comprend notamment une alarme 38 et le
dispositif de d~voltage 39 représenté schématiquement sur la
figure 2 et agissant sur le transformateur 40 du four.
Un dispositif de sécurite figuré par le relais 43 placé
dans le circuit 44 du disjoncteur du four est de plus relié par
llinterm~diaire d'un temporisateur 42 et de la connexion 41 à la
sortie du module OU 31. ~
Le dispositif de co~mande automatique du regime thermi- -
~ue du four à arcs électrique de l'invention fonctionne de la ,
_ 9 _
'
. ' '
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maniere suivante: tant que le régime thermique du four est
tel que le dispositif de controle représenté sur la figure 1
ne d~livre aucun signal de sor~ie, c'est-à-dire notamment que
la pente de la courbe de temperature 2 est inférieure à la va-
leur critique détermin~e par le potentiomètre 16, l'interrupteur
24 est en position ouverte, telle que représentée sur la figure
2.
Le comparateur 29 ne reçoit ni ne délivre aucun signal
et les contacts 34 et 35 sont en position de repos, telle que
représentee sur la figure 2, c'est-à-dire que le contact 34 est
fermé et le contact 35 ouvert.
On voit donc que le circuit de régulation d'intensité
n'est pas en charge étant donné que l'interrupteur 24 est ouvert
et que le circuit de réglage de la tension est également décon-
necté ~tant donné l'ouverture du contact 35.
Dè~ que la pente de la courbe de température 2 dépas~e
la valeur critique déterminée par le potentiomètre 16 et gu'en
m8me temps le comparateur 13 délivre un signal de sortie, le mo-
dule 18 délivre également un signal de sortie en 22 qui agit sur
1~ rela~ 23 pour fermer le contact 24. A partir de ce moment
le relais 23 est auto-alimenté par le contact 24 et la connexion
de bouclage 25. Les contacts 24 et 34 étant fermés, la régula-
tion en intensité du four e~t en charge et le servomoteur 36 agit
sur la longueur de l'arc en réduisant la puissance. Si malgré
cette action et au bout d'un temps pr~d~terminé par le tempori-
sateur 26, la pente de la courbe de température 2 reste supérieu-
re à la valeur prédéterminée de dévoltage fixée par le potentio-
m~tre 30, le co~parateur 29 délivre un signal de sortie et les
contacts 34 et 35 sont déplacés de leur position de repos, le
contact 34 étant ouvert et le contact 35 fermé. De la méme ma-
nière, si la température d~passe le seuil fixé par le module 21,
le module OU 31 agit sur le relais 33 de ~açon à ouvrir le con-
.
-- 10 -
, . x. j
~ , ,
` . ~()38917
tact 34 et a fermer le contact 35O Le dispositi~ de dévoltage
est alors alimenté et il agit sur le transformatcur 40 du four.
Il convient de noter que la valeur prédeterminée de
dévoltage est en géneral inférieure à la valeur critique déter-
minée par le potentiometre 16.
On voit donc que dans un régime thermique du four où
le circuit de régulation en intensité du four est en charge,
c'est-à-dire lorsque les interrupteurs 24 et 34 sont fermés, le
servomoteur 36 commandant le commutateur de charge du four peut
agir ~ur la longueur de l'arc en augmentant l'intensité par élec-
trode dans ses limites, ce qui a pour effet de diminuer la tension
d'arc et également de ramener la pente de la courbe de température
à une valeur inférieure à la valeur critique déterminée par le po-
tentiomètre 16.
Il est ainsi possible de suivre le plus près poss.ible la
valeur critique de l'augmentation de température par unit~ de
temps t~lle que déterminée par le potentiomètre 16.
Si malgr~ l'action sur l'intensité des ~lectrodes la
pente de la courbe de température 2 dépasse cependant la valeur
de dévoltage déterminée par le potentiomètre 30, ou 8i la tempé-
rature est ~up~rieure au seuil limite, le comparateur 29 délivre
un signal qui a pour effet d'ouvrir le contact 34 et de fermer
le contact 35. Le circuit de régulation en intensité du four se
trouve déconnecté, tandis que l'alarme 38 est actionnée et que
la ten~ion du four est bai~sée auto~atiquement par l'intermédiai- :~
re du dévolteur 39 et du transformateur 40. On voit donc que
l'on obtient un dispositif qui permet une véritable optimisation
de la fusion à l'int~rieur du four étant donné qu'il est possi-
ble dc suivre le plus près possible la valeur critique de la dé-
rivée de la température et d'agir sur la commande d'intensité des
: électrodes lorsque la pente de la courbe de tempcrature reste
supérieure à la pente de dévoltage. - -
,
., ,, ~,.. - .... .
-- 11 --
. ~ . .
.
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La presente invention permet une commande et une régu-
lation de fours metallurgiques et notamment de fours à arcs élec-
triques autorisant une utilisation plus poussée de la puissance
maximale du four et un gain de temps appréciable. Grâce au dis-
positif de la préscnte invention l'usure des parois réfractaires
du four est plus régulière. Enfin, on constate que grâce à l'u-
tilisation du dispositif de controle de l'invention il est possi-
ble de r~aliser un gain important sur la conson~ation d'électro-
des.
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