of 8/8
SOLUŢII MODERNE PENTRU OPTIMIZAREA PROCESELOR DE ELABORARE ÎN CAE Maria NĂSĂUDEAN, Corina Maria DINIŞ, Gyöngyi BITTERMANN MODERN SOLUTIONS FOR OPTIMIZATION THE PROCESS OF DEVELOPMENT IN CAE The paper shows how to reduce production costs by automating processes in the metallurgical industry. Automatic electrode position adjustment makes a substantial contribution to increasing efficiency and reducing cost prices CAE batch. Keywords: electric arc furnaces, automatic adjustment of electrode position, the computer process Cuvinte cheie: cuptoare cu arc electric, sistem automat de reglare a poziţiei electrozilor, calculatorul de proces 1. Introducere Dezvoltarea tehnicii a parcurs până în prezent patru etape şi anume: mecanizarea, controlul, automatizarea şi cibernetizarea proceselor de producţie, astfel încât stadiul tehnic contemporan poate fi caracterizat prin mecanizarea practic totală şi automatizarea avansată a proceselor tehnologice, precum şi prin continua introducere a tehnicii de calcul în industrie. Automatizarea se realizează cu ajutorul sistemelor automate, în care se efectuează comanda şi reglarea proceselor tehnice în raport cu anumite condiţii date, fără participarea directă a omului în îndeplinirea acestor funcţiuni [1]. 437

62 soluţii moderne pentru optimizarea

  • View
    247

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of 62 soluţii moderne pentru optimizarea

  • SOLUII MODERNE PENTRU OPTIMIZAREA PROCESELOR DE ELABORARE N CAE

    Maria NSUDEAN, Corina Maria DINI, Gyngyi BITTERMANN

    MODERN SOLUTIONS FOR OPTIMIZATION THE PROCESS OF DEVELOPMENT IN CAE

    The paper shows how to reduce production costs by automating processes in the metallurgical industry. Automatic electrode position adjustment makes a substantial contribution to increasing efficiency and reducing cost prices CAE batch.

    Keywords: electric arc furnaces, automatic adjustment of electrode position, the computer process Cuvinte cheie: cuptoare cu arc electric, sistem automat de reglare a poziiei electrozilor, calculatorul de proces

    1. Introducere Dezvoltarea tehnicii a parcurs pn n prezent patru etape i anume: mecanizarea, controlul, automatizarea i cibernetizarea proceselor de producie, astfel nct stadiul tehnic contemporan poate fi caracterizat prin mecanizarea practic total i automatizarea avansat a proceselor tehnologice, precum i prin continua introducere a tehnicii de calcul n industrie.

    Automatizarea se realizeaz cu ajutorul sistemelor automate, n care se efectueaz comanda i reglarea proceselor tehnice n raport cu anumite condiii date, fr participarea direct a omului n ndeplinirea acestor funciuni [1].

    437

  • Automatizarea proceselor de producie se realizeaz pe dou niveluri principale i anume: automatizarea convenional i cea complex. Automatizarea convenional realizeaz comanda i reglarea variabilelor unui proces tehnic, independent unele de altele, urmrind s menin n anumite limite valorile individuale ale acestor variabile, deci s menin starea de inerie, a procesului. Automatizarea complex are drept scop ca variabilele procesului s satisfac, un anumit criteriu, uzual tehnico-economic, numit funcie de performan. n cazul n care se urmrete extremizarea (minimizarea sau maximizarea) valorii acestui criteriu, se realizeaz optimizarea (conducerea optimal) a procesului. Automatizarea complex se realizeaz cu ajutorul calculatoarelor, care comand sistemele de reglare convenionale. Procesele tehnice din instalaiile metalurgice sunt variate i complexe, fiind caracterizate prin numr mare de variabile i condiii dificile de desfurare (temperaturi ridicate, agregate nchise etc.). Toate aceste procese decurg n utilaje tehnologice (termice sau mecanice), interdependente n cadrul unei instalaii tehnologice, care are drept scop realizarea unui proces tehnologic unitar. Automatizarea instalaiei tehnologice nseamn deci automatizarea tuturor utilajelor tehnologice componente, adic a fiecrui proces tehnic care decurge n fiecare dintre acestea, innd seam de interdependena lor n ansamblul instalaiei. Industria metalurgic din ara noastr se caracterizeaz printr-un grad practic total de mecanizare i grad avansat de automatizare convenional i complex. Peste 90 % din producia de font i oel i peste 70 % din producia de laminate se obin n instalaii total sau parial automatizate; de asemenea, instalaiile de tratamente termice i forjare, din uzinele metalurgice sau constructoare de maini, au un grad ridicat de automatizare.

    Eficacitatea tehnico-economic se manifest n esen prin mrirea productivitii agregatelor, mbuntirea calitii produselor i reducerea costurilor de producie [1]. 2. Generaliti despre cuptoarele cu arc electric Cuptorul este un agregat tehnologic, n spaiul su de lucru desfurndu-se procese metalurgice complexe bazate pe legi fizico-chimice care presupun cunoaterea fenomenelor de interaciune ntre cele trei faze participante la proces: gazoas, lichid i solid. Sursa principal de cldur a procesului de elaborare este de

    438

  • natur electric, fapt care impune necesitatea cunoaterii fenomenelor electrotehnice i electromagnetice.

    Funcie de utilizarea cuptoarelor cu arc electric, acestea se clasific n cuptoare pentru elaborarea oelurilor, cuptoare cu arc electric n vid i cuptoare electrice pentru reducere [2].

    Cuptoarele pentru elaborarea oelurilor sunt alimentate, n general n curent alternativ trifazat. Arcul electric se stabilesc ntre electrozi i arj.

    Din punct de vedere al procedeului metalurgic, 90 % dintre aceste cuptoare au cptueal bazic i sunt utilizate pentru:

    - topirea deeurilor nealiate n scopul obinerii oelurilor de calitate;

    - retopirea deeurilor nealiate sau aliate cu puin fosfor; - topirea sub zgur oxidant n scopul obinerii oelurilor normale

    nealiate; - retopire n cuptoare cu cptueal bazic n scopul obinerii

    oelurilor din deeuri foarte pure; Cuptorul cu arc electric funcioneaz n regim intermitent, cuva

    acestuia fiind complet golit dup fiecare arj, iar pornirea se realizeaz cu ncrctur solid, din aceast cauz el se utilizeaz ca utilaj primar de topire n turntorii.

    Capacitatea cuptoarelor cu arc electric poate fi mic (10 t), medie (10-100 t) sau mare (>100 t).

    Cuptoarele cu arc electric destinate elaborrii oelurilor prezint urmtoarele avantaje: - construcie robust; - flexibilitate din punct de vedere al materialului ncrcturii - deeuri de toate calitile, minereu de fier redus sub form de buci, etc.; - capaciti foarte mari (n prezent sunt n exploatare uniti pn la 400 t); - puteri unitare ridicate (pn la 160 MVA); puterile pe unitatea de capacitate au valori ntre 300 kVA/t la capaciti mari i 1000 kVA/t la capaciti mici i medii; - regimul tehnologic este reglat automat, elaborarea arjelor fiind condus prin microcalculatoare i microprocesoare; - consumul specific de energie este n limitele 400-750 kWh/t; - productivitatea este ntre 2 i 100 t/h.

    Topirea metalelor n cuptoarele cu arc electric se bazeaz pe cantitatea de cldur dezvoltat n arcul electric i transmis prin radiaie arjei. Arcul electric arde ntre electrozii solizi i lichizi (metalul

    439

  • topit) ntr-un mediu gazos ionizat, n prezena unei tensiuni electrice corespunztoare [3].

    Puterea transmis arjei prin radiaia arcului aflat la temperatura absolut Ta, este dat de relaia [4]:

    4 4

    a ss n s

    T TP C A

    100 100

    (1)

    unde: - este emisivitatea arjei; s

    - n 2 4WC 5,77

    m K - coeficientul de radiaie;

    - - temperatura absolut a arjei; sT - sA - suprafaa oglinzii arjei, n m

    2. Principalele dezavantaje ale acestor cuptoare sunt:

    solicitare termic puternic a capacului i pereilor cuptorului, datorit arcurilor electrice;

    variaie mare a puterii (25 pan la 100 % din puterea nominal) ntre fazele regimului tehnologic;

    factor de putere sczut (cos = 0,7) i variaii ale consumului de putere reactiv;

    este un consumator trifazat dezechilibrat, care reprezint i o surs de regim deformant;

    baia de metal topit are o agitaie redus; n timpul fazei de topire se dezvolt un zgomot ce atinge 90

    120 dB, iar cantitatea de praf ajunge la 20 kg pentru fiecare ton de oel.

    Eliminarea acestor dezavantaje este posibil printr-o serie de msuri speciale.

    Din punct de vedere constructiv, cuptorul pentru topirea oelului cuprinde: cuva de topire (1), sistemul de pivotare a bolii (2), transformatorul de alimentare (3), reeaua scurt (4), grinda portelectrod (5), dispozitivul de comand hidraulic a electrozilor (6), cei trei electrozi (7), orificiul de evacuare a oelului (8).

    Reeaua scurt cuprinde trei poriuni. Prima poriune este realizat sub forma unui pachet de bare i asigur legtura dintre bobinele secundare ale transformatorului i ieirea din ncperea unde este plasat acesta. Cea de-a doua poriune este realizat cu cabluri flexibile din cupru i preia variaiile datorate modificrii poziiei electrozilor pe durata elaborrii arjei. Cea de-a treia poriune, realizat din bare rcite cu ap, este solidar cu portelectrodul (5) al fazei

    440

  • respective i izolat electric de acesta prin intermediul unor izolatoare (9). Arcul electric apare ntre electrozi i masa metalului (12) care urmeaz a fi procesat.

    Fig. 1 Elementele constructive ale cuptorului cu arc electric trifazat

    3. Sistemul automat de reglare a poziiei electrozilor

    Tehnologia producerii oelului n cuptoarele electrice cu arc electric i tratamentul ulterior n cuptoarele de nclzire (L.F.), este cea mai modern i cea mai des utilizat.

    Procesul de topire dureaz din momentul conectrii la reeaua electric a cuptorului, pn la topirea complet a materialului din cuptor. Principala caracteristic, din punct de vedere energetic, a procesului de topire este funcionarea instabil a arcului electric [3]. Lungimea arcului electric (20....30 cm) se modific n limite largi la surparea i deplasarea ncrcturii (de la scurtcircuit, pn la ntreruperea arcului electric). Durata procesului de topire este mai mult de jumtate din durata necesar elaborrii arjei i n acest interval de timp se consum 60...80 % din energia electric necesar ntregului ciclu de elaborare. Cealalt parte din energia electric 20...40 %, se consum n faza de oxidare, atunci cnd ncrctura este sub form lichid, caz n care variaia lungimii arcului electric i variaia curentului absorbit de la reea sunt mai mici. Procesul de topire este caracterizat de variaii mari ale intensitii curentului electric n circuit (pot aprea 5....10 scurtcircuite pe minut, eliminate prin aciunea sistemului automat de reglare a electrozilor).

    441

  • Indicatorii energetici ai cuptorului cu arc depind n mare msur de curentul electric prin arc [3]. Variaiile acestui curent sunt produse de modificrile regimului de funcionare, care pot fi:

    - lente, datorate arderii electrozilor, ridicrii sau coborrii treptate a bii metalice, variaiei temperaturii i rezistenei arcului electric la lungime constant;

    - rapide, avnd drept cauz surparea ncrcturii, care conduce la scurtcircuite sau ntreruperi ale arcurilor electrice;

    - foarte rapide i oscilatorii, datorate fierberii metalului din baie, fluctuaiilor arcurilor etc. Distana dintre electrozi i baia metalic este controlat de un

    sistem hidraulic care mic electrozii pe direcie vertical. Aceasta ofer posibilitatea de a regla puterea de intrare, n funcie de cerinele procesului tehnologic. Micrile electrozilor sunt controlate de un regulator cu impedan.

    Dispozitivul de siguran al electrozilor previne ruperea acestora n cazul n care se ncarc material slab conductor. Sistemul este dotat cu un Controler Logic Programabil (PLC) asistat de microcomputer. Are o form modular i este potrivit pentru utilizarea n mediul industrial. Sistemul opereaz n sistem multiplex att n ceea ce privete introducerea informaiilor, ct i n ceea ce privete circuitul de ieire. n interior, adresele i stocarea ntrebrilor sunt efectuate n mod ciclic de calculatorul de reglaj. Funciile de comand pe care le rezolv sistemul sunt: micrile cuptorului, dispozitivele de blocare a cuptorului i operaiile de conectare a ntreruptorului de nalt tensiune.

    Scopul sistemului automat de reglare a poziiei electrozilor este s obin soluia optim de operare n fiecare faz a procesului de topire i s-i adapteze performana la eventualele disfuncionaliti din timpul funcionrii. Sistemul automat de reglare a poziiei electrozilor este baza oricrui cuptor cu electrozi i a fcut necesar apariia unui sistem digital modern, pentru mrirea randamentului i reducerea preurilor de cost pe arj [1]. Datorit dezvoltrii rapide a microelectronicii din ultimii ani a fost posibil apariia componentelor performante de calculator i evoluia unui nou sistem automat de reglare a poziiei electrozilor - digital, numit DEC 921 PC n formatul calculatoarelor industriale, care a satisfcut complet cerinele de vitez i precizie a operaiilor. Implementarea calculatoarelor industriale a fcut posibil

    442

  • folosirea modulului DEC 921 PC chiar i n fabrici care nu au PLC SIMATIC S-5. n cazul de fa, regulatorul poziiei electrozilor (DEC 921 PC), lucreaz interconectat cu un automat programabil SIMATIC S-5. Sistemul automat de reglare a poziiei electrozilor, la cuptorul cu arc electric trifazat, este alctuit din:

    Regulatorul DEC 921 PC Automatul programabil SIEMENS SIMATIC S-5 Instalaia hidraulic

    Fig. 2 Schema bloc a sistemului automat de reglare a poziiei electrozilor

    4. Concluzii

    Sistemul de reglare automat a poziiei electrozilor care folosete calculatorul de proces DEC 921 PC, asigur funcionarea cuptorului la regimul optim, nlturnd rapid perturbaiile de natur electric care apar n timpul procesului de elaborare a oelului. Avantajele pe care le prezint acest sistem de reglare sunt: - Sensibilitate ridicat care asigur un regim de funcionare stabil a arcului electric; - Rapiditatea, care permite nlturarea perturbaiilor extreme cum ar fi scurtcircuite sau ntreruperi ale arcului electric; - Reducerea la minim a deplasrilor inutile ale electrozilor la

    443

  • 444

    perturbaii trectoare; - Viteza mare de ridicare a electrozilor datorit folosirii instalaiei hidraulice; - Posibilitatea modificrii puterii n arc cu o precizie de 5 %; - Posibilitatea lucrului cu mai multe valori ale curenilor pe aceeai treapt a transformatorului, datorit posibilitilor de memorare a calculatorului de proces a pn la 20 de setri de curent pentru fiecare treapt n parte; - Reaprinderea automat a arcului electric; - Oprirea electrozilor la dispariia tensiunii de alimentare; - Automatizarea la nivel nalt a tuturor operaiilor care privesc cuptorul electric, dar i a utilajelor auxiliare, datorit folosirii automatului programabil SIMATIC S-5; - Reducerea considerabil a consumului de putere reactiv din reeaua de alimentare, datorit folosirii instalaiei de compensare a puterii reactive. Prin generalizarea acestor realizri n mai mare msur, se poate ajuta progresul automatizrii complete i se pot obine rezultate tehnico-economice superioare, aa cum s-a realizat cu instalaiile de reglare a poziiei electrozilor corespunztor randamentului optim, independent de personal i s-au obinut grade de utilizare a cuptorului de 90 %. BIBLIOGRAFIE [1] Oprescu, I., Vrcolacu, I., Automatizri metalurgice, Editura didactic i pedagogic, Bucureti, 1983. [2] Ru, A., Cosma, D., Ilin, G., Elaborarea oelului n cuptoare electrice cu arc, Editura tehnic, Bucureti, 1967. [3] Schwabe, W.E., Procese energetice i de topire n CAE, Elektrowrme Int, nr. 3, 1987. [4] Samoil, C., Drug, L., Stan, L., Cuptoare i instalaii de nclzire, Editura didactic i pedagogic, Bucureti, 1983.

    Drd.Ing. Maria NSUDEAN

    membru AGIR, e-mail: [email protected] ef lucr.Ec.Dr.Ing. Corina Maria DINI

    membru AGIR, e-mail: [email protected] Ing. Gyngyi BITTERMANN

    e-mail: [email protected] Facultatea de Inginerie Hunedoara, Universitatea Politehnica Timioara

    mailto:[email protected]:[email protected]:gy%C3%[email protected]