Un four à arc électrique (FAE) fonctionnant en mode manuel – un opérateur qualifié ajustant au toucher la prise du transformateur et la position des électrodes – peut atteindre des performances honorables. Un FAE équipé d'un système d'automatisation de niveau 2 bien paramétré permet de réduire le temps de fonctionnement de 8 à 12 %, la consommation d'électrodes de 10 à 15 % et la consommation d'énergie électrique de 20 à 40 kWh par tonne. La différence est loin d'être négligeable. Pour une usine d'une capacité de 500 000 tonnes par an, où le coût du kWh est de 0,08 $, une économie de 30 kWh/tonne représente 1,2 million de dollars par an.
MONTE INTELLIGENCE intègre des systèmes de contrôle de processus à ses solutions complètes pour fours à arc électrique (EAF). Cet article présente l'architecture de contrôle, les algorithmes qui la pilotent et les défis pratiques liés à sa mise en œuvre.
L'automatisation de niveau 1 assure le contrôle en temps réel : régulation des électrodes, du système hydraulique et du débit de refroidissement par eau. Ces fonctions sont exécutées par des automates programmables (PLC) avec des temps de cycle de 10 à 50 millisecondes. Le système de régulation des électrodes est la fonction de niveau 1 la plus critique : il doit maintenir une longueur d'arc stable malgré les perturbations dues aux mouvements de déchets, au moussage des scories et aux fluctuations de tension du réseau électrique.
La régulation des électrodes par impédance est la méthode standard. Le régulateur mesure la tension et le courant d'arc, calcule l'impédance (Z = V/I) et ajuste la position des électrodes pour maintenir l'impédance de consigne. Cette consigne varie au cours du cycle de chauffe : impédance plus élevée pendant la phase de fusion des déchets pour protéger l'enveloppe du four du rayonnement de l'arc, et impédance plus faible pendant la phase de bain plat pour optimiser la puissance absorbée.
Les régulateurs modernes utilisent une commande de gain adaptative : les gains proportionnel et intégral de la boucle PID s’ajustent automatiquement en fonction des conditions de fonctionnement. En cas d’instabilité de l’arc (effondrements dus aux déchets, variations de la consistance du laitier), les gains augmentent pour une réponse plus rapide. Lorsque l’arc est stable, les gains diminuent afin d’éviter les mouvements inutiles des électrodes, qui augmentent leur consommation et l’usure du système hydraulique.
L'automatisation de niveau 2 assure l'optimisation des phases de coulée, en complément du contrôle en temps réel de niveau 1. Le système de niveau 2 reçoit les spécifications de nuance d'acier du système MES (Manufacturing Execution System) de l'usine, calcule les points de consigne optimaux pour chaque phase de la coulée et les transmet au système de niveau 1. Après la coulée, le système de niveau 2 analyse les performances par rapport aux objectifs et ajuste les points de consigne pour la coulée suivante en fonction des résultats.
Le profil thermique d'un système de niveau 2 divise le cycle du four à arc électrique (EAF) en phases distinctes : chargement du panier 1, fusion 1, chargement du panier 2, fusion 2, affinage et coulée. Chaque phase possède des points de consigne pour la tension d'arc, le courant d'arc, le débit d'oxygène, le taux d'injection de carbone et le fonctionnement du brûleur. Le système de niveau 2 ajuste ces points de consigne en fonction du mélange de ferraille réel, de la température de coulée souhaitée et de la teneur en carbone cible.
Les applications des réseaux de neurones dans le contrôle des fours à arc électrique (EAF) sont passées du stade de la recherche à celui des systèmes de production. L'application la plus courante est la prédiction du point final : l'estimation de la température du bain et de la teneur en carbone à la fin de la coulée à partir de données de procédé en temps réel, sans attendre d'analyse chimique. Un réseau de neurones entraîné sur des données historiques de coulées peut prédire la température finale à ±15 °C près et la teneur en carbone finale à ±0,02 % près pour 85 à 90 % des coulées.
Les données d'entrée du réseau de prédiction du point final comprennent l'énergie électrique cumulée, le volume d'oxygène cumulé, le carbone injecté cumulé, la température et la composition des gaz d'échappement (CO, CO₂, H₂), l'élévation de température de l'eau de refroidissement et le temps écoulé. Le réseau apprend les relations entre ces variables et les conditions du point final à partir de milliers de cycles de chauffe historiques. Une fois entraîné, il fournit une estimation en temps réel permettant à l'opérateur d'effectuer des corrections (ajustement du débit d'oxygène, ajout de carbone, prolongation ou réduction de la durée de la chauffe) avant que l'échantillonnage ne confirme le point final réel.
La gestion prédictive de la puissance est essentielle lorsque le four à arc électrique (EAF) est raccordé à un réseau électrique saturé. L'EAF représente une charge électrique importante et très variable. Les surcoûts liés à la demande facturés par le fournisseur d'électricité peuvent augmenter le coût de l'électricité de 5 à 15 $ par MWh. Un système de gestion prédictive de la puissance utilise le profil thermique pour prévoir la demande en énergie 5 à 15 minutes à l'avance et gère la charge afin de rester dans les limites contractuelles. Si la prévision dépasse la limite, le système peut temporairement réduire la prise du transformateur, ajuster la position des électrodes pour réduire le courant ou retarder le démarrage de la prochaine chauffe.
L'infrastructure de données constitue souvent le principal obstacle à la mise en œuvre de systèmes de contrôle de processus avancés. Le système requiert les données des automates programmables (niveau 1), du système de gestion de l'énergie, de l'analyseur de gaz d'échappement, du système de mesure de la température et du système d'information du laboratoire. Ces données doivent être synchronisées à la seconde près. Lors de la modernisation de leurs systèmes d'automatisation, de nombreuses usines constatent que leur infrastructure de données existante ne répond pas à ces exigences, et les mises à niveau du réseau et des bases de données représentent alors une part importante du coût du projet.
MONTE INTELLIGENCE collabore avec les principaux fournisseurs de systèmes d'automatisation pour fournir des systèmes de contrôle intégrés pour fours à arc électrique. Notre offre comprend la spécification du système de contrôle, l'ingénierie d'intégration, la mise en service et la formation des opérateurs.
Pour toute discussion relative au contrôle des procédés spécifiques à la configuration de votre four, veuillez contacter helenxu@cnlymonte.com.
