Validation of a system for continuous steel temperature measurement in electric arc furnaces

When considering the steel production by means of Electric Arc Furnace (EAF) the temperature measurement of the molten bath is a key aspect. The current available technology, based on dipstick thermocouples, provides a single temperature sample close to the bath surface, not enough to monitor the not uniform temperature distribution of the molten steel inside the bath. The realization of a novel system able to continuously measure the temperature of the molten bath will enhance efficiency, productivity, and safety of steel production via EAF. In this context two previous works were developed. As first, a thermal model for the estimation of the temperature at the interface between refractory and molten steel were theoretically developed and tested by means of simulations. Second, a system for the estimation of the refractory erosion of the internal wall of the furnace was validated to provide thickness data to the thermal model. Starting from these results, this work focuses on the validation of the proposed model by means of laboratory experiments, starting from the data acquisition needed as input for the model, to the model validation in terms of temperature estimation error and uncertainty evaluation. A custom data acquisition system was designed and developed to provide the necessary information to the thermal model. The system was prototyped and tested by two laboratory experiments: a system calibration and system comparison with a reference measurement system. The data acquisition system, paired with a specific setup developed on purpose, was used for the validation of the proposed thermal model by means a laboratory experiment. Results show an average Root Mean Square Error (RMSE) of 2°C between measured and estimated temperatures, meaning that the model can reproduce the refractory lining behaviour with a negligible error compared to the involved temperatures. Since the thermal model was coupled with a thickness measurement system, the estimation error of the thermal model caused by the uncertainty on the length of the refractory lining was analysed, revealing that the resolution of 1 cm in the thickness measurement provides an average RMSE error of 2.2°C between the nominal length of the refractory and the maximum erosion value smaller than the measurement system resolution. The achieved error is acceptable considering that the temperatures reached more than 130°C during laboratory tests, providing a relative error lower than 2%, with a temperature inhomogeneity of the melt in the real application that approaches a few hundreds of Celsius degrees.

Nell’ambito della produzione dell’acciaio utilizzando un Forno ad Arco Elettrico (EAF) la misura della temperatura del bagno fuso è un aspetto fondamentale. Le tecnologie attualmente disponibili, basate su termocoppie ad immersione, forniscono una sola misura della temperatura vicino alla superficie del bagno. Questa tipologia di misura non risulta tuttavia sufficiente per monitorare la distribuzione di temperatura del bagno, non essendo essa uniforme durante il processo produttivo. La realizzazione di un innovativo sistema in grado di effettuare una misura continua della temperatura dell’acciaio fuso aumenterebbe l’efficienza, la produttività e la sicurezza nell’ambito della produzione di acciaio tramite EAF. Per realizzare tale scopo sono stati svolti due lavori. Nel primo, è stato sviluppato un modello teorico, verificato in seguito tramite simulazioni, per la stima della temperatura nella zona di contatto tra il rivestimento refrattario della fornace e l’acciaio fuso. Mentre nel secondo è stato messo a punto un sistema in grado di stimare l’erosione della parete interna della fornace, in modo da poter fornire al modello termico informazioni sullo spessore del refrattario. Partendo dai risultati ottenuti, questo lavoro si concentra sulla validazione del modello termico proposto, tramite prove di laboratorio. Il punto di partenza è stato l’acquisizione dei dati necessari alla validazione del modello, in modo da stimare l’errore di temperatura e valutare l’incertezza. È stato progettato e sviluppato un sistema di acquisizione dati in grado di fornire le informazioni richieste dal modello termico. È stato realizzato un prototipo del sistema, testato per mezzo di due prove di laboratorio: una calibrazione e una comparazione con un sistema di riferimento. Il sistema di acquisizione dei dati, preparato con un’installazione su misura, è stato poi usato per la validazione del modello termico, per mezzo di una prova di laboratorio. I risultati hanno evidenziato un errore quadratico medio (RMSE) di 2°C tra la temperatura misurata e quella stimata dal modello. Questo implica che il modello è in grado di simulare la distribuzione di temperatura all’interno del rivestimento refrattario, commettendo un errore trascurabile rispetto alle temperature raggiunte dalla fornace. Essendo il modello termico affiancato da un sistema per la misura dello spessore, è stata analizzata la stima dell’errore commesso dal modello a causa dell’incertezza sulla lunghezza del rivestimento refrattario. Ne è emerso che la risoluzione di 1 cm nella misura dello spessore causa un errore RMSE di 2.2°C tra la lunghezza nominale del refrattario e il massimo valore di erosione non rivelato dalla risoluzione del sistema. Questo valore è accettabile rispetto alla temperatura di 130°C raggiunta durante le prove, in quanto produce un errore relativo minore del 2%. La precisione del risultato aumenta se si considera la disomogeneità nella temperatura del fuso, che raggiunge le poche centinaia di gradi Celsius in un’applicazione reale.