Inspection methods and analysis of electric power quality influence on production processes: an application to EAF operations

In this research work a novel approach for assessing the influence of electrical supply characteristics on operating conditions of arc furnaces has been presented: it is based on the definition of a set of quality and influence parameters which are capable to estimate in detail the influence of electrical quantities on process efficiency. The validation of this approach has been achieved through the implementation of a dedicated monitoring system and the analysis of a real case study. More than 3500 furnace operations have been recorded and analyzed during two years monitoring activity. A detailed analysis is then performed on 1500 selected heats. The main aim of this research study is to demonstrate that furnace supply voltage characteristics can affect the melting process and can worsen the furnace operations efficiency. This influence cannot be considered critical because arc melting is a very complex process which is influenced by several factors, very often correlated. Anyway it could lead to inefficient furnace operations and difficult melting which can impact also on the maintenance and production costs. The implemented methodology gives a valid tool to estimate, with good accuracy, supply voltage impact on arc characteristics avoiding to deal in detail with complex chemistry and thermodynamics of the scrap/steel compound; furthermore it could provide the basis for condition monitoring of the arc furnace system from the electrical point of view. In the first part of the presented analysis interrelations between electrical phenomena observed at PCC and electrical quantities behaviour at EAF bus bar were investigated: a slight interaction between PCC and EAF bus voltage has been found, and a lot of monitored heats showed voltage unsteadiness and variations resulting in poor efficiency and high yield loss. Later a detailed analysis of each melting step based on the comparison of actual electrical figures with a reference frame has been performed, resulting in a set of quality parameters. These quality parameters have been defined to classify actual voltage profiles and also to identify and separate the effect of the two major causes of voltage unsteadiness and far from settings values, i.e. furnace load conditions (scrap mix influence) and voltage regulation mode. The influence of these two factors has been assessed and good results were obtained from the statistical analysis reported, and the effects of voltage regulation and scrap charge were demonstrated. In this study, data collecting and post-processing has represented a big part of the research activity: this was essential in order to build a solid statistical dataset. Another big effort was devoted to the monitoring system development and tuning: it proved to be up to the tasks and extremely reliable, being in service continuously form more than two years without failures, although it is a prototype. An innovative point of the presented methodology is the level of detail used for melting process analysis: similar approaches reported in literature deal only with quantities related to the entire melting processes, and in some cases statistical analysis is based on monthly trends or average values obtained from groups of heats. Anyway, better results could be achieved if more detailed information about charge composition and SVC control criteria, as well as actual conditions or relevant phenomena which occurs in the furnace tub during melting, could be made available. The implemented monitoring system could provide a valuable contribution in an improved control system, allowing measurement of actual electrical quantities and calculating quality parameters in real-time conditions in order to predict furnace performances. An integration with the voltage control system will allow on-line voltage regulation for an efficient supply system tuning for improving furnace operations.

In questo studio viene presentato un nuovo approccio per valutare l'influenza delle caratteristiche dell’alimentazione elettrica sulle condizioni di funzionamento dei forni ad arco: esso si basa sulla definizione di un insieme di parametri di qualità e parametri di influenza che permettono di stimare in dettaglio l'influenza delle grandezze elettriche sull’efficienza del processo. La validazione di questo approccio è stata realizzata attraverso l'implementazione di un sistema di monitoraggio dedicato e l'analisi di un caso di studio reale. Nel corso di due anni di attività di monitoraggio sono state registrate ed analizzate più di 3500 colate. Un’ulteriore analisi dettagliata è stata eseguita su 1500 colate selezionate. L'obiettivo principale di questo studio di ricerca è quello di dimostrare che le caratteristiche della tensione di alimentazione del forno possono influenzare il processo di fusione e possono peggiorare l'efficienza delle operazioni di fusione. Questa influenza non può essere considerata critica perché fusione ad arco elettrico è un processo molto complesso ed è influenzata da diversi fattori, molto spesso correlati tra loro. In ogni caso un’alimentazione elettrica di caratteristiche non adeguate può rendere le operazioni di fusione difficoltose e inefficienti che possono anche influenzare negativamente i costi di manutenzione e di produzione. La metodologia implementata fornisce un valido strumento per stimare, con buona precisione, l’impatto della tensione di alimentazione sulle caratteristiche dell'arco senza analizzare in dettaglio gli aspetti chimici e la termodinamici del composto rottame/acciaio fuso; inoltre può fornire la base per il monitoraggio delle condizioni dell’intero sistema del forno ad arco, da un punto di vista elettrico. Nella prima parte dell’analisi sono state esaminate le correlazioni presenti tra i fenomeni elettrici osservati al PCC e il comportamento delle grandezze elettriche in corrispondenza delle sbarre del forno: una lieve interazione tra la tensione al PCC e la tensione del bus EAF è stata osservata, e in molte colate in cui è stata riscontrata instabilità e variabilità nella tensione hanno mostrato un’efficienza bassa e perdite di resa elevate. Successivamente è stata eseguita un'analisi dettagliata di ciascuna fase di fusione basata sul confronto degli andamenti effettivi delle grandezze elettriche con un sistema di riferimento, che ha portato alla definizione di un gruppo di parametri di qualità. Questi parametri sono stati definiti per classificare i profili di tensione reali e anche per identificare e separare gli effetti delle due principali cause di instabilità e di disuniformità dei valori di tensione rispetto ai valori impostati, vale a dire le condizioni di carico del forno (influenza della miscela di rottame) e la modalità di regolazione della tensione. L'influenza di questi due fattori è stata esaminata e buoni risultati sono stati ottenuti dall'analisi statistica riportata, e gli effetti di regolazione della tensione e la carica di rottami sono stati dimostrati. La raccolta dei dati e la post-elaborazione hanno costituito una parte consistente dell'attività di ricerca svolta: queste operazioni sono state fondamentali per costruire un set di dati statisticamente valido. Un altro grande sforzo è stato dedicato allo sviluppo e alla messa a punto del sistema di monitoraggio: pur essendo un prototipo si è rivelato adeguato all’attività svolta ed estremamente affidabile, rimanendo in servizio continuo per più di due anni senza guasti. Un punto innovativo della metodologia presentata è il livello di dettaglio utilizzato per l'analisi del processo di fusione: approcci simili riportati in letteratura trattano solo quantità relative all'intero processo di fusione e, in alcuni casi, l'analisi statistica è basata sulle tendenze mensili o valori medi ottenuti da gruppi di colate. In ogni caso si potrebbero ottenere risultati migliori se informazioni più dettagliate sulla composizione della carica di rottame e sui criteri di controllo del sistema di regolazione della tensione, così come le condizioni reali o fenomeni rilevanti che si verificano all’interno del forno durante la fusione, fossero disponibili. Il sistema di monitoraggio implementato può fornire un valido contributo nello sviluppo di un sistema di controllo evoluto, consentendo la misurazione delle grandezze elettriche il calcolo dei parametri di qualità in condizioni real-time al fine di prevedere le prestazioni del forno. L'integrazione con il sistema di controllo di tensione consentirebbe di eseguire la regolazione della tensione on-line, ottenendo così un’efficiente messa a punto del sistema di alimentazione in modo da migliorare le operazioni di fusione.