Um forno elétrico a arco (EAF) operando com controle manual — com um operador qualificado ajustando a derivação do transformador e a posição do eletrodo pelo tato — pode alcançar resultados satisfatórios. Um EAF operando com um sistema de automação de Nível 2 bem ajustado pode reduzir o tempo de operação em 8 a 12%, o consumo de eletrodos em 10 a 15% e o consumo de energia elétrica em 20 a 40 kWh por tonelada. A diferença não é pequena. Para uma planta com capacidade de 500.000 toneladas por ano, pagando US$ 0,08 por kWh, uma economia de 30 kWh/tonelada se traduz em US$ 1,2 milhão anualmente.
A MONTE INTELLIGENCE integra sistemas de controle de processos em nossos pacotes de fornecimento para fornos elétricos a arco (EAF). Este artigo aborda a arquitetura de controle, os algoritmos que a impulsionam e os desafios práticos de implementação.
A automação de nível 1 lida com o controle em tempo real — regulação de eletrodos, controle do sistema hidráulico e regulação do fluxo de água de refrigeração. Essas funções são executadas em controladores lógicos programáveis (CLPs) com tempos de ciclo de 10 a 50 milissegundos. O sistema de regulação de eletrodos é a função de nível 1 mais crítica: ele deve manter um comprimento de arco estável apesar das perturbações causadas pela movimentação de sucata, formação de espuma de escória e flutuações de tensão na rede elétrica.
A regulação de eletrodos baseada na impedância é a abordagem padrão. O regulador mede a tensão e a corrente do arco, calcula a impedância (Z = V/I) e ajusta a posição do eletrodo para manter o valor de referência da impedância. Esse valor varia ao longo do processo de aquecimento: maior impedância durante a fase de fusão da sucata para proteger a carcaça do forno da radiação do arco, e menor impedância durante a fase de banho plano para maximizar a potência de entrada.
Os reguladores modernos utilizam controle de ganho adaptativo — os ganhos proporcional e integral do circuito PID ajustam-se automaticamente com base nas condições de operação. Quando o arco está instável (desmoronamento de sucata, variações na escória espumosa), os ganhos aumentam para proporcionar uma resposta mais rápida. Quando o arco está estável, os ganhos diminuem para evitar movimentos desnecessários dos eletrodos, que aumentam o consumo dos mesmos e o desgaste do sistema hidráulico.
A automação de Nível 2 proporciona a otimização do nível de aquecimento que se situa acima do controle em tempo real de Nível 1. O sistema de Nível 2 recebe a especificação da classe de aço do sistema de execução de manufatura (MES) da fábrica, calcula os pontos de ajuste ideais para cada fase do aquecimento e os envia para o sistema de Nível 1. Após o aquecimento, o sistema de Nível 2 analisa o desempenho em relação às metas e ajusta os pontos de ajuste para o próximo aquecimento com base nos resultados.
O perfil térmico em um sistema de Nível 2 divide o ciclo do forno elétrico a arco (EAF) em fases distintas: carga 1 da cesta, fusão 1, carga 2 da cesta, fusão 2, refino e vazamento. Cada fase possui pontos de ajuste específicos para tensão do arco, corrente do arco, vazão de oxigênio, taxa de injeção de carbono e operação do queimador. O sistema de Nível 2 ajusta esses pontos de ajuste com base na mistura real de sucata, na temperatura de vazamento desejada e no teor de carbono alvo.
As aplicações de redes neurais no controle de fornos elétricos a arco (EAF) passaram de artigos de pesquisa para sistemas de produção. A aplicação mais comum é a predição do ponto final — estimar a temperatura do banho e o teor de carbono ao final da corrida com base em dados de processo em tempo real, sem a necessidade de aguardar uma análise química. Uma rede neural treinada com dados históricos de corridas pode prever a temperatura final com uma precisão de ±15°C e o teor de carbono final com uma precisão de ±0,02% em 85-90% das corridas.
Os dados de entrada para a rede de previsão do ponto final incluem energia elétrica acumulada, volume de oxigênio acumulado, carbono injetado acumulado, temperatura e composição dos gases de exaustão (CO, CO2, H2), aumento da temperatura da água de resfriamento e tempo decorrido. A rede aprende as relações entre essas variáveis e as condições do ponto final a partir de milhares de ciclos de aquecimento históricos. Uma vez treinada, ela fornece uma estimativa em tempo real que permite ao operador tomar medidas corretivas — ajustar o fluxo de oxigênio, adicionar carbono, estender ou encurtar o ciclo de aquecimento — antes que a amostragem confirme o ponto final real.
O gerenciamento preditivo de energia é um recurso que se torna importante quando o forno elétrico a arco (EAF) opera em uma rede elétrica com restrições. O EAF representa uma carga elétrica grande e altamente variável. As tarifas de demanda da concessionária podem adicionar de US$ 5 a US$ 15 por MWh ao custo da eletricidade. Um sistema de gerenciamento preditivo de energia utiliza o perfil de aquecimento para prever a demanda de energia com 5 a 15 minutos de antecedência e gerencia a carga para que permaneça dentro dos limites de demanda contratados. Se a previsão exceder o limite, o sistema pode reduzir temporariamente a derivação do transformador, ajustar a posição dos eletrodos para reduzir a corrente ou atrasar o início da próxima fase de aquecimento.
A infraestrutura de dados costuma ser o gargalo na implementação de controle de processos avançado. O sistema precisa de dados dos CLPs (Nível 1), do sistema de gerenciamento de energia, do analisador de gases de exaustão, do sistema de medição de temperatura e do sistema de informações do laboratório. Os dados devem ser sincronizados com precisão de até um segundo. Muitas fábricas descobrem, durante as atualizações de automação, que sua infraestrutura de dados existente não suporta esses requisitos, e as atualizações de rede e banco de dados representam uma parcela significativa do custo do projeto.
A MONTE INTELLIGENCE estabelece parcerias com os principais fornecedores de automação para fornecer sistemas de controle EAF integrados. Nosso escopo inclui especificação do sistema de controle, engenharia de integração, comissionamento e treinamento de operadores.
Para discussões sobre controle de processos específicas para a configuração do seu forno, entre em contato com helenxu@cnlymonte.com.
