ES2415560A2 - Control method for heating ovens - Google Patents
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Abstract
Description
Procedimiento de control de hornos de calentamiento Heating furnace control procedure
La presente invención se refiere a un procedimiento de control de hornos de calentamiento, que tiene especial aplicación en la industria metalúrgica, y más concretamente en el ámbito de los hornos de calentamiento de lingotes o piezas metálicos de grandes dimensiones, si bien la invención puede ser aplicada en cualquier tipo de horno de calentamiento destinado a cualquier otra industria, como por ejemplo la industria de la cerámica. The present invention relates to a heating furnace control process, which has special application in the metallurgical industry, and more specifically in the field of ingot furnaces or large metal parts, although the invention may be applied in any type of heating furnace intended for any other industry, such as the ceramic industry.
El procedimiento de la invención permite controlar la temperatura en cualquier punto del elemento a calentar, en adelante carga, durante la ejecución de cualquier ciclo térmico de calentamiento en un horno. The process of the invention allows to control the temperature at any point of the element to be heated, hereinafter charged, during the execution of any thermal heating cycle in an oven.
En los hornos de calentamiento existentes en la actualidad para la realización de tratamientos térmicos en lingotes o cualquier otro tipo de pieza, se plantea la necesidad de que toda la masa, incluyendo el núcleo, del lingote o pieza alcance una determinada temperatura, dado que en el caso de que el lingote o la pieza no alcanzara dicha temperatura en su interior, se podrían producir graves problemas en procesos o tratamientos térmicos posteriores. In the furnaces of heating existing at present for the realization of thermal treatments in ingots or any other type of piece, the need arises that the whole mass, including the core, of the ingot or piece reaches a certain temperature, since in In the event that the ingot or the piece did not reach said temperature inside, serious problems could occur in subsequent thermal processes or treatments.
En la actualidad, en este tipo de hornos, existe la limitación consistente en que no es posible medir la temperatura en el interior de una pieza de una forma no destructiva. At present, in this type of furnaces, there is a limitation that it is not possible to measure the temperature inside a piece in a non-destructive way.
Existe un retraso entre la temperatura de la cámara del horno Th y la de la pieza Tp. There is a delay between the temperature of the oven chamber Th and that of the Tp part.
La temperatura de la cámara del horno Th se mide mediante termopares de zona. El control de la temperatura se regula mediante programadores que permiten ajustar con bastante precisión la temperatura de la cámara del horno con respecto a la temperatura programada en el ciclo de calentamiento. The temperature of the oven chamber Th is measured by zone thermocouples. The temperature control is regulated by means of programmers that allow the oven chamber temperature to be adjusted quite accurately with respect to the temperature programmed in the heating cycle.
La temperatura de la superficie de la pieza se puede controlar mediante termopares de contacto. The surface temperature of the part can be controlled by contact thermocouples.
Una vez alcanzada la temperatura objetivo bien en la cámara del horno bien en la superficie de la pieza mediante una serie de cálculos más o menos precisos se calcula el tiempo que tarda el resto de la pieza en alcanzar la temperatura objetivo. Once the target temperature has been reached either in the oven chamber or on the surface of the part by means of a series of more or less precise calculations, the time it takes for the rest of the piece to reach the target temperature is calculated.
Estos datos se suelen encontrar tabulados en tablas para determinados tipos de aceros y dimensiones de pieza. These data are usually found tabulated in tables for certain types of steels and workpiece dimensions.
Las técnicas más modernas incorporan herramientas de simulación por elementos finitos. The most modern techniques incorporate finite element simulation tools.
Ambos métodos tanto las tablas como los modelos de simulación son más o menos precisos en tanto en cuanto se ajusten a las condiciones para las que fueron calculadas. En el momento en que algunos de los parámetros para los que fueron calculados varíen, tales como la composición del acero, las dimensiones de la pieza o la coexistencia de piezas de diferentes dimensiones dentro del horno o incluso la composición de la atmosfera del horno y por ende las propiedades de transmisión de calor, los resultados de los cálculos también pueden variar de forma significativa. Both methods both tables and simulation models are more or less accurate as long as they fit the conditions for which they were calculated. At the moment in which some of the parameters for which they were calculated vary, such as the composition of the steel, the dimensions of the piece or the coexistence of pieces of different dimensions within the oven or even the composition of the atmosphere of the oven and by Because of the heat transfer properties, the results of the calculations can also vary significantly.
Asimismo, otro factor de incertidumbre es que no los modelos de simulación y los datos teóricos de las tablas para obtener los resultados por extrapolación no tienen en consideración la situación real del horno y de la carga en el momento de la medida. En este sentido, el cálculo del tiempo de permanencia en el interior del horno de las piezas, es un valor sustancialmente constante que se utiliza independientemente de las condiciones del horno en cada momento. Por ejemplo, un horno nuevo es más eficaz energéticamente que un horno viejo, por lo que sus condiciones de operación difieren sustancialmente, lo cual no es considerado por los modelos de simulación. Another factor of uncertainty is that the simulation models and the theoretical data of the tables to obtain the results by extrapolation do not take into account the actual situation of the furnace and the load at the time of measurement. In this sense, the calculation of the residence time inside the kiln of the pieces is a substantially constant value that is used independently of the oven conditions at any time. For example, a new oven is more energy efficient than an old oven, so its operating conditions differ substantially, which is not considered by simulation models.
En la práctica, para evitar problemas de calentamiento insuficiente del núcleo, lo que se viene haciendo es mantener un tiempo excesivo la pieza dentro del horno, con el objeto de asegurar su calentamiento, sin embargo, esta práctica supone un gasto energético extra, además de que incrementa el tiempo de producción de manera innecesaria. In practice, in order to avoid problems of insufficient heating of the core, what has been done is to keep the part inside the oven for an excessive time, in order to ensure its heating, however, this practice involves an extra energy expenditure, in addition to which increases production time unnecessarily.
Por otra parte, los ciclos de tratamientos térmicos, contemplan un tiempo de empapamiento On the other hand, the cycles of thermal treatments, contemplate a time of soaking
o permanencia a una temperatura determinada para asegurar que toda la sección de la pieza alcanza una misma temperatura. Además, en muchos casos, metalúrgicamente se requieren tiempos de mantenimiento en determinado rangos de temperatura que favorezcan fenómenos como la difusión, globulización, cambios de fase, etc. Todas estas acciones no pueden ser llevadas a cabo con precisión en los hornos actuales, tal y como se ha expuesto anteriormente. or stay at a certain temperature to ensure that the entire section of the piece reaches the same temperature. In addition, in many cases, metallurgically, maintenance times are required in certain temperature ranges that favor phenomena such as diffusion, globulization, phase changes, etc. All these actions cannot be carried out with precision in the current furnaces, as described above.
En otros casos, la incertidumbre sobre el momento adecuado para dar por concluido un ciclo térmico da lugar a tiempos de proceso excesivos que generan efectos colaterales perniciosos para la pieza objeto de tratamiento, algunos fácilmente identificables, como por ejemplo incrementos de los consumos o incrementos de las pérdidas por oxidación, y otros efectos que son menos inmediatos pero igualmente perniciosos, como por ejemplo descarburación superficial, crecimiento excesivo de grano, etc. In other cases, uncertainty about the appropriate time to conclude a thermal cycle results in excessive process times that generate pernicious side effects for the part being treated, some easily identifiable, such as increases in consumption or increases in oxidation losses, and other effects that are less immediate but equally pernicious, such as surface decarburization, excessive grain growth, etc.
Actualmente no se tienen en cuenta todos estos aspectos, así como situaciones o circunstancias puntuales que afectan también el rendimiento energético del proceso, como puede ser que se haya quedado una puerta del horno abierta, un cierre incorrecto de la válvula de salida de humos, etc. Currently, all these aspects are not taken into account, as well as specific situations or circumstances that also affect the energy performance of the process, such as an oven door left open, an incorrect closing of the smoke outlet valve, etc. .
En definitiva, en los tratamientos térmicos llevados a cabo en hornos de calentamiento, el tiempo y la temperatura son los factores principales que intervienen en el tratamiento, siendo necesario fijar dichos factores de antemano de acuerdo con la composición del acero, la forma y el tamaño de las piezas a tratar, la distribución de la carga en el horno y las características que se desean obtener, lo que pone de manifiesto la importancia de controlar dichos factores de manera precisa durante el funcionamiento de los hornos de calentamiento. In short, in the heat treatments carried out in heating furnaces, time and temperature are the main factors involved in the treatment, being necessary to fix these factors in advance according to the composition of the steel, the shape and the size of the parts to be treated, the distribution of the load in the oven and the characteristics that are desired to be obtained, which shows the importance of controlling these factors precisely during the operation of the heating furnaces.
La presente invención se refiere a un procedimiento de control de hornos de calentamiento, que permite controlar la temperatura en cualquier punto del elemento a calentar, en adelante carga, durante la ejecución de cualquier ciclo térmico de calentamiento o enfriamiento controlado, en un horno. Asimismo, el procedimiento permite y control completo de todas las variables que intervienen en las transformaciones TTT, tiempo-temperatura-transformación, en tratamientos térmicos de materiales. The present invention relates to a heating furnace control procedure, which allows the temperature to be controlled at any point of the element to be heated, hereinafter charged, during the execution of any controlled heating or cooling thermal cycle, in an oven. Likewise, the procedure allows and complete control of all the variables involved in the TTT transformations, time-temperature-transformation, in thermal treatments of materials.
Preferentemente el procedimiento de la invención se aplica a hornos fijos para ciclos de calentamiento y tratamiento térmico de piezas y productos de acero, si bien la invención es aplicable para cualquier material y dimensiones de la carga, así como a cualquier tipo de horno, ya sea de gas, eléctrico o de inducción. Preferably the process of the invention is applied to fixed furnaces for heating and heat treatment cycles of steel parts and products, although the invention is applicable to any material and dimensions of the load, as well as to any type of furnace, either Gas, electric or induction.
En la presente descripción, se entiende por carga el material objeto de calentamiento, que puede ser una pieza de gran tamaño y geometría de sección muy diversa, varias piezas o barras de diferente tamaño y disposición, etc. In the present description, "cargo" is understood as the material being heated, which can be a very large piece and geometry of very different section, several pieces or bars of different size and arrangement, etc.
En el procedimiento de control de hornos de calentamiento que la invención propone, se considera al propio horno de calentamiento como un volumen cerrado en cuyo interior se puede realizar un ciclo térmico de calentamiento de una carga, aunque tal y como se ha comentado con anterioridad, dicho ciclo térmico también puede ser de enfriamiento. In the heating furnace control procedure proposed by the invention, the heating furnace itself is considered as a closed volume in which a thermal cycle of heating a load can be carried out, although as previously mentioned, said thermal cycle can also be cooling.
Dicho ciclo térmico se lleva a cabo mediante un flujo de energía de entrada a través del volumen cerrado, donde dicha energía de entrada comprende energía de combustión, energía entrante de aire y energía entrante de carga. Asimismo a través del volumen cerrado se produce un flujo de energía de salida que comprende energía saliente de carga, energía saliente de gases y pérdidas de energía. Said thermal cycle is carried out by a flow of input energy through the closed volume, wherein said input energy comprises combustion energy, incoming air energy and incoming charge energy. Likewise, through the closed volume, an output energy flow is produced comprising outgoing charge energy, outgoing gas energy and energy losses.
Pues bien, de acuerdo con la invención, el procedimiento comprende determinar, con precisión y considerando el estado y las condiciones reales y no teóricas del horno, un tiempo de permanencia de la carga dentro del horno para que todo punto de dicha carga, tanto su superficie como su punto más frío generalmente próximo al núcleo de la pieza, haya alcanzado una determinada temperatura objetivo. Well, according to the invention, the method comprises determining, with precision and considering the real and non-theoretical condition and conditions of the oven, a time of permanence of the load inside the oven so that every point of said load, both its surface as its coldest point generally close to the core of the piece, has reached a certain target temperature.
Para ello, se considera que antes de dicho tiempo de permanencia el ciclo térmico se encuentra en un régimen transitorio en el que, de acuerdo un balance de energía, el valor de energía de entrada es igual al valor de energía de salida, por un lado, más un valor de variación de energía almacenada en el interior del volumen cerrado, donde dicha variación de energía almacenada comprende energía necesaria para calentar toda la masa que se encuentre en dicho volumen cerrado. Asimismo, a partir del tiempo de permanencia el ciclo térmico se encuentra en un régimen estacionario en el que el valor de energía de entrada es igual al valor de energía de salida. For this, it is considered that before said residence time the thermal cycle is in a transitory regime in which, according to an energy balance, the input energy value is equal to the output energy value, on the one hand , plus a value of variation of energy stored within the closed volume, where said variation of stored energy comprises energy necessary to heat all the mass that is in said closed volume. Also, from the time of permanence the thermal cycle is in a stationary regime in which the value of input energy is equal to the value of output energy.
De este modo, el procedimiento comprende detectar de manera continua durante el ciclo térmico el consumo de combustible necesario para generar la energía de combustión, considerándose que se ha alcanzado el régimen estacionario cuando dicho consumo de combustible se mantiene constante. In this way, the process comprises continuously detecting during the thermal cycle the fuel consumption necessary to generate the combustion energy, considering that the steady state has been reached when said fuel consumption is kept constant.
De este modo se determina el tiempo de permanencia mediante la detección de un consumo de combustible constante, lo que quiere decir que la pieza ya no absorbe calor para su calentamiento y que todo el consumo de combustible es simplemente para mantener la temperatura en el interior del volumen cerrado, teniendo en cuenta las pérdidas el sistema. In this way, the residence time is determined by detecting a constant fuel consumption, which means that the part no longer absorbs heat for heating and that all fuel consumption is simply to maintain the temperature inside the closed volume, taking into account the losses the system.
Entre las ventajas del procedimiento de la invención, cabe mencionar que mediante este control se tienen en cuenta las particularidades o peculiaridades de cada horno en cada momento con lo que se garantiza que todas las piezas que forman la carga tienen la temperatura necesaria tanto en su superficie como en su núcleo. Among the advantages of the process of the invention, it is worth mentioning that by means of this control the particularities or peculiarities of each oven are taken into account at all times, which guarantees that all the pieces that form the load have the necessary temperature both on their surface as in its core.
A medida que la carga va absorbiendo calor e incrementando su temperatura, el consumo de combustible va descendiendo desde un valor máximo, característico de cada ciclo e instalación, hasta un valor mínimo de forma asintótica. Cuando el consumo se ha estabilizado y se mantiene en un valor constante, el régimen transitorio ha pasado a estacionario y se puede asegurar que toda sección, es decir cualquier punto de la carga tiene la temperatura objetivo. As the load absorbs heat and increases its temperature, fuel consumption decreases from a maximum value, characteristic of each cycle and installation, to a minimum value asymptotically. When consumption has stabilized and is maintained at a constant value, the transitional regime has become stationary and it can be ensured that every section, that is, any point of the load has the target temperature.
El sistema posibilita no solo el control de la temperatura y la optimización del ciclo en tiempo real, para cada instalación, sino que asegura un empleo más eficiente de energía y una homogeneidad de la temperatura en toda la sección de las piezas y por ende mejora de la calidad del producto tratado térmicamente. The system allows not only the temperature control and the optimization of the cycle in real time, for each installation, but also ensures a more efficient use of energy and a homogeneity of the temperature in the whole section of the pieces and therefore improvement of The quality of the heat treated product.
La invención se fundamenta en la consideración del horno de recalentamiento como un volumen cerrado, estableciéndose un balance de energía entre la energía entrante, formada por la energía de combustión, la energía entrante de carga y la energía entrante de aire, y la energía saliente, formada por la energía saliente de carga, la energía saliente de gases de combustión y pérdidas energéticas. The invention is based on the consideration of the reheating furnace as a closed volume, establishing an energy balance between the incoming energy, formed by the combustion energy, the incoming charge energy and the incoming air energy, and the outgoing energy, formed by the outgoing charge energy, the outgoing energy of flue gases and energy losses.
De una forma simplificada se establece el siguiente balance de flujo de energía del proceso, en base a la unidad de tiempo: In a simplified way, the following energy flow balance of the process is established, based on the unit of time:
Energía de combustión + Energía entrante de aire + Energía entrante de carga = Energía saliente de carga + Energía saliente de gases + Pérdidas de energía ± Variación de Energía. Combustion energy + Incoming air energy + Incoming load energy = Outgoing load energy + Outgoing gas energy + Energy losses ± Energy variation.
El procedimiento se basa en analizar la evolución en el tiempo de las energías puestas en juego durante un ciclo térmico cualquiera de calentamiento o enfriamiento, donde se pueden diferenciar dos regímenes diferentes: uno transitorio y otro estacionario. The procedure is based on analyzing the evolution in time of the energies put into play during any thermal heating or cooling cycle, where two different regimes can be distinguished: one transient and one stationary.
Inicialmente, durante el régimen transitorio, el horno está frío por lo que la energía de combustión se utiliza principalmente para elevar la temperatura de la carga pero también para elevar la temperatura de las masas de los elementos físicos que comprende el horno, como paredes y solera, así como la temperatura de la atmósfera del horno, a costa de un consumo de combustible. Dicho incremento se corresponde en el balance energético anterior con el término denominado Variación de Energía, que es el único término variable en la ecuación. Initially, during the transitional regime, the furnace is cold, so combustion energy is mainly used to raise the temperature of the load but also to raise the temperature of the masses of the physical elements comprising the furnace, such as walls and floor , as well as the temperature of the oven atmosphere, at the cost of fuel consumption. This increase corresponds to the previous energy balance with the term called Energy Variation, which is the only variable term in the equation.
Cuando se alcanza régimen estacionario, se llega a una situación de equilibrio en la que dicha variación de energía es nula, de forma que la carga ha alcanzado la temperatura objetivo y puede considerarse que las paredes y el resto de los elementos que comprende el horno están igualmente a la temperatura de equilibrio. A partir de dicho momento, la energía de entrada que se aporta mediante la energía de combustión, proporcionada por la combustión de un combustible que puede ser gas, se utiliza únicamente para contrarrestar las pérdidas de energía, que engloban tanto las pérdidas de los gases como de las pérdidas de energía que se producen por las paredes, solera, agua refrigeración, chimenea, etc. When steady state is reached, an equilibrium situation is reached in which said energy variation is zero, so that the load has reached the target temperature and it can be considered that the walls and the rest of the elements comprising the oven are also at equilibrium temperature. From that moment, the input energy that is provided by the combustion energy, provided by the combustion of a fuel that can be gas, is used only to counteract the energy losses, which include both the losses of gases and of the energy losses that occur from the walls, hearth, cooling water, fireplace, etc.
De este modo analizando la evolución de la energía instantánea del sistema a lo largo del ciclo, se puede conocer cuando se ha alcanzado el régimen estacionario y la carga ha alcanzado la temperatura de equilibrio o temperatura objetivo en toda su masa. In this way, by analyzing the evolution of the instantaneous energy of the system throughout the cycle, it can be known when the steady state has been reached and the load has reached the equilibrium temperature or target temperature throughout its mass.
Se contempla la posibilidad de que el procedimiento comprenda controlar de manera instantánea durante el ciclo térmico el consumo de combustible necesario para generar la energía de combustión y tratar informáticamente dicha información sobre consumo de combustible para controlar en tiempo real la temperatura de la carga. The possibility is contemplated that the process comprises instantly controlling during the thermal cycle the fuel consumption necessary to generate the combustion energy and computing said fuel consumption information to control in real time the temperature of the load.
De este modo se puede identificar cuando las piezas que se encuentran dentro del horno han alcanzado el régimen estacionario y se ha alcanzado la temperatura objetivo. Así, ya no es necesario prefijar tiempos de permanencia a temperatura puesto que se determina el tiempo exacto para el cual se alcanza dicha temperatura objetivo. El procedimiento permite así un control “on-line” de la temperatura, para el 100% de la producción, de una forma más precisa que el que se consigue en la actualidad con termopares y sin necesidad de efectuar de manera discrecional ensayos destructivos. Asimismo, la invención permite, por tanto, optimizar en tiempo real el balance energético de cada ciclo en cada horno. In this way it can be identified when the pieces that are inside the oven have reached the steady state and the target temperature has been reached. Thus, it is no longer necessary to set residence times at temperature since the exact time for which said target temperature is reached is determined. The procedure thus allows an “on-line” control of the temperature, for 100% of the production, in a more precise way than what is currently achieved with thermocouples and without the need for discretionary destructive tests. Likewise, the invention allows, therefore, to optimize in real time the energy balance of each cycle in each oven.
Asimismo, se contempla la posibilidad de que el procedimiento comprenda determinar en tiempo real el estado de mantenimiento de un determinado horno mediante comparación durante su funcionamiento, por ejemplo a lo largo de diferentes procesos de calentamiento, de la información detectada de consumo de combustible con información teórica de consumo de combustible para un funcionamiento óptimo de dicho horno para una determinada carga y un determinado ciclo térmico. De este modo, mediante dicha comparación se infiere inmediatamente si las pérdidas de energía se alejan de la situación ideal del horno, por lo que el procedimiento de la invención se constituye en una herramienta ideal para la diagnosis del estado del horno. Likewise, the possibility is contemplated that the procedure comprises determining in real time the maintenance status of a certain furnace by comparing during its operation, for example, during different heating processes, of the detected fuel consumption information with information Theoretical fuel consumption for optimal operation of said furnace for a given load and a certain thermal cycle. Thus, by means of said comparison, it is inferred immediately if the energy losses are far from the ideal oven situation, whereby the process of the invention becomes an ideal tool for the diagnosis of the oven condition.
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: To complement the description that is being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of practical implementation thereof, a set of drawings is attached as an integral part of said description. In an illustrative and non-limiting manner, the following has been represented:
La figura 1.-Muestra un esquema simplificado del balance de energía en un proceso de calentamiento por gas. Figure 1.- Shows a simplified scheme of energy balance in a gas heating process.
La figura 2.-Muestra una representación gráfica de una evolución del consumo total (Tot OUT) en función de la temperatura de la pieza durante un tratamiento térmico de homogeneización llevado a cabo mediante el procedimiento de la invención, habiéndose representado en el eje de abcisas tiempo en minutos y en el eje de ordenadas temperatura en grados centígrados. Figure 2.- Shows a graphical representation of an evolution of total consumption (Tot OUT) as a function of the temperature of the piece during a homogenization heat treatment carried out by the method of the invention, having been represented on the axis of abscissa time in minutes and on the axis of ordinate temperature in degrees Celsius.
La figura 3.-Muestra una representación gráfica de una evolución del consumo total (Tot OUT) en función de la temperatura de la pieza durante un tratamiento térmico de normalización llevado a cabo mediante el procedimiento de la invención, habiéndose representado en el eje de abscisas tiempo en minutos y en el eje de ordenadas temperatura en grados centígrados. Figure 3.- Shows a graphical representation of an evolution of the total consumption (Tot OUT) as a function of the temperature of the piece during a normalization heat treatment carried out by the method of the invention, having been represented on the abscissa axis. time in minutes and on the axis of ordinate temperature in degrees Celsius.
La figura 4.-Muestra una representación gráfica de una evolución del consumo total (Tot OUT) en función de la temperatura de la pieza durante un tratamiento térmico que comprende los tratamientos térmico representados en las figuras 2 y 3, llevado a cabo mediante el procedimiento de la invención, habiéndose representado en el eje de abscisas tiempo en minutos y en el eje de ordenadas temperatura en grados centígrados. Figure 4.- Shows a graphic representation of an evolution of the total consumption (Tot OUT) as a function of the temperature of the piece during a heat treatment comprising the heat treatments represented in Figures 2 and 3, carried out by the procedure of the invention, time in minutes having been represented on the axis of abscissa and on the axis of ordinate temperature in degrees Celsius.
A la vista de las figuras reseñadas puede observarse como en una de las posibles realizaciones de la invención el procedimiento de control de hornos de calentamiento que la invención propone implica la consideración de un balance de energía en un proceso de calentamiento por gas, tal y como se ha representado en la figura 1. In view of the aforementioned figures, it can be observed that in one of the possible embodiments of the invention, the heating furnace control procedure proposed by the invention implies the consideration of an energy balance in a gas heating process, such as It has been represented in figure 1.
En el procedimiento de control de hornos de calentamiento de la invención se considera al propio horno (1) de calentamiento como un volumen cerrado (5) en cuyo interior se puede realizar un ciclo térmico de calentamiento de una carga. In the heating furnace control process of the invention, the heating furnace (1) itself is considered as a closed volume (5) in which a thermal cycle of heating a load can be carried out.
El ciclo térmico se lleva a cabo mediante un flujo de energía de entrada (6, 7, 8) a través del volumen cerrado (5), donde dicha energía de entrada (6, 7, 8) comprende energía de combustión (6), energía entrante de aire (7) y energía entrante de carga (8). Asimismo a través del volumen cerrado (5) se produce un flujo de energía de salida (9, 10, 11) que comprende energía saliente de carga (9), energía saliente de gases (10) y pérdidas de energía (11). The thermal cycle is carried out by a flow of input energy (6, 7, 8) through the closed volume (5), where said input energy (6, 7, 8) comprises combustion energy (6), incoming air energy (7) and incoming charging energy (8). Likewise, through the closed volume (5) an output energy flow (9, 10, 11) is produced, which comprises outgoing charge energy (9), outgoing gas energy (10) and energy losses (11).
El procedimiento comprende determinar un tiempo de permanencia de la carga dentro del horno (1) para que todo punto de dicha carga, tanto su superficie como su núcleo, haya alcanzado una determinada temperatura objetivo. The method comprises determining a residence time of the load inside the oven (1) so that every point of said load, both its surface and its core, has reached a certain target temperature.
Para ello, se considera que antes de dicho tiempo de permanencia el ciclo térmico se encuentra en un régimen transitorio en el que, de acuerdo un balance de energía, el valor de energía de entrada (6, 7, 8) es igual al valor de energía de salida (9, 10, 11), por un lado, más un valor de variación de energía almacenada en el interior del volumen cerrado (5), donde dicha variación de energía almacenada comprende energía necesaria para calentar toda la masa incluida en el volumen cerrado (5), por otro lado. Asimismo, a partir del tiempo de permanencia el ciclo térmico se encuentra en un régimen estacionario en el que el valor de energía de entrada (6, 7, 8) es igual al valor de energía de salida (9, 10, 11). For this, it is considered that before said residence time the thermal cycle is in a transitory regime in which, according to an energy balance, the input energy value (6, 7, 8) is equal to the value of output energy (9, 10, 11), on the one hand, plus a variation value of energy stored within the closed volume (5), where said variation of stored energy comprises energy necessary to heat the entire mass included in the closed volume (5), on the other hand. Also, from the time of permanence the thermal cycle is in a stationary regime in which the value of input energy (6, 7, 8) is equal to the value of output energy (9, 10, 11).
El procedimiento comprende detectar de manera continua durante el ciclo térmico el consumo de combustible, de acuerdo con una realización preferente gas, necesario para generar la energía de combustión (6), considerándose que se ha alcanzado el régimen estacionario cuando dicho consumo de combustible se mantiene constante, lo que quiere decir que la carga (4) ya no absorbe calor para su calentamiento y que todo el consumo de combustible se utiliza únicamente para mantener constante la temperatura en el interior del volumen cerrado (5). The method comprises continuously detecting the fuel consumption during the thermal cycle, in accordance with a preferred gas embodiment, necessary to generate the combustion energy (6), considering that the steady state has been reached when said fuel consumption is maintained constant, which means that the load (4) no longer absorbs heat for heating and that all fuel consumption is used only to keep the temperature inside the closed volume constant (5).
La detección y el control del consumo de gas puede realizarse mediante contadores de caudal de gas, lo que permite evaluar la señal instantánea de consumo de gas. Si se representa su evolución a lo largo del tiempo durante el ciclo de calentamiento es posible conocer cuando toda la sección del material ha alcanzado la temperatura objetivo. The detection and control of gas consumption can be carried out by means of gas flow meters, which allows the instantaneous gas consumption signal to be evaluated. If its evolution is represented over time during the heating cycle it is possible to know when the entire section of the material has reached the target temperature.
De una forma simplificada se establece el siguiente balance de flujo de energía del proceso a través del volumen cerrado (5) que constituye una idealización del horno (1), en base a la unidad de tiempo: In a simplified way, the following energy flow balance of the process is established through the closed volume (5) that constitutes an idealization of the oven (1), based on the unit of time:
Energía de combustión (6) + Energía entrante de aire (7) + Energía entrante de carga (8) = Energía saliente de carga (9) + Energía saliente de gases (10) + Pérdidas de energía (11) ± Variación de Energía Combustion energy (6) + Incoming air energy (7) + Incoming charging energy (8) = Outgoing charging energy (9) + Outgoing gas energy (10) + Energy losses (11) ± Energy variation
De este modo analizando la evolución de la energía variable del sistema a lo largo del ciclo, se puede conocer cuando se ha alcanzado el régimen estacionario y la carga ha alcanzado la temperatura de equilibrio o temperatura objetivo en toda su masa, lo que se produce cuando dicha Variación de Energía es nula, por lo que el consumo de gas se mantiene constante. In this way, by analyzing the evolution of the variable energy of the system throughout the cycle, it can be known when the steady state has been reached and the load has reached the equilibrium temperature or target temperature throughout its mass, which occurs when Said Energy Variation is null, so gas consumption remains constant.
La detección del consumo de combustible, puede realizarse mediante cualquier contador de caudal, dada la gran variedad de instalaciones existentes en la actualidad, sería muy prolijo y extenso especificar los tipos de contadores de caudal de gas empleados actualmente en hornos, así como los tipos de regulación o las diferentes formas de tratamiento de la señal de consumo detectada por dichos contadores. Industrialmente existe una gran variedad de medidores de caudal de gas, tanto desde el punto de vista de tamaños y rangos de operación como de principios de funcionamiento; los más utilizados son los medidores volumétricos y másicos. Para los medidores de caudal volumétricos, los principales sistemas son presión diferencial, área variable, velocidad, tensión inducida, desplazamiento positivo y vórtice. Para los másicos se deben destacar el sistema térmico y el sistema basado en la fuerza de Coriolis. Los dispositivos de medida deberán tener un campo válido de medida suficientemente amplio para garantizar la medición exacta de todos los caudales comprendidos. The fuel consumption detection can be carried out by means of any flow meter, given the wide variety of facilities currently in existence, it would be very detailed and extensive to specify the types of gas flow meters currently used in furnaces, as well as the types of regulation or the different forms of treatment of the consumption signal detected by said counters. Industrially there is a great variety of gas flow meters, both from the point of view of sizes and ranges of operation and principles of operation; the most used are volumetric and mass meters. For volumetric flow meters, the main systems are differential pressure, variable area, speed, induced voltage, positive displacement and vortex. For the masses, the thermal system and the Coriolis force-based system must be highlighted. The measuring devices must have a valid measuring range sufficiently wide to guarantee the exact measurement of all the flows included.
Otro tanto aplica a los medios de regulación y control. El sistema de combustión lo forman quemadores, con dispositivos de encendido y control de llama automáticos. La regulación de los quemadores se efectúa habitualmente en grupos de regulación de acuerdo a las diferentes zonas del horno. El control de los parámetros del proceso se regula mediante diferentes elementos: controladores de temperatura con microprocesador de alta precisión PID. The same applies to the means of regulation and control. The combustion system is formed by burners, with automatic ignition and flame control devices. The regulation of the burners is usually carried out in regulation groups according to the different zones of the oven. The control of the process parameters is regulated by different elements: temperature controllers with high precision microprocessor PID.
Finalmente cabe mencionar que existen igualmente diferentes formas de tratamiento de la señal, es decir, filtrado de la señal, cálculo de la pendiente o de la derivada de la señal y definición de criterios de control, por ejemplo cuando la pendiente es menor del 1-2% o cuando el valor del consumo baje de un determinado porcentaje. Finally, it is worth mentioning that there are also different forms of signal processing, that is, filtering of the signal, calculation of the slope or derivative of the signal and definition of control criteria, for example when the slope is less than 1- 2% or when the consumption value falls below a certain percentage.
De acuerdo con una realización preferente el procedimiento comprende controlar de manera instantánea durante el ciclo térmico el consumo de combustible necesario para generar la energía de combustión (6) y tratar informáticamente dicha información sobre consumo de combustible para controlar en tiempo real la temperatura de la carga. According to a preferred embodiment, the method comprises instantaneously controlling during the thermal cycle the fuel consumption necessary to generate the combustion energy (6) and computing said fuel consumption information to control in real time the temperature of the load .
Asimismo, el procedimiento comprende determinar en tiempo real el estado de mantenimiento de un determinado horno (1) mediante comparación durante su funcionamiento de la información detectada de consumo de combustible con información teórica de consumo de combustible para un funcionamiento óptimo de dicho horno (1) para una determinada carga (5) y un determinado ciclo térmico. De este modo, mediante dicha comparación se infiere inmediatamente si las pérdidas de energía se alejan de la situación ideal del horno, por lo que el procedimiento de la invención se constituye en una herramienta ideal para la diagnosis del estado del horno. Likewise, the method comprises determining in real time the maintenance status of a certain furnace (1) by comparing during its operation the detected fuel consumption information with theoretical fuel consumption information for optimum operation of said furnace (1) for a certain load (5) and a certain thermal cycle. Thus, by means of said comparison, it is inferred immediately if the energy losses are far from the ideal oven situation, whereby the process of the invention becomes an ideal tool for the diagnosis of the oven condition.
De acuerdo con una realización de la invención, el procedimiento de control basado en el algoritmo implementado para el control de la temperatura de las piezas se ha validado optimizar tratamientos térmicos en grandes piezas fundidas, forjadas y en productos laminados para aplicación a Aros de Moldería. According to an embodiment of the invention, the control procedure based on the algorithm implemented for the control of the temperature of the pieces has been validated to optimize heat treatments in large castings, forged and in laminated products for application to Milling Rings.
En el citado trabajo se ha estudiado la idoneidad del ciclo de tratamiento térmico de los aros de rodadura en el horno de Tratamiento Térmicos de la fábrica de Sidenor_Reinosa. Se trata de aros de diámetro 7000 mm y 126 Tn. Durante la validación de las señales se utilizaron pruebas con termopares de contacto, la lectura de los termopares de zona del horno y simulaciones con los programas de simulación comerciales Steeltemp y Magmasoft. In this work, the suitability of the heat treatment cycle of the rolling rings in the Thermal Treatment furnace of the Sidenor_Reinosa factory has been studied. These are rings with a diameter of 7000 mm and 126 tons. During the validation of the signals, tests with contact thermocouples, the reading of the furnace zone thermocouples and simulations with the commercial simulation programs Steeltemp and Magmasoft were used.
En primer lugar se realizó una prueba con termopares para obtener las curvas de evolución de la temperatura en la superficie de las piezas reales durante los tratamientos térmicos objeto del estudio. First, a test was carried out with thermocouples to obtain the curves of temperature evolution on the surface of the real pieces during the heat treatments object of the study.
En segundo lugar se simularon los ciclos de calentamiento para las piezas en cuestión con ayudas de dos programas de simulación, Steeltemp y Magmasoft. Finalmente se validaron dichas simulaciones comparando los resultados de la simulación con los valores de la prueba de termopares y efectuando los ajustes en los parámetros de cálculo. Secondly, the heating cycles for the parts in question were simulated with the help of two simulation programs, Steeltemp and Magmasoft. Finally, these simulations were validated by comparing the results of the simulation with the thermocouple test values and making adjustments to the calculation parameters.
En paralelo se implementó un nuevo algoritmo para el cálculo del balance energético a lo largo del ciclo. Todas las variables en estudio se representaron en el mismo gráfico, comprobando la idoneidad del nuevo algoritmo implementado para conocer la evolución de la temperatura en toda la sección de la pieza a lo largo de ciclo. En particular para conocer cuando el punto más frío del aro había alcanzado la temperatura objetivo. In parallel, a new algorithm was implemented to calculate the energy balance throughout the cycle. All the variables under study were represented in the same graph, verifying the suitability of the new algorithm implemented to know the evolution of the temperature in the whole section of the piece throughout the cycle. In particular to know when the coldest point of the ring had reached the target temperature.
En las siguientes figuras 2-4 se ha dibujado la nueva señal implementada, representada en color rojo y denominada Tot Out, que representa la evolución de temperatura en el material, tal y como se ha explicado, a lo largo del ciclo. En el mismo gráfico se han representado los resultados de las simulaciones en diferentes puntos de la pieza (THA-THD), así como la temperatura de los gases del horno y la temperatura de consigna del ciclo de tratamiento. In the following figures 2-4 the new implemented signal has been drawn, represented in red and called Tot Out, which represents the evolution of temperature in the material, as explained, throughout the cycle. In the same graph, the results of the simulations at different parts of the part (THA-THD) have been represented, as well as the temperature of the furnace gases and the setpoint temperature of the treatment cycle.
En particular en la figura 2 se muestra una representación gráfica de una evolución del consumo total (Tot OUT) en función de la temperatura de la pieza durante un tratamiento térmico de homogeneización llevado a cabo mediante el procedimiento de la invención, habiéndose representado en el eje de abscisas tiempo en minutos y en el eje de ordenadas temperatura en grados centígrados. In particular in Figure 2 a graphic representation of an evolution of the total consumption (Tot OUT) as a function of the temperature of the piece during a homogenization heat treatment carried out by the process of the invention is shown, having been represented on the axis of abscissa time in minutes and on the axis of orderly temperature in degrees Celsius.
En la figura 3 se muestra una representación gráfica de una evolución del consumo total (Tot OUT) en función de la temperatura de la pieza durante un tratamiento térmico de normalización llevado a cabo mediante el procedimiento de la invención, habiéndose representado en el eje de abscisas tiempo en minutos y en el eje de ordenadas temperatura en grados centígrados. Figure 3 shows a graphic representation of an evolution of total consumption (Tot OUT) as a function of the temperature of the piece during a normalization heat treatment carried out by the method of the invention, having been represented on the abscissa axis. time in minutes and on the axis of ordinate temperature in degrees Celsius.
La figura 4.-Muestra una representación gráfica de una evolución del consumo total (Tot Figure 4.- Shows a graphic representation of an evolution of total consumption (Tot
5 OUT) en función de la temperatura de la pieza durante un tratamiento térmico que comprende los tratamientos térmico representados en las figuras 2 y 3, llevado a cabo mediante el procedimiento de la invención, habiéndose representado en el eje de abscisas tiempo en minutos y en el eje de ordenadas temperatura en grados centígrados. 5 OUT) as a function of the temperature of the piece during a heat treatment comprising the heat treatments represented in figures 2 and 3, carried out by the method of the invention, time in minutes and in the abscissa axis having been represented in the axis of abscissa the axis of ordinate temperature in degrees Celsius.
10 En las graficas se observa cómo a medida que los diferentes puntos de la pieza van alcanzando la temperatura objetivo, tanto en el ciclo de Homogeneización como Normalizados o Revenido, la señal implementada se transforma de forma asintótica hasta convertirse en plana, momento en el cual se ha alcanzado el estado estacionario y todo la sección del material ha alcanzado la temperatura objetivo. 10 The graphs show how as the different points of the piece reach the target temperature, both in the Homogenization and Normalized or Revenged cycle, the implemented signal is transformed asymptotically until it becomes flat, at which time the steady state has been reached and the entire section of the material has reached the target temperature.
15 A la vista de esta descripción y juego de figuras, el experto en la materia podrá entender que las realizaciones de la invención que se han descrito pueden ser combinadas de múltiples maneras dentro del objeto de la invención. La invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero para el experto en la materia resultará evidente In view of this description and set of figures, the person skilled in the art will be able to understand that the embodiments of the invention that have been described can be combined in multiple ways within the scope of the invention. The invention has been described according to some preferred embodiments thereof, but it will be apparent to the person skilled in the art
20 que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes sin exceder el objeto de la invención reivindicada. 20 that multiple variations can be introduced into said preferred embodiments without exceeding the object of the claimed invention.
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