Electric arc furnace

Stable smelter operation is critical for successful production of base metals from particulate ore. This work studies the operation of an industrial direct current electric arc furnace that operates as a smelter
in a large-scale metallurgical process. Specifically, unexpected loss of the plasma arc is an important unresolved problem with a significant impact on the production efficiency of the process. Moreover, given that electric arc furnaces are highly energy intensive units, even minimal improvements to the overall production efficiency represent meaningful reductions in the environmental footprint of the process over the lifetime of operation. A predictive inferential sensor is proposed to avoid high risk operating regimes and reduce the overall environmental footprint of the process. The alarm identifies high risk situations and instructs operators to take corrective actions to avoid the loss of arc. Large amounts of historical industrial process data have been collected, pre-processed and leveraged in a cross-validated supervised learning framework that trains the inferential sensor model. New data, previously unseen by the model, are drawn from the historical database and used to test the ability of the model to generalize. This work showcases our progress to date including the training, validation and testing of competing inferential sensor models and their ability to predict arc loss on industrial data.

As a result of optimisation of high current circuit for the furnace 7.75 MVA, its substitute values of phase reactances have been considerably decreased and its asymmetry has been minimised. Decrease in the voltage drop of the high current circuit influenced advantageously a change in furnace electrical parameters and forced increase in its electric resistance. It influenced positively increase in power factor cos φ and increased the furnace active power. In spite of an  improvement in properties of the high current circuit, in the early stage after furnace modernisation, a deterioration of technical and economic indices of ferrosilicon FeSi75 melting process was experienced and an expected improvement in energy consumption rate was not achieved. It was  found that it was connected with the influence of the change in electric parameters of the high current circuit on decrease in the depth of immersion of electrodes which influenced negatively temperature conditions of the process.

Based on the electrical parameters of a 20 MVA ferrosilicon furnace, a methodology of identification of characteristic ferrosilicon smelting states described as carbon excess and carbon deficiency in the reaction zones ('over-coked', 'under-coked') has been presented. Relations between the electrical parameters and assessments made by furnace operators regarding characteristic furnace states related to amounts of carbon in the reaction zones have been demonstrated. The results show that the reactive power measurements as well as the k, c3 (Andreae’s, Westly’s) parameters, provide the same information on the furnace state and have a close relation with resistivity of the current-conducting zones. Similar information on the level of carbon balance in the reaction zones is obtained from the harmonic analysis of phase voltages and currents or measurements of higher harmonic components using high-pass filters.

En su más de un siglo de existencia, los hornos eléctricos de arco han evolucionado radicalmente, tanto en los aspectos tecnológicos como en la función que cumplen y los tipos de acero que producen. Desarrollados para producir aceros especiales, con requerimientos de altas temperaturas para la fusión de ferroaleaciones, penetraron luego en la década del ’60 en las miniacerías, acompañando a las máquinas de colada continua de palanquillas, para la producción de barras de refuerzo de hormigón y alambrones de aceros al carbono. En las décadas del ‘80 y el ’90 se produce un nuevo salto, acompañando la introducción de las máquinas de colada continua de planchones delgados, para la fabricación de productos planos de aceros al carbono
y de alta aleación. Paralelamente a la ampliación de su campo de aplicación, se los fue dotando de tecnologías que permitieron acercar
sus tiempos de proceso a los de las acerías al oxígeno. La escoria espumosa y los paneles refrigerados hicieron posible el uso de ultra alta potencia. Se incorporó la energía química, inicialmente mediante lanzas y actualmente mediante inyectores. Los métodos de control se fueron
haciendo cada vez más sofisticados. Con la incorporación de la metalurgia de cuchara, la función del horno se centró en la fusión de la carga, siendo el eje de la productividad de las acerías. Actualmente
los hornos eléctricos de arco son poderosas máquinas de reciclar acero, que hacen la tercera parte de la producción mundial, con una menor emisión de gases de efecto invernadero con respecto a la ruta basada en altos hornos y acería al oxígeno. Pero es inherente al proceso una significativa pérdida de energía, principalmente a través de los gases de escape. En la Figura 1 se presenta un balance de energía típico de un horno eléctrico moderno [1]. Se observa que cerca de un tercio de la
energía ingresada se pierde en los gases de escape, en forma de calor sensible y energía química. Una distribución similar ocurre en las acerías al oxígeno. En este campo, el tema está más avanzado y hay una cantidad importante de acerías, sobre todo en Europa y Japón, que recuperan el calor de los gases para generar vapor. En la actualidad, el esfuerzo en los hornos eléctricos, desde el punto de vista energético, se centra en disminuir el consumo total de energía más que en recuperar la energía perdida. Es mejor  usar 1 kWh menos que recuperar 1 kWh [2]. Sin embargo, esto tiene un límite. En la medida que los hornos se modernizan, se acercan a ese límite. Esto hace que se empiece a poner la mirada en la posibilidad de recuperar la energía. Este problema no es sencillo de resolver, dado que la liberación de calor a los gases de escape es muy variable a lo largo de la colada (Figura 2). Se ha introducido la recuperación del calor de los gases para el precalentamiento de la chatarra en los procesos con carga continua (Consteel) y en los procesos con cubas por sobre la bóveda (finger
shaft furnace) [1]. Se están proponiendo soluciones para la recuperación de la energía de los gases en la generación de vapor, mediante diversos esquemas que comienzan a aplicarse industrialmente en hornos eléctricos. En este trabajo se detallan los diversos esquemas propuestos para resolver el problema.

Los electrodos de grafito artificial son un estándar en la producción de acero en hornos eléctricos. El grafito artificial posee una alta conductividad eléctrica y elevada resistencia al choque térmico que lo hacen imprescindible para este uso. El consumo medio ha sido cuantificado, para un gran número de acerías eléctricas del grupo ArcelorMittal, en 1,43 kg/t [1]. La producción de acero crudo en acerías eléctricas fue en el año 2010 de 406 Mt. Podría estimarse el consumo de electrodos para hornos eléctricos en el orden de las 600.000 t/año; a esto se le debería sumar el consumo en los hornos cuchara. Entre los principales fabricantes están GrafTech International, SGL Group, Showa Denko Carbon, Tokai Carbon, HEG Ltd., Superior Graphite, UK CG, Beijing Fangda Carbon Tech, Chengdu Ronguang Carbon, Fangda Carbon New
Material, Fushun Carbon, Guangshan Shida Carbon, Hefei Carbon, GES (China), Jilin Carbon Import & Export. Es un mercado competitivo en costos, calidad y servicio, con estrategias diferenciadas y en el que ha habido en la última década un proceso importante de fusiones y adquisiciones. Una parte de las empresas mencionadas tiene sitios de producción en varios países. Se trata de una industria madura, que utiliza en general sistemas de producción modernos, con importante
grado de automatización, capaces de
formular electrodos con un alto grado de
repetitividad.
En el Cuadro 1 se presentan algunas fechas
importantes en el desarrollo y aplicación
de los electrodos de grafito [2].
Las materias primas para la producción
de los electrodos son el coque de petróleo,
preferentemente del tipo denominado
aguja y la brea de alquitrán de hulla.
Estos materiales se mezclan y procesan
a alta temperatura en varios pasos, hasta
obtener el grafito sintético. Es un producto
con un alto valor agregado energético.
En los párrafos siguientes se presentan
detalles sobre las materias primas utilizadas,
el proceso de fabricación, el diseño
de los electrodos y su aplicación, desde
el punto de vista de algunas de las novedades
tecnológicas que se han introducido
en las últimas décadas.
Cabe mencionar que los avances en las
materias primas, el proceso de fabricación
y la performance en uso son lentos.
El proceso de producción de los electrodos
es largo, de hasta dos meses; a esto
debe sumarse el tiempo de prueba en la
acería para saber si una cierta formulación
presenta ventajas, donde un gran
número de variables puede influir sobre
los resultados [4].

The popularity of Organic Rankine Cycle technology in waste heat recovery applications has experienced a fast growth in the last decade. One of the main fields of application is the Iron&Steel industry, and in particular waste heat recovery from Electric Arc Furnace. The very characteristics of the exhaust heat (non-continuous availability, thermal power fluctuations and amount of power) makes ORC the most suitable technology to produce electric power from the EAF sources. The experience of a Turboden ORC plant installed at Feralpi-Riesa steel plant in Germany-first EAF waste recovery system based on ORC-will be presented. To conclude the paper, achievement of Riesa plant and new investments on waste heat recovery plants from EAF around the world will be exposed.

La industria del acero latinoamericana continúa su esfuerzo de
modernización de sus instalaciones, incluso en el complicado
marco de la situación mundial generada por la sobrecapacidad de
China y los subsidios del gobierno de ese país a las exportaciones
de acero. Una parte del esfuerzo de modernización se refleja en la construcción de plantas nuevas, que responden a diversas
necesidades. La industria siderúrgica latinoamericana continúa avanzando a pesar de la difícil situación que atraviesa con la crisis mundial de sobrecapacidad de acero, y las agresivas y subsidiadas exportaciones chinas. En los últimos cinco años se han incorporado nuevas plantas y otras están cerca de incorporarse. En el CUADRO 1 se presenta un listado de las mismas con sus principales características, y en la FIGURA 1 su localización. Se han incluido además de las plantas nuevas, instalaciones incorporadas en plantas existentes, siempre que significaran la introducción de una ruta de procesos nueva (por ejemplo, una acería eléctrica en una planta integrada basada en alto horno) y/o de una línea de productos diferentes (productos planos en una planta de largos o la inversa). No se incluyen inversiones en plantas existentes que no tuvieran esas características; tampoco proyectos cuya construcción no estén en una etapa avanzada. No se puede dejar de mencionar que en paralelo con este proceso, hubo diversos cierres totales y parciales de plantas. Muchos de los proyectos concretados en 2013-2017 fueron formulados en la etapa de crecimiento previa a la crisis de 2009, congelados durante ese momento y concretados cuando comenzó la recuperación. En cambio, los cierres de plantas corresponden especialmente a las especificidades de la crisis que afecta a Brasil. Algunos de estos cierres podrían ser transitorios. Para cada planta, se desarrollan los aspectos principales: el equipamiento y sus características, los productos y algunos aspectos técnicos que han sido presentados en publicaciones o congresos.

In this chapter, electric steelmaking is introduced with a short review: share, raw materials, operation, typical equipment, off-gas treatment, emissions. Electric-based steelmaking enjoys a much comfortable position than integrated classical blast furnace – oxygen steelmaking facilities, regarding greenhouse emissions. This is compared both for regions and for the world. For instance, the mostly EAF-based NAFTA countries, is nowadays the region where the production of steel generates lower specific emissions. This said (and detailed), the chapter continues with a discussion of the CO 2 emissions of the electric arc furnaces. A reference is be made to the use of alternative raw materials, as DRI/HBI, pig iron and hot metal. In relation with the EAF design, factors to be analyzed are the effects of different furnace designs on emissions: conventional, twin shell, conveyor scrap preheating and shaft scrap preheating are considered. The use of chemical energy is reviewed, as well as the effect of an external factor: how electric energy is generated .

h i g h l i g h t s The workability of the concrete reduces as the EAFS replacement level increases. The use of EAFS reduced the setting time of GGBS-PFA ternary blended concrete. Incorporation of EAFS tends to enhance the mechanical strength of concrete. Incorporation of EAFS reduced the magnitude of drying shrinkage of concrete. EAFS can be partial or fully utilize in the production of concrete. a b s t r a c t The manufacturing of concrete composites have released high volume of carbon dioxide (CO 2) gaseous to the environment in the world. Therefore, finding an alternative materials to replace the raw material used in the production of concrete composites have become a current agenda. The industrial waste materials mainly from local coal-fuelled power plant, granite quarrying process, and iron and steel manufacturing industry were utilized in the high-performance concrete production. The waste materials incorporated included ground granulated blast-furnace slag (GGBS), pulverized fly ash (PFA), granite quarry dust (GQD) and electric arc furnace slag (EAFS) were used to partially or completely replace the usage of a synthetic and natural constituent materials in the concrete production which included ordinary Portland cement (OPC), natural river sand (NRS), and natural granite rock (NGR). The study was aimed to establish the feasibility of using EAFS as partial or complete replacement of NGR as the coarse aggregate of concrete with other industrial waste materials in the binder and fine aggregate phase. In addition, the method of optimization on the OPC-GGBS-PFA as a ternary blended binder system was also established. Meanwhile, the optimum combination of chemical admixture dosage was also determined in this study. The concrete composition with the established optimum ternary blended binder system, chemical admixture combination and NRS-GQD composition as a fine aggregate were examined with various NGR replacement level with EAFS ranging from 0% to 100% at the increment of 20%. The properties of the concrete mixes were examined by setting time test on the fresh concrete, mechanical strength tests and drying shrinkage assessment on the hardened concrete. The results showed that the inclusion of the aforementioned waste tends to improve the mechanical strength properties of the concrete, while, reducing the magnitude of length change in terms of drying shrinkage. With such, a concrete with compressive strength of 80 MPa able to be produced with the used of waste material from the industry up to 80% of the total volume.

This paper introduces a new method for calculating the voltage flicker characteristics. A voltage waveform envelope, which captures the main flicker characteristics, is obtained by calculating rms values instantaneously using a moving window approach. The S-transform (ST) is then used to extract the voltage flicker components for each frequency. The multiresolution characteristic of the ST provides timing data which presents a “Magnitude-Time” and “Frequency-Time” contour for tracking flicker. The effects of signal sampling rate, voltage harmonics, and frequency variation on the calculation results are considered. The results show that the proposed method can identify the frequency and magnitude of flicker components in a short time and with very good precision. This method is independent of calculating the fundamental frequency of the system, which has been used for flicker index calculation. Finally, the method is tested on a real voltage flicker signal sampled from the voltage signal of an electric arc furnace. The results are quite promising.

Aluminium is extracted from the chief ore bauxite because of its abundance in nature, but the gas emissions produced by the process has made researchers and industrialists to look for alternatives. Since then the aluminium has been reprocessed and have been accessible in the secondary form with similar characteristics from its antecedent. A lot of recycling methods have been followed, this research work would give a detailed account of the properties of ADC – 12 aluminium ingots from different types of furnaces like Electric furnace, Oil furnace, Gas Furnace and Pit furnace, and compare the ADC – 12 aluminium ingot’s composition. The recycling efficiency of the furnaces, and Its costs were analysed and compared to each other to determine the best furnace that is appropriate for startup industries.

Los productos largos para la construcción más usuales incluyen las barras de refuerzo de hormigón (cabillas o varillas en algunos países latinoamericanos), los alambrones para la producción de mallas
electrosoldadas y algunos otros usos, y los perfiles, ángulos, planchuelas, redondos y cuadrados pequeños para herrería.
Una tendencia generalizada en el mundo y en América Latina para las plantas que se concentran en este tipo de productos, ha sido la instalación de plantas cercanas a los mercados, basadas en acería eléctrica y laminadores combinados. Tratándose de productos de un valor agregado relativamente bajo, las plantas que los fabrican suelen concentrarse en tener costos operativos bajos y alta productividad. Sus equipamientos, prácticas operativas y gerenciamiento son diferentes
a los empleados en las plantas de productos largos especiales, destinados básicamente a la industria automotriz. En este trabajo se revisan algunas de las técnicas que se están aplicando en plantas nuevas y en modernizaciones de plantas existentes, tanto en los hornos
eléctricos como en las máquinas de colada continua y laminadores.

In this paper is analyzing the current operating conditions of one of electric arc furnace (EAF) in order to evaluate the best option to solve the energy consumption problem. Also we evaluate existing process' equipment performance and point to improvement opportunities. Recommendations for the best operating set-points to run its EAF efficiently are presented. For compensating the reactive energy and increasing the power factor are presented three solutions. By the proposed automation solutions of the auxiliary installations is obtained a substantial reduction of the energy consumption and the defects of mechanical nature. The SVC compensation solution of the reactive energy is the best one, but has also the highest costs.

Cada varios años se realiza en un país diferente la Conferencia
Internacional de Ciencia y Tecnología de Acería. En esta oportunidad tuvo lugar en Dresde, Alemania. Participaron especialistas de los grupos
siderúrgicos globales así como de universidades y centros de investigación independientes. Las presentaciones reflejaron los avances en el conocimiento para la mejora de la calidad de los aceros existentes y la elaboración de nuevos tipos de aceros, entre ellos los automotrices. Además, se presentaron desarrollos para mejorar la eficiencia energética de los procesos y la reciclabilidad de los subproductos, así como los esfuerzos chinos e indios para la adaptación de tecnologías
occidentales.

This paper presents a neural network tree regression system with dynamic optimization of input variable transformations and post-training optimization. The decision tree consists of MLP neural networks, which optimize the split points and at the leaf level predict final outputs. The system is designed for regression problems of big and complex datasets. It was applied to the problem of steel temperature prediction in the electric arc furnace in order to decrease the process duration at one of the steelworks.

El aumento de la producción de acero por la vía hornos eléctricos de arco, la tendencia a revestir las chapas de acero con cinc para prevenir su corrosión, aumentando así la proporción de chatarra galvanizada a disponer en el futuro, más las exigencias ambientales crecientes, son
factores que permiten prever que el reciclado de los polvos de hornos eléctricos de arco seguirá creciendo, más allá de la coyuntura actual.
Las alternativas disponibles son variadas pero tienen un costo. La colaboración entre las industrias del cinc y del acero, los desarrolladores de tecnología y los proveedores de equipamiento pueden aliviar la carga y aportar soluciones sustentables con beneficio para las empresas y la
comunidad.