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CONTROLLO
tecnica
Novembre/Dicembre 2015
n
Automazione e Strumentazione
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Giacomo Astolfi
Luca Barboni
Francesco Cocchioni
Sistema di controllo avanzato
per un forno di preriscaldo Walking Beam
Un forno di preriscaldo impiegato all’interno del
processo produttivo di un’acciaieria ha lo scopo di
riscaldare billette, anche di differenti dimensioni,
fino alla temperatura necessaria per la successiva
deformazione plastica (tipicamente intorno ai
1100 °C) ([1]). La deformazione avviene tramite
il passaggio delle billette riscaldate attraverso una
serie di gabbie di laminazione; la forma deside-
rata del prodotto finale viene ottenuta grazie ai
cilindri disposti all’interno di ogni gabbia.
Le billette sono caricate in ingresso al forno
(detta zona di infornamento), sono movimentate
e riscaldate all’interno dello stesso ed infine sono
sfornate per essere lavorate nel treno di lamina-
zione. L’energia termica è trasferita alle billette,
durante il loro percorso all’interno del forno,
da dei bruciatori aria/gas naturale disposti sulle
pareti del forno (tipicamente sulle pareti laterali
e/o sulla volta del forno).
Esistono differenti tipi di forni di preriscaldo, che
si differenziano in base alla modalità con cui le
billette sono movimentate al loro interno; le quat-
tro categorie principali sono ([2]):
- Pusher Type, detti anche Forni a Spinta, in cui
le billette sono attaccate l’una all’altra e sono
movimentate spingendo la prima presente in
ingresso al forno.
- Walking Hearth, in cui la movimentazione è
espletata attraverso una suola mobile.
- Walking Beam, in cui la movimentazione è
realizzata attraverso delle barre mobili; questi
forni sono caratterizzati da una maggiore com-
plessità tecnologica rispetto ai forni Walking
Hearth.
- Roller Hearth, sono forni circolari impiegati
per produzioni speciali (tipo di ruote di acciaio
circolari).
I forni di preriscaldo possono avere differente
lunghezze e sono suddivisi in differenti zone di
riscaldo; tipicamente vengono identificate tre
macro-zone all’interno di un forno (partendo
dalla zona di infornamento):
- La zona di preriscaldo, in cui, tramite i fumi
caldi provenienti dalle altre zone più a valle
all’interno del forno, viene eseguito un primo
riscaldamento delle billette. All’interno della
zona di preriscaldo possono anche essere pre-
senti dei bruciatori a gas naturale.
- La zona di riscaldo, in cui, tramite bruciatori a
gas naturale, viene realizzato il riscaldamento
più significativo delle billette (fino al cuore
della billetta).
- La zona di equalizzazione, in cui, tramite bru-
ciatori a gas naturale, si finalizza il riscalda-
mento superficiale della billetta.
In generale, se non sono presenti bruciatori rige-
nerativi, i fumi della combustione sono condotti
verso uno scambiatore termico (detto anche recu-
peratore) che ha lo scopo di preriscaldare l’aria di
combustione inviata ad ogni singolo bruciatore.
►
GLI AUTORI
G. Astolfi, L. Barboni, F. Coc-
chioni - i.Process, Italian Plant
Realtime Optimization & Control
for Energy Saving Services.
Questo articolo descrive un innovativo Sistema di Controllo Avanzato (APC - Advaced Process Control)
applicato ad un forno di preriscaldo (di tipo Walking Beam) di billette di acciaio. All’interno dell’APC
è implementato un Modello Termodinamico Adattativo agli Elementi Finiti (FEM - Finite Element Method)
in grado di stimare il riscaldamento di ogni billetta del forno; le stime delle temperature di ogni billetta
sono utilizzate all’interno di un algoritmo di Controllo Predittivo (MPC - Model based Predictive Control)
in grado di regolare la combustione di ogni zona del forno al fine di riscaldare correttamente ogni
billetta (fino alla temperatura di sfornamento desiderata), minimizzando il consumo specifico calcolato
come il rapporto tra il gas naturale impiegato per la combustione [Sm
3
] e le tonnellate relative alle
billette sfornate [ton]. La riduzione del consumo specifico di gas naturale, ottenuta dopo un anno
di funzionamento (con un service factor del sistema APC intorno al 98%) è stata prossima al 5%.
L’applicazione della medesima tecnologia ad un forno di preriscaldo di tipo Pusher Type ha prodotto
una riduzione del consumo specifico di gas naturale pari al 15% (dopo 3 mesi di funzionamento). Gli
aspetti innovativi introdotti hanno consentito la premiazione del sistema APC all’interno degli Energy
Efficiency Awards 2015 organizzati dal Centro Studi sull’Economia e il Management dell’Efficienza
Energetica (CESEF) di Milano e la sottomissione di una domanda di brevetto europeo.
Gli autori desiderano ringraziare
l’intero gruppo Bartucci che, attra-
verso il suo modello di business e
la capacità organizzativa ha reso
possibile l’implementazione e la
diffusione di progetti di questo tipo.