DE102005026893A1

DE102005026893A1 - Verfahren zur Regelung des Schmelzprozesses in einem Elektrolichtbogenofen

Info

Publication number: DE102005026893A1
Application number: DE102005026893A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Matschullat
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2005-06-10
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2006-12-28
Also published as: US20080198894A1; MX2007015647A; WO2006131464A1; EP1888792A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Schmelzprozesses in einem Elektrolichtbogenofen (1), wobei sich in dem Elektrolichtbogenofen (1) Ofengut (4) befindet, das zumindest zeitweise folgende wesentliche Phasen aufweist: Schmelze, Schlacke, Feststoff. Erfindungsgemäß wird mittels des Modells (3) der Anteil und die Temperatur zumindest der Phase Schmelze berechnet. Durch das thermodynamische Modell (3), das als Mehrraummodell für die verschiedenen Phasen des Ofenguts (4) ausgebildet ist, kann erstmals der physikalische Effekt berücksichtigt werden, dass die Temperatur (T¶M¶) der überhitzten Schmelze kurz vor der vollständigen Auflösung der Reste des Feststoffs trotz Energiezufuhr abnimmt. Zur weiteren Optimierung des Schmelzprozesses wird diesem Effekt entgegengewirkt, indem z. B. gerade während dieser Temperaturabfallphase, gezielt kurzfristig die elektrische und/oder chemische Energieeinbringung erhöht wird. Durch die erfindungsgemäße Modellierung wird erstmals der reale Temperaturverlauf (T¶M¶) der Schmelze darstellbar. Derart wird auch die Voraussagbarkeit der Abstichtemperatur verbessert. Die Anzahl notwendiger Temperaturmessungen wird erfindungsgemäß reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Schmelzprozesses in einem Elektrolichtbogenofen mittels eines Modells, wobei sich in dem Elektrolichtbogenofen Ofengut befindet, das zumindest zeitweise die Phasen Schmelze, Schlacke und Feststoff aufweist.

In einem Elektrolichtbogenofen wird durch Schmelzen eines Ausgangsmaterials Stahl hergestellt. Als Ausgangsmaterial wird Schrott und/oder Eisen, vorzugsweise direkt reduziertes Eisen verwendet. Das Schmelzen des Ausgangsmaterials erfolgt durch Zufuhr von Energie. Das im Elektrolichtbogenofen befindliche Ofengut, weist während des Schmelzprozesses drei wesentliche Phasen auf: Schmelze, Schlacke und Feststoff. Diese Phasen können, müssen jedoch nicht gleichzeitig vorliegen.

Üblicherweise wird der Schmelzprozess durch den Vorgang des sogenannten Abstechens beendet, wenn die mittlere Ofentemperatur eine vorgegebene Abstichtemperatur erreicht hat.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Schmelzprozess in einem Elektrolichtbogenofen zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst, durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, wobei mittels eines Modells der Anteil und die Temperatur zumindest der Phase Schmelze berechnet wird.

Erfindungsgemäß wird mittels eines vorzugsweise thermodynamischen Modells die Temperatur der Phase Schmelze berechnet. Dadurch ist eine wesentlich genauere Regelung des Schmelzprozesses möglich als bei einem Verfahren, das lediglich die gemessene und/oder berechnete mittlere Ofentemperatur bei der Regelung berücksichtigt.

Mit Vorteil kann auch der Anteil und die jeweilige Temperatur der Phase Schlacke und/oder der Phase Feststoff berechnet werden.

Durch eine vorausschauende Berechnung der Temperatur der Phasen Schmelze, Schlacke und/oder Feststoff kann das Verfahren weiter verbessert werden.

Mit Vorteil kann mittels des Modells ein Temperaturabfall der Schmelze ermittelt werden, der sich im Verlauf des Schmelzprozesses einstellt, wenn bereits ein Großteil des Feststoffes geschmolzen ist. Dieser Temperaturabfall stellt sich üblicherweise kurz vor der vollständigen Aufschmelzung des verbleibenden Feststoffes trotz weitergehender Energiezufuhr ein. Ein derartiger Temperaturabfall wurde bisher nicht erkannt. Wenn er überhaupt bei Messungen erfasst wurde, so wurden die entsprechenden Messwerte als Messfehler klassifiziert. Bei bekannten Verfahren zur Regelung des Schmelzprozesses, die die mittlere Ofentemperatur berücksichtigen, wobei die mittlere Ofentemperatur einem Mittelwert der Temperatur aller Phasen im Ofen entspricht, wurde dieser Temperaturabfall nicht berücksichtigt.

Durch Ermittlung und Berücksichtigung des besagten Temperaturabfalls bei der Regelung des Schmelzprozesses wird die Abstichtemperatur besser vorhersagbar und es wird eine mit der Realität weit aus besser übereinstimmte Darstellung des Temperaturverlaufs des Ofenguts, insbesondere Schmelze, ermöglicht.

Mit Vorteil kann dem Temperaturabfall durch eine gezielte Erhöhung der Energiezufuhr entgegengewirkt werden. Derart wird die Abstichtemperatur früher erreicht. Es ergibt sich eine Prozesszeitverkürzung und somit eine höhere Produktivität.

Mit Vorteil kann der Zeitpunkt und die Menge der Erhöhung der Energiezufuhr mittels des Modells bestimmt werden.

Mit Vorteil wird mittels des Modells mindestens ein Abstichzeitpunkt vorausberechnet.

Die Patentansprüche 8 und 9 betreffen weitere Lösungen der erfindungsgemäßen Aufgabe.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend beispielhaft anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 schematisch einen Elektrolichtbogenofen mit einer Rechenvorrichtung zu seiner Steuerung und/oder Regelung,
2 den Effekt des Temperaturabfalls der Schmelze,
3 den verbesserten tatsächlichen Temperaturverlauf der Schmelze im Vergleich zum tatsächlichen Temperaturverlauf der Schmelze bei bekannten Verfahren,
4 ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens.
1 zeigt in schematischer Darstellung einen Elektrolichtbogenofen 1, der mit einer Rechenvorrichtung 2 zur Steuerung und/oder Regelung des Elektrolichtbogenofens 1 gekoppelt ist. Die Rechenvorrichtung 2 ist mit einem Computerprogrammprodukt programmiert und weist ein Modell 3 des Elektrolichtbogenofens 1 bzw. des Schmelzprozesses, der im Elektrolichtbogenofen 1 abläuft auf.
Im Elektrolichtbogenofen 1 befindet sich ein Ofengut 4. Zu Beginn des Schmelzprozesses besteht das Ofengut 4 zumindest weitestgehend aus Feststoff, vorzugsweise aus Schrott und/oder Eisen, insbesondere direkt reduziertes Eisen, das im Laufe des Schmelzprozesses durch Zufuhr von Energie aufgeschmolzen wird. Das Ofengut 4 weist im Verlauf des Schmelzprozesses die drei wesentlichen Phasen Schmelze, Schlacke und Feststoff auf. Diese unterschiedlichen Phasen können, müssen jedoch nicht gleichzeitig vorliegen. Die Energie wird dem Ofengut 4 vorzugsweise über die Elektroden 5 in Form von elektrischer Energie zugeführt. An den Elektroden 5 bildet sich dabei ein so genannter Lichtbogen, der in der Zeichnung nicht näher dargestellt ist. Die dem Ofengut 4 zugeführte Energie kann auch aus fossiler und/oder chemischer Art sein. Die dem Ofengut 4 zugeführten Energie führt zur Erhitzung und zur Aufschmelzung des Ofengutes 4.
2 ist eine Darstellung der Temperatur T über der Zeit t. Insbesondere zeigt 2 den Verlauf der Temperatur T_M der Schmelze und den Verlauf der mittleren Ofentemperatur T_F. Mittels des Modells 3 kann der Verlauf der Temperatur T_M der verschiedenen Phasen des Ofengutes 4 berechnet werden. Durch die erfindungsgemäße Berechnung des Verlaufs der Temperatur T_M der Schmelze mittels des Modells 3 wird erstmals der in der Zeichnung mit ΔT_d bezeichnete Temperaturabfall ermittelt. Dieser Temperaturabfall ΔT_d wird bei bekannten Verfahren, die lediglich die mittlere Ofentemperatur T_F messen und/oder berechnen, nicht erfasst bzw. zumindest nicht berücksichtigt. Die gezeigten Verläufe der Temperaturen T_M bzw. T_F entsprechen den tatsächlichen Temperaturverläufen für bekannte Verfahren, die bisher jedoch so nicht ermittelt bzw. zumindest nicht bei der Regelung und/oder Steuerung des Schmelzprozesses bzw. des Elektrolichtbogenofens 1 berücksichtigt wurden. Bei bekannten Verfahren zur Regelung des Schmelzprozesses in einem Elektrolichtbogenofen 1 ergibt sich aufgrund der mittleren Ofentemperatur T_F der Abstichzeitpunkt t_A.
Auch in 3 ist der Verlauf der Temperatur T_M der Schmelze dargestellt. Wenn dem bei bekannter Fahrweise des Schmelzprozesses erfolgenden Temperaturabfall ΔT_d (siehe 2) durch gezielte Erhöhung der Energiezufuhr ΔE_i entgegengewirkt wird, ergibt sich ein verbesserter Verlauf der Temperatur T'_M der Schmelze, bei dem die Schmelze die für den Abstich erforderliche Temperatur bereits zu einem früheren Abstichzeitpunkt t'_A erreicht. In dem erfindungsgemäß dem bislang nicht erfassten Temperaturabfall ΔT_d gegen Ende des Schmelzprozesses durch Erhöhung der Energiezufuhr ΔE_i entgegengewirkt wird, kann ein im Vergleich zum Abstichzeitpunkt t_A bekannter Verfahren deutlich früherer und somit besserer Abstichzeitpunkt t'_A erreicht werden. Durch die kurzfristige Erhöhung der Energieeinbringung ΔE_i ergibt sich eine Zeitersparnis Δt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung des Schmelzprozesses in einem Elektrolichtbogenofen 1, läuft vorzugsweise wie in 4 schematisch dargestellt ab:
Fortlaufend erfolgt ein Berechnen 10 des Prozesszustandes, wobei mittels des Modells 3 die Temperaturen der unterschiedlichen Phasenanteile, wie z.B. der Schmelze gegebenenfalls auch der Schlacke und/oder des Feststoffs berechnet werden. Es können auch andere für den Prozesszustand charakteristische Größen, insbesondere auch die Anteile der jeweiligen Phasen berechnet werden. Online, d.h. in Echtzeit und vorzugsweise fortlaufend erfolgt ein Visualisieren 11 des aktuellen Prozesszustandes.
Mit Hilfe des Modells 3 erfolgt vorausschauend eine Ermittlung 12 des Zeitpunktes bei dem ein Temperaturabfall ΔT_d bei bekannter Fahrweise des Elektrolichtbogenofens 1 zu erwarten ist. Aufgrund der Ermittlung dieses Zeitpunktes erfolgt eine Bestimmung 13 des Zeitpunktes und der Menge der Erhöhung der Energiezufuhr ΔE_i. Dementsprechend erfolgt ein Stellen 14 von Prozessparametern, wie z.B. Trafostufung, Position der Elektroden, Energiezufuhr über die Elektroden, und/oder chemische Energieeinbringung in den Elektrolichtbogenofen 1. Die sich daraus ergebende Beeinflussung des Schmelzprozesses wird beim Visualisieren 11 des Prozesszustandes berücksichtigt. Aufgrund der mit Hilfe des Modells 3 vorgenommenen Berechnungen, erfolgt ein Abstechen 16 der Schmelze zum erfindungsgemäß früheren Abstichzeitpunkt t'_A.
Mit Vorteil wird mittels des Modells 3 der frühere Abstichzeitpunkt t'_A und/oder der Abstichzeitpunkt t_A bei bekannter Fahrweise des Elektrolichtbogenofens 1 vorausberechnet. Zur Bestimmung des oder der Abstichzeitpunkte t_A bzw. t'_A kann mit Vorteil auch ein Erfassen 15 von Messwerten erfolgen, die dem Modell 3 zugeführt werden können.
Der für die Erfindung wesentliche Gedanke lässt sich wie folgt zusammenfassen:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Schmelzprozesses in einem Elektrolichtbogenofen 1, wobei sich in dem Elektrolichtbogenofen 1 Ofengut 4 befindet, das zumindest zeitweise folgende wesentliche Phasen aufweist: Schmelze, Schlacke, Feststoff. Erfindungsgemäß wird mittels des Modells 3 der Anteil und die Temperatur zumindest der Phase Schmelze berechnet. Durch das thermodynamische Modell 3, das als Mehrraummodell für die verschiedenen Phasen des Ofenguts 4 ausgebildet ist, kann erstmals der physikalische Effekt berücksichtigt werden, dass die Temperatur T_M der überhitzten Schmelze kurz vor der vollständigen Auflösung der Reste des Feststoffs trotz Energiezufuhr, abnimmt. Zur weiteren Optimierung des Schmelzprozesses wird diesem Effekt entgegengewirkt indem, z.B. gerade während dieser Temperaturabfallphase gezielt kurzfristig die elektrische und/oder chemische Energieeinbringung in den Elektrolichtbogenofen 1 erhöht wird. Durch die erfindungsgemäße Modellierung wird erstmals der reale Temperaturverlauf T_M der Schmelze darstellbar, wie er bei einem Schmelzprozess einem Elektrolichtbogenofen auftritt, der in üblicher Fahrweise ohne zusätzliche Erhöhung der Energiezufuhr ΔE_i gefahren wird. Die Voraussagbarkeit der Abstichtemperatur wird erfindungsgemäß verbessert. Durch die gezielte Erhöhung der Energiezufuhr ΔE_i wird die Zeitdauer des Schmelzprozesses wesentlich verkürzt und somit die Produktivität erhöht. Der Gesamtenergieverbrauch verkürzt sich insbesondere bedingt durch die geringere Prozessdauer. Die Anzahl notwendiger Temperaturmessungen wird reduziert.

Claims

Verfahren zur Regelung des Schmelzprozesses in einem Elektrolichtbogenofen (1), wobei sich in dem Elektrolichtbogenofen (1) Ofengut (4) befindet, das zumindest zeitweise die Phasen Schmelze, Schlacke und Feststoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Modells (3) der Anteil und die Temperatur (T) zumindest der Phase Schmelze berechnet wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch der Anteil und die Temperatur (T) der Phasen Schlacke und/oder der Phase Feststoff berechnet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) der Phasen Schmelze, Schlacke und/oder Feststoff vorausschauend berechnet werden.
Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Modells (3) ein Temperaturabfall (ΔT_d) der Schmelze ermittelt wird, der sich bei bekannter Fahrweise des Schmelzprozesses einstellt, wenn bereits ein Großteil des Feststoffes geschmolzen ist.
Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Temperaturabfall (ΔT_d) durch eine gezielte Erhöhung der Energiezufuhr (ΔE_i) entgegengewirkt wird
Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Zeitpunkt und Menge der Erhöhung der Energiezufuhr (ΔE_i) mittels des Modells (3) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Modells (3) mindestens ein Abstichzeitpunkt (t_A, t'_A) vorausberechnet wird.
Computerprogrammprodukt umfassend Programmcode-Mittel geeignet zur Durchführung der Schritte eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Patentansprüche, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Rechenvorrichtung (2) ausgeführt wird.
Rechenvorrichtung (2) zur Steuerung und/oder Regelung eines Elektrolichtbogenofens (1), gekennzeichnet dadurch, dass die Rechenvorrichtung (2) mit einem Computerprogrammprodukt nach Patentanspruch 8 programmiert ist.