EFFIZIENTE PROZESS- STEUERUNG UND -GESTALTUNG auf Basis moderner Kamera- und Schallmesssysteme

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1 OPTO-AKUSTISCHES SYSTEM zur Früherkennung und Bewertung von Schlackeauswurf am BOF-Konverter

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3 EFFIZIENTE PROZESS- STEUERUNG UND -GESTALTUNG auf Basis moderner Kamera- und Schallmesssysteme IHRE HERAUSFORDERUNG Die Bildung der Schlacke spielt im BOF-Prozess eine entscheidende Rolle. Schmelze, Schlacke und Gas bilden im Konverter eine Emulsion, an deren Phasengrenze die wichtigen metallurgischen Reaktionen stattfinden. Für einen guten Stoffumsatz ist es daher bedeutsam, die Schlacke gut aufzuschäumen. Allerdings gibt es Prozesszustände, bei denen die Schaumschlacke ein derart großes Volumen einnimmt, dass sie aus dem Konverter hinausgeschleudert wird. Dieser Prozess ist als Slopping bekannt und muss vermieden werden. Durch den Schlackeauswurf verringern sich das Ausbringen und die Produktivität. Darüber hinaus können Anlagenteile beschädigt sowie zusätzliche Reinigungs- und Wartungsarbeiten erforderlich werden. Für den Stahlwerker ist es daher wichtig, rechtzeitig über die Wahrscheinlichkeit eines unmittelbar bevorstehenden Schlackeauswurfes informiert zu werden, um entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten. Ferner kann es erforderlich sein, das Phänomen des Slopping statistisch zu betrachten, damit bereits bei der Festlegung der Fahrdiagramme geeignete Gegenmaßnahmen in die Prozesse implementiert werden. Ein weiterer Aspekt ist zu beachten. Aus Arbeitsschutzgründen wird der Schmelzer räumlich mehr und HMI Layout des opto-akustischen Systems Links: Akustisches Systemfenster mit zeitlichem Verlauf des Schalldruckpegels und Schwellenwerten Rechts: Optisches Systemfenster mit aktuellem Auswurf am Spalt zwischen Konvertermund und Stellring 3

4 SMS SIEMAG Opto-akustisches System mehr vom Konverter getrennt. Moderne Leitstände unterbinden folglich die direkte Beobachtung und insbesondere die Wahrnehmung der Geräusche. Dies hat zur Folge, dass das Anbahnen und die Intensität von Schlackeauswürfen nicht mehr beobachtet wird. In dieser Situation ist es erforderlich, den Zugang des Schmelzers zum Prozessgeschehen mit moderner Sensorik zu erweitern. Mit Hilfe des optoakustischen Systems lassen sich Wartungs- und Reinigungsarbeiten verringern und damit die Produktivität erhöhen. Darüber hinaus besteht das Potential, metallurgische Prozesse zu optimieren. Die Bildung der Schaumschlacke begünstigt den Abbau von Phosphor aus dem Roheisen. Mit dem optoakustischen System erhält der Schmelzer mehr Informationen über den Stand der Schaumschlacke und kann daher den Prozess definierter steuern. UNSERE LÖSUNG Mit einem speziell entwickelten, kombinierten System aus industrieller Bildverarbeitung mit digitaler Kamera und Schallmessung ist es nun möglich, die Wahrscheinlichkeit für einen sich ankündigenden Schlackeauswurf anhand von aktuellen Messsignalen zu ermitteln und gezielt Gegenmaßnahmen einzuleiten. Mit diesem System erhält man nicht nur frühzeitige Informationen über einen Schlackeauswurf zur Steuerung des Prozesses. Schlackeauswürfe können auch klassifiziert und in Art und Ausmaß objektiv bewertet werden, so dass vorher festzulegende Fahrweisen des BOF-Prozesses, insbesondere die Lanzenfahrweise, angepasst werden können. AUFBAU DES AKUSTISCHEN MESSSYSTEMS Präzise und leistungsfähige Mikrofone Die Mikrofone zeichnen sich durch hohe Zuverlässigkeit und genaue Abbildung der Konverterakustik aus. Sie sind an unterschiedlichen Stellen am Konvertersystem installiert, gegen Hitze und Staub geschützt und für sehr hohe Schalldruckpegel ausgelegt. Übersicht Hardwarekonfiguration des Schallmesssystems Schaltschrank Vorverstärker 1 Mikrofon 1 Mikrofon 2 Mikrofon 3 Mikrofon 4 Schaltschrank Vorverstärker 2 Konverter 1 Konverter 2 Leitstand Rechnerraum Level 2 S7 Das Schallmesssystem misst Schall an unterschiedlichen Stellen des Konvertersystems und ist dank moderner, netzwerkfähiger Komponenten komfortabel in ein System mehrerer Konverter integrierbar. 4

5 Mikrofon Mikrofon Abgaskessel Stellringbereich Netzwerkfähige Vorverstärker Zentrale Recheneinheit Die Mikrofone sind gut geschützt. Ihre Signale geben Hinweise auf den Prozess- und Schaumschlackezustand. Die netzwerkfähigen Vorverstärker sind äußerst robust und wartungsfrei. In der zentralen Recheneinheit laufen alle Informationen zusammen. Robuster und flexibler Systemaufbau Das Schallmesssystem zeichnet sich durch eine stahlwerksgerechte Ausführung aus. Die Systemkomponenten wie Mikrofone und Verstärker sind nahezu wartungsfrei. Da die Verstärker netzwerkfähig sind, lassen sie sich leicht in das Stahlwerk mit seiner großen räumlichen Ausdehnung integrieren. Ein zentraler Rechner verarbeitet alle eingehenden Signale und bringt die maßgeblichen Informationen zur Anzeige. AUFBAU DES OPTISCHEN MESSSYSTEMS Moderne Kameratechnik Im Rahmen des optischen Messsystems kommt eine High Dynamic Range Kamera zum Einsatz, die insbesondere durch die stark strahlende Schlacke und das stark strahlende Abgas ihre Vorteile ausspielt. Die Kamera ist netzwerkfähig und über Ethernet mit dem Zentralrechner verbunden. Sie erfasst einen Bildbereich, der den oberen konischen Teil des Konverters und den darüber liegenden Flammenbereich umfasst. Das Verfahren ist auch für Konverter mit Stellring einsetzbar. 5

6 SMS SIEMAG Opto-akustisches System stehen digital zur Optimierung des Blasprozesses zur Verfügung. Damit können schon vor Blasbeginn Fahrweisen festgelegt werden, die die Gefahr von Schlackeauswürfen auf ein Mindestmaß verringern. FLEXIBLES ERKENNUNGSSYSTEM FÜR EINEN SICHEREN UND LEISTUNGSFÄHIGEREN KONVERTER- BETRIEB Optisches Messsystem: netzwerkfähige Kamera zur digitalen Erfassung der Auswurfvorgänge am Konvertermund. Intelligentes Bildverarbeitungssystem Zur Erkennung und Bewertung des Schlackeauswurfs steht eine speziell entwickelte Bildverarbeitungssoftware zur Verfügung. Mit Hilfe neuer Algorithmen wird automatisch zwischen Schlackeauswurf und Funkenflug unterschieden und das Ausmaß des Schlackeauswurfs innerhalb des Messfensters errechnet. Slopping-Analysesystem zur Minimierung der Auswurfwahrscheinlichkeit Die mit dem Kamerasystem erfassten und bewerteten Daten zu den Schlackeauswürfen werden zusammen mit anderen schmelzenspezifischen Daten geloggt und Differenziertes Erfassen des Slopping-Phänomens Schlackeauswürfe aus dem Konverter können unterschiedlichen Charakter haben. Einerseits können sie als Folge eines zu harten Sauerstoffblasens trocken und zäh sein. Der FeO-Anteil der Schlacke ist gering, das gebildete CO-Gas erhöht das Schlackenvolumen beträchtlich. Andererseits kann die Schlacke bei großen Mengen von Schlackebildnern und zu weichem Sauerstoffblasen auch in flüssiger Form aus dem Konverter geschleudert werden. In diesem Fall ist der FeO- Anteil der Schlacke hoch. Eine derart überoxidierte Schmelze birgt die Gefahr von Siedeverzügen. Beide Varianten, trocken wie flüssig, können sehr heftig ausfallen. Zwischen diesen Varianten können die Schlackeauswürfe viele unterschiedliche Ausprägungen annehmen. Das optoakustische System zur Früherkennung und Bewertung von Schlackeauswurf am BOF-Konverter bietet die Möglichkeit, zwischen den Arten des Schlackeauswurfs zu differenzieren. Automatische Klassifizierung von Schlackeauswürfen. Links: Originalbild des Konvertermundes mit beginnendem Auswurf kleiner Schlackenmengen. Rechts: Automatische Erkennung und Quantifizierung des Schlackeauswurfs mit Einfärbung relevanter Objekte im grün umrandeten Messfenster. 6

7 RGB Conversation > HSV HSV Channel Splitting Channel Splitting R V R tresh V tresh R mask V mask & Number of iterations Img c Erode Struct element auswürfe begünstigen, so kann mit der Früherkennung gezielt hierauf reagiert werden. Das System bietet Möglichkeiten, zwischen Auswürfen bei überoxidierter und unteroxidierter Schlacke zu unterscheiden und entsprechende Maßnahmen zur Vermeidung bzw. zur Minimierung vorzuschlagen. Dies ist deshalb bedeutsam, da jede Auswurfart spezifischer Gegenmaßnahmen bedarf, die bei falscher Auswahl sogar kontraproduktiv sein können. t= -5 Img c Img Shortpassed ROI Img ROI Pixel Number of slag Pixels Ausblick Prinzipschaltbild für die Verarbeitung der Kamerasignale. Maßgeschneidert dem Schlackeauswurf entgegenwirken Durch die differenzierte Erfassung und Bewertung der Phänomene des Schlackeauswurfes mit dem optoakustischen System lassen sich gezielt Fahrdiagramme für die Lanzensteuerung entwickeln, die in Abhängigkeit von Roheisen- und Schrottzuständen, gewählter Zuschläge und anderer Prozessgrößen der Slopping- Gefahr optimal entgegenwirken. Entstehen dennoch im Laufe des Prozesses Bedingungen, die Schlacke- Das optoakustische System zur Früherkennung und Bewertung von Schlackeauswurf ist konzeptionell so angelegt, dass es sowohl von seinen Aufgaben als auch seiner Leistungsfähigkeit modular erweiterbar ist. So kann das System mit geeigneten Erweiterungen prinzipiell auch zur Vorhersage von konventionellen Zielgrößen, wie z. B. Phosphor- und Eisengehalt der Schlacke, verwendet werden. Es liefert Informationen, die zur Steuerung der Konvertergasnutzung verwendet werden können. Weiterhin können quantifizierte Schlackeauswurfereignisse für die Optimierung der Lanzenfahrweise genutzt werden. Die Auswertung der Kamerabilder des Konvertermundes im gekippten Zustand des Konverters liefert Hinweise für eine gezielte Wartung des Konvertermundes. HMI zur Früherkennung von Schlackeauswürfen. Links: Schmelze mit Schlackeauswurf - Schallpegel unterhalb des rot eingezeichneten Schwellenwertes Rechts: Schmelze ohne Schlackeauswurf - Schallpegel durchgehend oberhalb des Schwellenwertes 7

8 MEETING your EXPECTATIONS Für weitergehende Informationen kontaktieren Sie bitte: SMS SIEMAG AG Norbert Uebber VES - Grundlagen und Modelle Schmelzen & Reduzieren Eduard-Schloemann-Straße Düsseldorf Telefon: norbert.uebber@sms-siemag.com SMS SIEMAG AG Bernd Schubert VHA - Techn. Vertrieb Stahlwerke/Mechanik Eduard-Schloemann-Straße Düsseldorf Telefon: bernd.schubert@sms-siemag.com H2-204D 500/06/14. Ky. Printed in Germany Die in dieser Druckschrift enthaltenen Informationen beschreiben Leistungseigenschaften von Produkten im Allgemeinen. Die Leistungseigenschaften von gelieferten Produkten können von den in der Broschüre beschriebenen Eigenschaften abweichen. Insbesondere können sich diese Eigenschaften durch Weiterentwicklung von Produkten ändern. Die in dieser Druckschrift enthaltenen Informationen entfalten keine Rechtswirkung. Zur Lieferung von Produkten mit spezifischen Eigenschaften sind wir nur verpflichtet, wenn dies ausdrücklich vereinbart ist.