Leistungsregelung von Gleichstrom- Lichtbogenöfen

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1 Leistungsregelung von Gleichstrom- Lichtbogenöfen Dipl.-Ing. Tobias Jansen Prof. Dr.-Ing. Klaus Krüger Institut für Automatisierungstechnik Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg NORTEC 12. Fachmesse für Produktionstechnik

2 Gliederung 1. Einführung/Motivation 2. Regelungskonzept 3. Leistungsregelung 4. Schaumschlackenregelung

3 Was ist ein Lichtbogenofen Aggregat zum Recyceln von Stahlschrott mittels elektrischer Energie und fossiler Energieträger (Kohle, Erdgas) Herstellung von Baustählen, Qualitätsstählen und Rostfreistählen Einschmelzen von t Schrott innerhalb von min Anschlussleistungen im Bereich von MW über 30% der Weltstahlerzeugung Einführung/Motivation 3

4 Der Schmelzvorgang Elektrode Bohrphase Hauptschmelzperiode Flüssiges Bad mit Schaumschlacke Schrott schäumende Schlacke Sumpf Schmelze Einführung/Motivation 4

5 Ausgangssituation und Herausforderung Geringe Transparenz des Aggregats - bisher nur durch Erfahrungen teilautomatisiert bzw. manuell eingestellt Hohe Aufwendungen (Zeit und Kosten) für Wartung und Reparatur Erhöhtes Risiko von Betriebstörungen und Ausfallzeiten Wenige Prozessmessungen und extreme Bedingungen am Ofen machen es schwierig auf den Fortschritt des Schmelzvorganges zu schließen Einführung/Motivation 5

6 Regelungskonzept Zielsetzung Steigerung der Produktivität unter gleichzeitiger Verringerung des Gefäßverschleißes Was Eingebrachte elektrische Leistung Sauerstoff- und Feinkohleinjektion zur Schaumschlackenregelung Wie Kontinuierliche Prozessüberwachung und definierte Reaktion auf entsprechende Prozessbedingungen Regelungskonzept 6

7 Kontrollstrategie der Leistungsregelung An den Prozesszustand angepasste Einbringung der elektrischen Leistung Regelgröße Eingebrachte Leistung (Lichtbogenstrom/-spannung) Prozessparameter Schallemission Thermische Belastung Leistungsregelung Arbeitspunkt 3. Leistungsregelung

8 Wärmeleistung Wand in MW Spannung in V Ergebnisse der Leistungsregelung Q ist U soll Schmelzzeit in min Leistungsregelung 8

9 Ergebnisse der Leistungsregelung Optimierter Eintrag elektrischer Leistung Die Wahl des Arbeitspunktes ist dem thermischen Niveau des Ofens angepasst Schutz vor Überhitzungen Analyse der Schallemission und der thermischen Entwicklung ermöglichen ein rechtzeitiges Herunterschalten der elektrischen Leistung Bedienerfreundliche Realisierung Entlastung des Ofenpersonals und Homogenisierung des Schmelzprozesses Erhöhung der Produktivität Automatisierte Leistungswahl erhöht die Produktivität 3. Leistungsregelung

10 Schaumschlacke Hintergrund: Schäumende Schlacke entsteht aufgrund von CO/CO 2 Gasblasen, die durch die Oxidation des eingeblasenen Kohlenstoffs generiert werden Schaumschlacke ist beim Schmelzprozess erwünscht, da: Erhöhung der thermischen Effizienz Erhöhung der elektrischen Effizienz Absenkung der Lärm- und Staubemission Aufnahme unerwünschter Begleitelemente Schlechte Schlacke Sauerstoff Gute Schlacke Feinkohle CO FeO CO 2 C FeO C 4. Schaumschlackenregelung

11 Lichtbogenspannung in V Normierter Schalldruck Beschreibung des Schäumverhaltens , , Spannung Schalldruck 0,7 0, Schmelzzeit in min 0,5 4. Schaumschlackenregelung

12 Schaumschlackelevel Schaumschlackensignal Subj. Schlackensignal Dyn. Schlackenindex Schmelzzeit in s 4. Schaumschlackenregelung

13 Regelung des Schlackeschäumens Zielsetzung Automatisierte, dem Prozess angepasste Injektion der Feinkohle und des Sauerstoff zur Regelung eines konstanten Schaumschlackenniveaus Regelgröße Dynamischer Schlackenindex Randbedingungen Feinkohle- und Sauerstoffverbrauch Metallurgie Regelungsansatz Auswahl geeigneter Regelungsansätze für totzeitbehaftete, nichtlineare und zeitvariante Systeme Realisierung eines Regelungsansatzes Schaumschlackenregelung 13

14 Leistungsregelung von Gleichstrom- Lichtbogenöfen Dipl.-Ing. Tobias Jansen Institut für Automatisierungstechnik Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg NORTEC 12. Fachmesse für Produktionstechnik