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 28.01.2010 1
Gliederung 1. Einführung/Motivation 2. Regelungskonzept 3. Leistungsregelung 4. Schaumschlackenregelung 28.01.2010 2
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 10-150 t Schrott innerhalb von 45-60 min Anschlussleistungen im Bereich von 10-160 MW über 30% der Weltstahlerzeugung 28.01.2010 1. Einführung/Motivation 3
Der Schmelzvorgang Elektrode Bohrphase Hauptschmelzperiode Flüssiges Bad mit Schaumschlacke Schrott schäumende Schlacke Sumpf Schmelze 28.01.2010 1. Einführung/Motivation 4
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 28.01.2010 1. Einführung/Motivation 5
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 28.01.2010 2. Regelungskonzept 6
Kontrollstrategie der Leistungsregelung An den Prozesszustand angepasste Einbringung der elektrischen Leistung Regelgröße Eingebrachte Leistung (Lichtbogenstrom/-spannung) Prozessparameter Schallemission Thermische Belastung Leistungsregelung Arbeitspunkt 3. Leistungsregelung 28.01.2010 7
Wärmeleistung Wand in MW Spannung in V Ergebnisse der Leistungsregelung 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Q ist U soll 0 10 20 30 Schmelzzeit in min 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 28.01.2010 3. Leistungsregelung 8
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 28.01.2010 9
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 28.01.2010 10
Lichtbogenspannung in V Normierter Schalldruck Beschreibung des Schäumverhaltens 1000 1 800 0,9 600 0,8 400 200 Spannung Schalldruck 0,7 0,6 0 0 10 20 30 40 50 Schmelzzeit in min 0,5 4. Schaumschlackenregelung 28.01.2010 11
Schaumschlackelevel Schaumschlackensignal 12 10 Subj. Schlackensignal Dyn. Schlackenindex 8 6 4 2 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Schmelzzeit in s 4. Schaumschlackenregelung 28.01.2010 12
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 28.01.2010 4. Schaumschlackenregelung 13
Leistungsregelung von Gleichstrom- Lichtbogenöfen Dipl.-Ing. Tobias Jansen tobias.jansen@hsu-hh.de Institut für Automatisierungstechnik Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg NORTEC 12. Fachmesse für Produktionstechnik 28.01.2010 14