REICHEL, Johann (Bockumer Straße 368, Düsseldorf, 40489, DE)
| Patentansprüche Verfahren zur dynamischen Steuerung des Konverterprozesses, insbesondere beim Verblasen des Sauerstoffs bei der Stahlherstellung mittels Abgasanalysen, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines vom Prozessmodell unabhängigen Submodells, das auf der Abgasanalyse basierend als Prozessbeobachter arbeitet, durch eine sinnvolle Kombination der erhaltenen Bestandteilssignale Erfassungswerte für den kritischen Entkohlungszeitpunkt (t'crit) und für das O2-Blasende (ΓΕΟΒ) berechnet werden, durch die der durch das Prozessmodell vorausberechnete Sau- erstoffgehalt zu Prozessbeginn korrigiert und auf die tatsächlichen Bedingungen gegen Ende des Entkohlungszeitraumes abgestimmt wird, wobei der kritische Entkohlungszeitpunkt (t'crit) ausgedrückt wird durch: t = t'crit wenn CP(t) > CPP und CP (t) = (Ν2)Λη / (CO)Am wobei CCP = Grenzwertparameter, CP = (Ν2)Λη / (CO)Am fü r Konverter m it Spalt u nd n iedrige CO- Nachverbrennung, CP = (N2/CO2) A s f ü r Ko n ve rt e r o h n e S p a l t u n d h o h e C O- Nachverbrennung, und das O2-Blasende (ΓΕΟΒ) ausgedrückt wird durch: t = t'E0B wenn EoB (t) > EoBP1 und EoB = (CO+CO2) - r PC wobei Nachverbrennung in % = PC = CO2/(CO+CO2) 100, und EoBP1 = Grenzwertparameter, die Parameter in den Gleichungen für den kritischen Entkohlungszeitpunkt und für das O2-Blasende sind abhängig von der Konverterbauweise und insbesondere von der Verfügbarkeit der Spaltverstellung und sind in regelmäßigen Abständen abzustimmen. Voraussichtliche Abstimmbereiche sind: Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Signalpegeln der Abgasanalyse durch eine unterstützende Berechnung eine Erfassung des Abfangskohlenstoff- gehaltes im Metallbad ermöglicht wird, bei dem durch einen Sauerstoffblastopp ein bestimmter, gewünschter Endkohlenstoffgehalt erzielbar ist, wobei durch Kombination des kritischen Entkohlungszeitpunktes mit dem O2-Blasende eine Definition des Zeitintervalls, das einem Kohlestoffge- halt im Metallbad nach dem kritischem Entkohlungszeitpunkt zugeordnet wird, erhalten wird. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass durch eine unterstützende Berechnung der restlichen Entkohlungszeit, basierend auf dem kritischen Kohlenstoffgehalt, eine Abschätzung des zu verblasenden Restsauerstoffs durchgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die von den entsprechenden Geräten empfangenen, grob gemessenen Werte der Abgasanalyse vor ihrer Verwendung in Bilanzierungsrechnungen zur Glättung der Signal-Schwankungen der gemessenen Menge und Zusammensetzung des Abgases teilweise aufbereitet werden, um einen korrekten Bezug der verschiedenen Datenpunkte für einen bestimmten Zeitpunkt und um einige quantitative Korrekturparameter zu erhalten, wobei zur Kurzbezeichnung ein Glättungsoperator X = smooth( X, τ ) eingeführt wird und folgende Formeln verwendet werden: Glättungsoperator x(k + 1)= (^)τ + u(k) t τ + At bzw. im Falle einer Doppelglättung, wobei der Glättungsvorgang zweimal erfolgt X = smooth2 ( X, τ ) wobei u(k) = eine ungefilterte Messwertserie eines Signals in Zeit t mit Zeitabständen von At typischerweise eine Sequenz aus Messwerten x(k+1 ) = das entsprechende geglättete Signal, τ = ein mittlerer Zeitintervallparameter, der das Ausmaß der Glättung bestimmt. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zweck der Glättung der vom Abgasmesssystem mit einer Abtastzeit von 0,3 - 0,5 Sekunden gelieferten Signale, die zur Bildung unterschiedlicher spezieller Unterstützungs- und Regelsignale dienen, folgendes Filterverfahren eingesetzt wird: x(k+1 ) = a x(k) +(1 -a) u(k) wobei k = 0, 1 , 2 wobei x(k): geglättetes Signal "x" zum Zeitpunkt k x(k+1 ): geglättetes Signal "x" zum Zeitpunkt k+1 u (k): gemessenes Signal "x" zum Zeitpunkt k und a: Parameter = N/(N+1 ) a G [0,1 ] 1 -a: Parameter = 1/(N+1 ) N: Anzahl der während des Glättungsvorganges abgetasteten Signalwerte. |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dynamischen Steuerung des Konverter- prozesses, insbesondere beim Verblasen des Sauerstoffs bei der Stahlherstellung mittels Abgasanalysen.
Moderne Stahlherstellungsprozesse erfordern die genaue Kenntnis der aktuellen Zusammensetzung und der Temperatur des zu behandelnden Flüssigme- talls. Insbesondere während der Stahlherstellung im Konverter sind hohe Trefferraten beim Kohlenstoff-Endgehalt und der Badtemperatur erforderlich. Ein mengenmäßig präzises Verblasen des Sauerstoffs entsprechend dem endgültigen Ziel-Kohlenstoffgehalt sowie die Metalltemperatur sind entscheidende Faktoren, die die Wirtschaftlichkeit des Prozesses sowie die Qualität des erzeugten Stahls beeinflussen.
Um eine relativ genaue Prozessverfolgung zu ermöglichen, sind unterschiedliche Abläufe und Prozesse bekannt, die in ihrer Anwendung mehrheitlich auf die Messung der Abgaszusammensetzung und auf Massenbilanzen beruhen. Alle Modelle arbeiten mit einer von der Genauigkeit der Eingabedaten abhängigen Exaktheit, insbesondere bezüglich der Wiegedaten der Einsatzstoffe und der chemischen Beschaffenheit des eingesetzten Metalls.
Aus der DE 28 39 316 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung eines Stahlherstel- lungsverfahrens bekannt, bei welchem die Entkohlung des geschmolzenen Stahls unter atmosphärischem Druck und unter Bildung eines Abgases geschieht, welches CO, CO2 und N 2 aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Bildung einer innigen Gasmischung aus dem Abgas und einer gemessenen Menge an Bezugsgas, welches inert bezüglich des Abgases ist, mas- senspektrometrische Überwachung einer Probe der innigen Mischung auf die lonisationsströme für ausgewählte Peaks betreffend das CO, CO2, N 2 und das Bezugsgas in der Probe, Bestimmung der Rate oder der Größe der Entkohlung des geschmolzenen Stahls zur Zeit der Überwachung aus dem gemessenen Wert der Menge des Bezugsgases in der Mischung und der gemessenen Werte der lonisationsströme für die ausgewählten Peaks, und Steuerung des Stahlherstellungsverfahrens entsprechend dem bestimmten Wert der Rate oder Größe der Entkohlung des geschmolzenen Stahls.
Die WO 2008/049673 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regelung des CO- Austrags bei der Stahlerzeugung, bei dem einer Schmelze zur Entfernung von enthaltenem Kohlenstoff (C) Sauerstoff (O2) zugeführt wird, der Istwert des aus der Schmelze entweichenden Kohlenstoffstroms ermittelt wird, der sich aus der zugeführten Sauerstoffmenge und dem Kohlenstoffgehalt der Schmelze unter Berücksichtigung etwaiger sonstiger Reaktionen ergebende Sollwert des entweichenden Kohlenstoffstroms berechnet wird, Soll- und Istwert miteinander verglichen werden und im Falle eines Zurückbleibens des Istwertes gegenüber dem Sollwert Maßnahmen zur Verhinderung eines schlagartigen Aufstiegs von Gasblasen eingeleitet werden. Als geeignete Maßnahmen werden genannt:
- Steuerung der Sauerstoffzufuhr zur Schmelze und gegebenenfalls Reduzierung der Sauerstoffzufuhr,
- Zuführung von Kohlenstoff zur Schmelze.
Ein aus der WO 2009/030192 A1 bekanntes Verfahren zur indirekten Bestimmung der Abgasrate bei metallurgischen Prozessen ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Abgas zunächst ein Referenzgas, wie Helium zugesetzt wird, und zwar zu einem Zeitpunkt, der strömungsmäßig soweit vor der Probennahme liegt, dass eine gründliche Durchmischung des Referenzgases und des Abgases erfolgt, also quasi eine homogene Verteilung erreicht wird, und dass dann eine quantitative Helium- und Stickstoffanalyse des Abgases, gemessen mit einem Massenspektrometer unter Berücksichtigung der zugesetzten Heli- ummenge erfolgt mit folgenden Einzelbestimmungen: O2, CO, CO2, N 2 , Ar, He, H 2 . Wie in einem Aufsatz in„Stahl u Eisen 1 13 (1993) Nr. 6, Seite 56" unter anderem ausgeführt, wurde am LD-Konverter bereits vor mehr als 20 Jahren begonnen, die im Abgas enthaltene Information über den Entkohlungsprozess zu nutzen. Zur Prozesssteuerung von Sauerstoffblasverfahren wurden bis 1980 für 9 von 17 in einer Übersicht genannten Blasstahlwerken eine Abgasmessung angegeben und eine erhöhte Treffsicherheit von 85 % bis 95 % für eine Spanne des Kohlenstoffgehalts von ± 0,020 % genannt. Dies entspricht einer Standardabweichung des Fehlers von etwa 0,014 % bis 0,010 %. inzwischen ist die Abgasmessung, wie weiter ausgeführt wird, - teils mit Massenspektrometer, teils mit Einzelgeräten zu einem festen Bestandteil der meisten Prozessführungssys- teme für LD-Konverter und die daraus abgeleiteten Sauerstoffblasverfahren geworden. Ergänzend zu dem sogenannten„Statischen Modell" für die Vorausberechnung des Prozesses ermöglicht die Abgasmessung zusammen mit der Sublanze in einem sogenannten„Dynamischen Modell" die kontinuierliche Beo- bachtung und Steuerung des Prozesses. Die vor dem Behandlungsende abnehmende Entkohlungsgeschwindigkeit zeigt an, wann eine Sublanzenmes- sung vorzunehmen ist, um mit dieser Positionsbestimmung nicht nur den Kohlenstoffgehalt, sondern auch die Temperatur sicher zu treffen. Die auf der Sau- erstoffbilanz aufbauende Berechnung der Verschlackung von Eisen, Mangan, Phosphor und Schwefel kann die Badzusammensetzung so genau bestimmen, dass die meisten Schmelzen direkt abgestochen und legiert werden können, ohne eine Kontrollprobe zu nehmen und deren Analyse abzuwarten.
Ausgehend von diesem geschilderten Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren anzugeben, das mittels Abgasanalysen eine vom vorgegebenen Prozessmodell unabhängige dynamische Steuerung des Konverterprozesses zur Stahlherstellung ermöglicht, insbesondere beim Verblasen des Sauerstoffs. Die gestellte Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass mit Hilfe eines vom Prozessmodell unabhängigen Sub- modells, das auf der Abgasanalyse basierend als Prozessbeobachter arbeitet, durch eine sinnvolle Kombination der erhaltenen Bestandteilssignale Erfassungswerte für den kritischen Entkohlungszeitpunkt (t ' cr it) u nd fü r d as O2- Blasende (Γ ΕΟ Β) berechnet werden, durch die der durch das Prozessmodell vorausberechnete Sauerstoffgehalt zu Prozessbeginn korrigiert und auf die tat- sächlichen Bedingungen gegen Ende des Entkohlungszeitraumes abgestimmt wird, wobei der kritische Entkohlungszeitpunkt (t ' cr it) berechnet wird durch:
t = t ' cr it wenn CP(t) > CPP und CP (t) = (Ν 2 ) Λ η / (CO) A m
wobei
CCP = Grenzwertparameter,
CP = (Ν 2 ) Λ η / (CO) A m fü r Konverter m it Spa lt u nd n ied rig e CO- Nachverbrennung,
CP = (N 2 /CO2) A s für Konverter ohne Spalt und hohe CO-Nachverbrennung, und das O2-Blasende (Γ ΕΟ Β) berechnet wird durch:
t = t ' E0 B wenn EoB (t) > EoBP1 und EoB = (CO+CO 2 ) - r PC wobei
PC = CO 2 /(CO+CO 2 ) 100 = Nachverbrennung in %
mit
CO: Kohlenmonoxidgehalt im Abgas %
CO 2 : Kohlendioxidgehalt im Abgas %
und
EoBP1 = Grenzwertparameter,
r = Abstimmungsparameter
Das Blasende entspricht dem Zeitpunkt, an dem der Gradient der Funktion Έ- oB" eine definierte Wertigkeit überschreitet. Die Konstante "r" der Funktion verstärkt das Signal und erhöht die Signalempfindlichkeit. Die physikalische Auslegung dieses verstärkten Signals bedeutet ein Ende der CO-Nachverbrennung im Konvertergefäß. Die Parameter in den Gleichungen für den kritischen Entkohlungszeitpunkt und für das O2-Blasende sind abhängig von der Konverterbauweise und insbeson- dere von der Verfügbarkeit der Spaltverstellung und sind in regelmäßigen Abständen abzustimmen. Voraussichtliche Abstimmbereiche sind:
n = 6 - 7
m = 3 - 6
s = 3 - 4
r = 0 - 5
Der kritische Entkohlungszeitpunkt entspricht demjenigen Zeitpunkt, an dem der Gradient der Funktion "CP" eine definierte Wertigkeit überschreitet, d. h. die Entkohlungskinetik wechselt aus dem Zustand eines Sauerstoffdefizits für die Kohlenstoffoxidation in einen Zustand des Sauerstoffüberschusses. Die physikalische Auslegung dieses verstärkten Signals bedeutet den Beginn einer verringerten Entkohlung, ausgedrückt durch einen kontinuierlichen Anstieg des Stickstoffgehalts und eine Absenkung des Kohlenmonoxidgehalts im Abgas. Der Zustand vor diesem Zeitpunkt charakterisiert die quasi konstante Entkoh- lungsgeschwindigkeit der Hauptentkohlungsphase und ist direkt proportional zur Menge des verblasenen Sauerstoffs. Nach dem kritischen Entkohlungszeitpunkt wird die Entkohlungsgeschwindigkeit durch ein Reaktionspotential gesteuert, das durch eine Differenz zwischen dem aktuellen Kohlenstoffgehalt und seinem thermodynamischen Gleichgewicht ausgedrückt wird. Diese Entkohlungsge- schwindigkeit zeigt dabei einen exponentiellen Trend. Die abgesenkte Entkoh- lungsrate führt in Abhängigkeit von der Differenz zwischen aktuellem Kohlenstoffgehalt und dessen thermodynamischem Gleichgewicht zu einem niedrigeren Reaktionspotential. Es handelt sich um eine Funktion der aktuellen chemischen Zusammensetzung des Metalls und seiner Temperatur. Exponenten der Funktion verstärken das Signal und erhöhen die Signalempfindlichkeit bei allen Signaländerungen.
Der Gradient der Funktion "CP" ist dabei für
Konverter mit Spalt und niedriger CO-Nachverbrennung: CP = (N 2 ) A n/(CO) A m
mit
N 2 = der Stickstoffgehalt in % im Abgas.
Bei Nichtverfügbarkeit lässt sich N 2 berechnen zu
N 2 = I OO - O2-CO-CO2 und für Konverter ohne Spalt und hoher CO-Nachverbrennung:
CP = (N 2 /CO 2 ) A s
Durch eine unterstützende Berechnung wird in Abhängigkeit von den unter- schiedlichen Signalpegeln der Abgasanalyse eine Erfassung des Abfangkohlenstoffgehaltes im Metallbad ermöglicht, bei dem durch einen Sauerstoffblas- topp ein bestimmter, gewünschter Endkohlenstoffgehalt erzielbar ist. Durch Kombination des kritischen Entkohlungszeitpunktes mit dem O 2 -Blasende wird zudem eine Definition des Zeitintervalls, das einem Kohlenstoffgehalt im Metall- bad nach dem kritischem Entkohlungszeitpunkt zugeordnet wird, erhalten.
Das Verfahren ist folgendem Ablauf zuzuordnen: Wenn t=t ' crit t: t ' crit + At — > Cf (t ' crit + At ) t: t ' crit + 2At -»■ C f (t ' crit + 2At )
t: t ' crit + nAt -» ■ C f (t ' crit + nAt ) wobei
At = (t f — t ' crit)/n = statistisch auszuwertendes Zeitintervall. Schließlich wird durch eine unterstützende Berechnung der restlichen Entkoh- lungszeit, basierend auf dem kritischen Kohlenstoffgehalt, eine Abschätzung des zu verblasenden Restsauerstoffs durchgeführt. Das für das erfindungsgemäße Verfahren verwendete Messsystem sollte auf mindestens den drei grundlegenden Abgasbestandteilen: Sauerstoff, Kohlen- monoxid und Kohlendioxid beruhen, wobei Stickstoff- und Restgasanteile die Gasbilanz vervollständigen. Bei einer konventionellen Messung errechnet sich Stickstoff als Rest zu 100 %; Wasserstoff sowie alle anderen Bestandteile wer- den vernachlässigt. Bei Einsatz eines Massenspektrometers stehen alle wesentlichen Bestandteile des Abgases direkt aus der Messung zur Verfügung. Empirische Größen, die in analytischen Funktionen als spezielle Kombination der Bestandteile ausgedrückt werden, verfolgen als definiertes Moment das Verhalten der verschiedenen Trends, die für die Erfassung des kritischen Ent- kohlungszeitpunktes und des Blasendes bedeutsam sind.
Die grob gemessenen Werte von Menge und Zusammensetzung des Abgases, die von den entsprechenden Geräten des verwendeten Messsystems empfangen werden, sind vor ihrer Verwendung in Bilanzierungsrechnungen teilweise aufzubereiten, um so die Signal-Schwankungen zu glätten, für einen korrekten Bezug der verschiedenen Datenpunkte zum entsprechenden Zeitpunkt zu sorgen und um einige quantitative Korrekturparameter anzuwenden.
Bei dem Glätten der Signal-Schwankungen handelt es sich um ein übliches ma- thematisches Verfahren, das bei mehreren Mengen angewandt wird. Zur Vollständigkeit der Parameterbezüge ist die Glättung in den nachfolgenden Formeln angegeben. Zur Kurzbezeichnung wird durch Definition des Ausdrucks ein Glättungsoperator X = smooth( X, τ ) eingeführt als: 1 X x(k) + u(k)At
x(k + 1)= ——
τ + At
wobei
u(k) = eine ungefilterte Messwertserie eines Signals in Zeit t mit Zeitabständen von At , typischerweise eine Sequenz aus Messwerten x(k+1 ) = das entsprechende geglättete Signal, τ = ein mittlerer Zeitintervallparameter, der das Ausmaß der Glättung bestimmt.
Im Falle einer Doppelglättung, wobei der Glättungsvorgang zweimal erfolgt, lautet die Bezeichnung X = glatt 2 ( X, τ ).
Das Abgasmesssystem liefert üblicherweise Signale mit einer Abtastzeit von 0,3 - 0,5 Sekunden. Diese Signale dienen zur Bildung unterschiedlicher spezieller Unterstützungs- und Regelsignale. Zum Zweck ihrer Glättung lässt sich folgendes Filterverfahren einsetzen: x(k+1 ) = a x(k) +(1 -a) u(k) wobei k = 0, 1 , 2
wobei
x(k) = geglättetes Signal "x" zum Zeitpunkt k
x(k+1 ) = geglättetes Signal "x" zum Zeitpunkt k+1
u (k) = gemessenes Signal "x" zum Zeitpunkt k
und mit den Parametern
a = N/(N+1 ) a G [0,1 ]
1 -a = 1/(N+1 )
wobei
N = Anzahl der während des Glättungsvorganges abgetasteten Signalwerte.
Bedingt durch die im Bereich von 15 - 20 Sekunden liegende Verzögerung der im Abstand von einer Sekunde bei einer Abtastzeit von 0,3 - 0,5 Sekunden er- fassten Abgaswerte sind diese für die Erfassung des kritischen Entkohlungs- zeitpunktes und für den Zeitpunkt des Blasendes und deren Differenz statistisch auszuwerten.
Das erfindungsgemaße Verfahren zeichnet sich durch folgenden ineinander greifenden Betriebsablauf aus:
A) Prozessmodell mit statischer Prozessberechnung und Definition von:
• O2-Menge, Blasmodell, Art des Spülgases, Spülgasmodell, Lanzenab- stand
• Zugabe von Schlackebildnern
• Zugabe von Kühlstoffen.
B) vom Prozessmodell unabhängiges Submodell mit dynamischer Prozess- beobachtung von
• Abgasmodell (PC, CP, EoB)
• CP = kritischer Entkohlungszeitpunkt
• EoB = Blasendezeitpunkt
Nachfolgend wird an Ausführungsbeispielen der Aufbau eines Abgas- Messsystems (Figur 1 ) und eine allgemeine Übersicht des erfindungsgemäßen Regelkreises eines Konverters (Figur 2) dargestellt. Die Figur 1 zeigt in einem Flussdiagramm ein konventionelles Messsystem 10 mit in Reihe geschalteten Analysegeräten 7 - es besteht auch die Möglichkeit einer Parallelschaltung - für die Bestimmung von CO, CO2 und O2. Dem Abgas des Konverters 1 (Fig. 2) wird vor einer Blende bzw. Venturi-Düse 3 in der Ab- gasleitung 2 mittels einer Saugpumpe 5 eine Abgasprobe 4 von etwa 0,5 Liter entnommen und einer Abgasaufbereitung 6 zugeführt. Von dort gelangt die Ab- gasprobe 4 hintereinander in die in Reihe geschalteten Analysegeräten 7, worin mit einer Ansprechzeit von jeweils 0,5 Sekunden ein dem Analysenwert entsprechendes Signal erzeugt wird.
In der Figur 2 ist schematisch der erfindungsgemäße Regelkreis für einen Kon- verter 1 dargestellt. Der Regelkreis besteht aus den Teilbereichen erfindungsgemäße Prozessbeobachtung und -führung 20 (in der Zeichnungsfigur rechts) mit Messsystem 10, Signalaufbereitung 1 1 , Submodell als Prozessbeobachter 12 und Prozesskontrolle 13 sowie dem konventionellen Prozessablauf 30 (in der Zeichnungsfigur links) mit Konverter 1 und Prozesssteuerung bzw. - bedienung 15.
Die Abgasproben 4 des Konverters 1 werden im Messsystem 10 analysiert (siehe Fig. 1 ) und die erhaltenen, den Analysenwerten entsprechenden Signale in der Signalaufbereitung 1 1 so aufbereitet, dass daran anschließend vom Submodell 12 die das ursprüngliche Prozessmodell korrigierenden Daten in die Prozesskontolle bzw. -führung 13 zur Prozesssteuerung bzw. -bedienung 15 einfließen.
Bezugszeichenliste
1 Konverter
2 Abgasleitung vom Konverter
3 Blende bzw. Venturi-Düse
4 Abgasprobe
5 Saugpumpe
6 Abgasaufbereitung
7 Analysegeräte
10 Messsystem
1 1 Signalaufbereitung
12 Submodell als Prozessbeobachter
13 Prozesskontrolle
15 Prozesssteuerung
20 Prozessbeobachtung und -führung
30 Prozessablauf