Flickerreduktion bei Elektrolichtbogenöfen durch Flickervorhersage aus der Zustandsbestimmung in der Anfangsphase des Schmelzprozesses

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Flickerreduktion bei der Stahlerzeugung mittels Elektrolichtbogenöfen .

In Lichtbogenöfen wird zur Stahlherstellung vorwiegend

Schrott eingeschmolzen. Vor allem Lichtbogenöfen, die zu 100 % Schrott verwenden, erzeugen Netzrückwirkungen, welche das betreffende Energieversorgungsunternehmen häufig bei Überschreiten von bestimmten Grenzwerten mit Vertragsstrafen belegt. Daher werden in Stahlwerken Kompensationsanlagen (SVC) installiert, um Netzrückwirkungen wie Flicker und Oberschwingungen zu reduzieren, um vorgegebene Grenzewerte einzu ^¬ halten. Derartige SVC-Systeme reagieren jedoch lediglich im Nachgang zur bereits erzeugten Netzstörung auf die im Lichtbogenofen beim Schrotteinschmelzen erzeugten Oberschwingungen oder Flicker und können besonders, wenn die Lichtbogenöfen an schwachen Versorgungsnetzen betrieben werden, nicht immer die vorgeschriebenen Grenzwerte einhalten.

Zur Vermeidung zu hoher Flickerwerte sind verschiedene her ^¬ kömmliche Abhilfemaßnahmen bekannt. Beispielsweise wird ein flickerarmer Einschmelzbetrieb vorgeschlagen, bei dem entsprechend gewählter Schrottmix mit einem kleinsten KSt-Wert, Zusatzreaktanzen im Ofenkreis und eine regelungstechnische Parametrierung zur Lichtbogenstabilisierung genutzt werden. Dabei ist der KSt-Wert der Wert, der insbesondere die Art, Schwere und Dichte des Schrotts beschreibt. Gemäß UIE liegt dieser Wert zwischen 48 und 85. Als Zusatzreaktanz im Ofen- kreis kann beispielsweise eine Ofentrafovordrossel verwendet werden. Zusätzlich sind seit Jahrzehnten so genannte Kompensationsanlagen (SVC) herkömmlicher Weise im Einsatz, mit denen der erzeugte Flicker auf ca. die Hälfte verringert werden kann. Ebenso sind herkömmliche SVC-Systeme mit Spannungsquel ^¬ lenumrichter auf IGBT- (Insulated Gate Bipolar Transistor-) Basis bekannt, die dann eingesetzt werden, wenn die Flicker ^¬ reduzierung mehr als das Doppelte sein soll.

Diese herkömmlichen Maßnahmen sind jedoch entweder mit hohen Investitions- und Betriebskosten oder mit Einbußen bei der Produktion verbunden. Nicht nur die SchrottZusammensetzung und -qualität haben Einfluss auf Netzrückwirkungen, ebenso die Regelungsperformance der Elektrodenregelung und die Fahr ^¬ weise in der Schrotteinschmelzphase können sich auf die Gene ^¬ rierung von Netzrückwirkungen bemerkbar machen. So bleibt das Erkennen von Schrottbewegungen und Schrotteinstürzen weitgehend dem Bedienpersonal vorbehalten. Eine herkömmliche Elekt- rodenregelung kann hier lediglich auf diese Ereignisse nachträglich reagieren. Es sind lediglich herkömmliche Ansätze bekannt, die nachträglich in den Stahlerzeugungsprozess ein ^¬ greifen. Entsprechend kann eine herkömmliche Kompensationsan ^¬ lage lediglich auf die Zustände beim Einschmelzen reagieren und oft werden dann die vorgegebenen Grenzwerte überschrit ^¬ ten .

Es ist Aufgabe ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Flickerreduktion bei der Stahlerzeugung mittels Elektrolichtbo- genöfen derart bereit zu stellen, dass Netzrückwirkungen, insbesondere Flicker, wirksam verringert und Grenzwerte mit einer hohen Wahrscheinlichkeit eingehalten werden. Zusätzlich soll eine größtmögliche Einschmelzperformance beziehungsweise eine größtmögliche Leistungseinbringung der Öfen bewirkt wer- den.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und eine Vorrichtung gemäß dem Nebenanspruch gelöst. Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Flickerre ^¬ duktion bei einer Stahlerzeugung mittels eines Elektrolicht- bogenofens vorgeschlagen, wobei mittels einer Speichereinrichtung ein Bereitstellen einer Flickerdatenbank erfolgt, in der zeitliche Gesamtverläufe von Momentanflicker in Abhängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen gespeichert werden; mittels einer Erfassungseinrichtung während einer anfänglichen Einschmelzphase der Stahlerzeugung ein Messen eines zeitlichen Verlaufs von Momentanflicker und ein Bestimmen von dazugehörigen Zustands- und Betriebsgrößen erfolgt; mittels einer Recheneinrichtung ein Vergleichen des gemessenen zeitlichen Verlaufs von Momentanflicker während der Einschmelzphase mit den gespeicherten zeitlichen Verläufen der Ein- Schmelzphasen der Gesamtverläufe der Flickerdatenbank unter Berücksichtigung der Zustands- und Betriebsgrößen erfolgt; mittels der Rechnereinrichtung ein Auswählen eines zeitlichen Gesamtverlaufs mit maximaler Übereinstimmung von Momentanfli- cker sowie Zustands- und Betriebsgrößen als ein vorhergesag- ter Gesamtverlauf des Flicker aufgeführt wird und mittels ei ^¬ ner Steuerungseinrichtung ein präventives dynamisches Anpas ^¬ sen des weiteren Steuerns des Stahlerzeugungsprozesses bei Vergleichen des vorhergesagten Gesamtverlaufs mit vorgegebe ^¬ nen Grenzwerten für Flicker ausgeführt wird.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Flickerreduktion bei einer Stahlerzeugung mittels eines Elektro- lichtbogenofens vorgeschlagen, wobei eine Speichereinrichtung eine Flickerdatenbank bereitstellt, in der zeitliche Gesamt- Verläufe von Momentanflicker in Abhängigkeit von Zustands ^¬ und Betriebsgrößen gespeichert sind; eine Erfassungseinrichtung während einer anfänglichen Einschmelzphase der Stahlerzeugung einen zeitlichen Verlauf von Momentanflicker misst und dazugehörige Zustands- und Betriebsgrößen bestimmt; eine Rechnereinrichtung den gemessenen zeitlichen Verlauf von Momentanflicker während der Einschmelzphase mit den gespeicherten zeitlichen Verläufen der Einschmelzphasen der Gesamtverläufe der Flickerdatenbank unter Berücksichtigung der Zustands- und Betriebsgrößen vergleicht; die Rechnereinrichtung einen zeitlichen Gesamtverlauf mit maximaler Übereinstimmung von Momentanflicker sowie Zustands- und Betriebsgrößen als ein vorhergesagter Gesamtverlauf des Flicker auswählt; eine Steuerungseinrichtung, das weitere Steuern des Stahlerzeu- gungsprozesses bei Vergleichen des vorhergesagten Gesamtverlaufs mit vorgegebenen Grenzwerten für Flicker präventiv dynamisch anpasst. Grundsätzlich schließt der hier gewählte Begriff "Steuerung" alternativ oder kumulativ den Begriff "Regelung" mit ein.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Ansatz für ein präventives, automatisiertes Eingreifen vorgeschlagen. Es wird eine vorausschauende Flickerbestimmung vorgeschlagen. Der

Begriff "präventiv" meint hier insbesondere "vorausschauend, Problem vermeidend" .

Mittels einer datentechnischen Analyse einer aktuellen Be- triebssituation in einer Anfangsphase eines Schmelzprozesses im Vergleich mit einer Flickerwissensdatenbank kann vorteilhaft auf die zukünftige Entwicklung des Flickers geschlossen werden. Auf diese Weise lässt sich dynamisch eine optimierte Einschmelzfahrweise einstellen, die eine höchstmögliche Per- formance beziehungsweise ein höchstmögliches Leistungsvermö ^¬ gen und zugleich eine Begrenzung des Flickers auf vorgegebene Grenzwerte ermöglicht. Eine Realisierung kann insbesondere im Rahmen einer neuen, intelligenten, vorausschauenden und zu- standsorientierten Elektrodenregelung und Einschmelzkontrolle erfolgen, so dass weitere Vorteile beim Elektrolichtbogenofen verwirklicht werden können.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass die zu erwartenden Flickerwerte sich mit einer relativ hohen Sicherheit aus ge- eigneten Zustands- und Betriebsgrößen bestimmen lassen, die während der ersten Minuten in einer Einschmelzphase bestimmt werden. Während dieser Zeit bohren sich die Lichtbögen durch den Schrott. Diese Phase wird daher als Bohrphase bezeichnet. Der dabei entstehende Momentanflicker ist zu einem gewissen Grad symptomatisch für die Schmelze und kann zusammen mit anderen gemessenen Zustandsgrößen für eine Flickervorhersage verwendet werden. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können jeweils Größe und Steigung von Momentanflicker gespeichert und gemessen werden .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können Zu- stands- und Betriebsgrößen eine Korbnummer, eine Stahlgüte, elektrische Parameter und/oder Schrottparameter sein.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine jeweilige anfängliche Einschmelzphase jeweils eine Bohrphase und eine Einsturzphase für jeweils mittels eines Korbes ein- gebrachten Schrott aufweisen, wobei das Messen und das

Bestimmen jeweils während der ersten hundert bis zweihundert Sekunden nach dem Schmelzen des eingebrachten Schrotts erfolgen kann. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die vorhergesagten Flickerwerte kleiner als die vorgegebenen Grenzwerte sein, so dass die Steuereinrichtung im Stahlerzeu- gungsprozess zum Erreichen maximalen Leistungsvermögens bei optimalem Energieeintrag steuern kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können vorhergesagte Flickerwerte größer als die vorgegebenen Grenzwer ^¬ te sein, so dass die Steuereinrichtung den Stahlerzeugungs- prozess während der Zeitdauern der als größer vorhergesagten Flickerwerte zur Flickerreduzierung angepasst steuern kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Steuereinrichtung die Zusatzinformation berücksichtigen dass die als größer vorhergesagten Flickerwerte für einen jeden Korb bevorzugt am Ende einer Bohrphase und/oder während einer Einsturzphase auftreten. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Steuerungseinrichtung während der Zeitdauern der als größer vorhergesagten Flickerwerte die Induktivität des Elektro- lichtbogenofens mittels höherer Drosselstufen oder Hinzu- schalten einer Drossel vergrößern.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Steuerungseinrichtung während der Zeitdauern der als größer vorhergesagten Flickerwerte eine Elektrodenregelung für kurze Lichtbögen mit größeren Strömen einstellen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Steuerungseinrichtung während der Zeitdauer der als größer vorhergesagten Flickerwerte periodische Bewegungen in den Lichtbögen einprägen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Steuerungseinrichtung während der Zeitdauer der als größer vorhergesagten Flickerwerte eine bereits vorhandene Kompensa- tionsanlage dynamisch angepasst neu parametrieren .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die vorhergesagten Flickerwerte in einem Grenzbereich zu den vorgegebenen Grenzwerten liegen, so dass die Steuerungseinrich- tung den Stahlerzeugungsprozess zwischen maximalem Leistungs ^¬ vermögen und Flickerreduktion angesteuert schalten kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Steuerungseinrichtung den Stahlerzeugungsprozess während der Zeitdauern am Ende einer Bohrphase für einen jeden Korb und während einer Einsturzphase zur Flickerreduzierung angepasst steuern .

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Ver- bindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Momentanfli ^¬ ckerverlaufs ; Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Momentanfli ^¬ ckerverlaufs ; Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Momentanfli ^¬ ckerverlaufs ;

Figur 4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Verfahrens .

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Momentanflicker- verlaufs. Figur 1 zeigt einen typischen Verlauf eines Momen ^¬ tanflickers einer Schmelze. Auf der Rechtswertachse ist die Zeit t in Sekunden s aufgetragen. Die Hochwertachse gibt nu- merische Werte zum Momentanflicker an. Zwischen 3200 Sekunden und 4200 Sekunden wird der Schrott eines ersten Korbes ge ^¬ schmolzen. Diese anfängliche Einschmelzphase teilt sich in eine Bohrphase B und eine Einsturzphase E auf. Innerhalb des Zeitfensters von 4500 Sekunden bis 5200 Sekunden wird in ei- nem zweiten Korb befindlicher Schrott im Lichtbogenofen eingeschmolzen. Auch für diesen zusätzlichen Schritt teilt sich die Einschmelzphase in die Bohrphase B und in die Einsturz ^¬ phase E auf. Beispielsweise kann ein dritter Korb mit Schrott den Momentanflickerverlauf beeinflussen. Gemäß Figur 1 schließt sich der zweiten Einsturzphase E eine Flüssigphase F an. MF bezeichnet Momentanflicker . Figur 1 zeigt einen typischen Verlauf des Momentanflickers während einer kompletten Charge. Der Momentanflicker wurde für jede der drei Phasen auf der Hochspannungsseite mit einem normgerechten Flickerme- ter bestimmt und beschreibt das kurzzeitige Auftreten des Netzflickers . Man beobachtet beim Einschmelzen des ersten Korbes Kl während der Bohrphase B einen starken Anstieg des Momentanflickers , dann einen charakteristischen Abfall und einen zweiten Anstieg während der so genannten Einsturzphase E, bei der noch nicht geschmolzener Schrott von den Ofenwänden in die geschmolzenen Zonen unter den Elektroden rutscht beziehungsweise ebenso einstürzt. Dieser Prozess führt zu ho ^¬ hen Flickerwerten. Bei dem zweiten Korb K2 wiederholt sich dieses Verhalten, wobei sich dann die so genannte Flachbad ^¬ phase F anschließt, bei der der Schrott weitgehend geschmol ^¬ zen ist und die Lichtbögen stabil auf der Schmelze brennen. Dies führt zu sehr geringen Flickerwerten. Der Verlauf und die Höhe des Flickers können jedoch je nach eingesetztem

Schrott und Schmelzfahrweise sehr unterschiedlich verlaufen. Dies zeigen Figuren 2 und 3.

Figuren 2 und 3 zeigen deutlich, dass der Verlauf und die Hö- he von Flicker je nach eingesetztem Schrott und Schmelzfahrweise sehr unterschiedlich verlaufen kann. Figuren 2 und 3 zeigen zwei verschiedene Szenarien in einem vergrößerten Maßstab für zwei Schmelzen. Während im ersten Szenario gemäß Fi ^¬ gur 2 ein Verlauf wie in Figur 1 beschrieben dargestellt ist, findet in Figur 3 ein vollkommen anderer Verlauf des Momen- tanflickers als ein zweites Szenario statt. Im zweiten Szena ^¬ rio waren die SchrottZusammensetzung und eventuell auch die Betriebsparameter anders im Vergleich zum ersten Szenario in Figur 2, so dass der Flicker weder in der Bohrphase noch in der Einsturzphase wesentlich ansteigt und insgesamt sehr ge ^¬ ring ist.

Szenario 1 zeigt in der Bohrphase B einen steilen Anstieg so ^¬ wie hohe Flickerwerte. Szenario 2 gemäß Figur 3 zeigt einen flachen Anstieg in der Bohrphase B bei geringen Flickerwerten .

Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens .

Besonders vorteilhaft ist es, die Informationen aus dem Ver ^¬ lauf des Momentanflickers und den dazugehörigen Zustands- und Betriebsgrößen insbesondere in der Anfangsphase von ca. 100 bis 200 Sekunden beim Einschmelzen jedes Korbes K zu verwen- den, um den zukünftigen Flicker vorherzusagen. Gemäß einem ersten Schritt Sl wird für jeden Ofen abhängig vom Schmelz- prozess und Stahlgüten eine Wissensdatenbank über den Verlauf des Flicker erstellt, in dem eine ausreichende Anzahl von ty- pischen Fällen gespeichert ist. In dieser so genannten Flickerdatenbank werden folgende Daten gespeichert:

Größe und Steigung des Momentanflickers in der Anfangsphase im Zeitbereich von ca. 100 bis 200 Sekunden und im weiteren Verlauf, sowie Korbnummer, Stahlgüte, elektrische Parameter, wie dies beispielsweise Spannung, Strom, Transformatorstufe, Drosselstufe, Wirk- und Scheinleistung usw. sein können, und Schrottparameter, wie dies beispielsweise die Schrottquali ^¬ tät, das Schrottvolumen, das Schrottgewicht usw. sein können. Mit einem zweiten Schritt S2 erfolgt eine Überführung dieser Flickerdatenbank in einen Klassifikator, mit dem eine Ähnlichkeitssuche über einen geeigneten Merkmalsraum, beispielsweise mit einem so genannten "nächsten Nachbarn"- Klassifikator durchgeführt werden kann. Dazu wird der, zu den gemessenen Momentanflickerwerten, die beispielsweise Größe und Steigung des Momentanflicker sein können, und den zugehörigen Zustands- und Betriebsgrößen ähnlichste Flickerverlauf gefunden. Dieser Klassifikator kann auch auf einer dynamisch wachsenden Wissensdatenbank arbeiten und als lernendes System realisiert werden. Die Wissensdatenbank kann auch in einer so genannten "Firmen-Cloud" dezentral gespeichert werden. Da hierbei Daten vieler verschiedener Schmelzöfen gespeichert werden, würde sich der anfängliche Lernaufwand verringern. Nachdem aus der Anfangsphase der wahrscheinlichste Flicker- verlauf gefunden wurde, kann in einem dritten Schritt S3 die weitere Fahrweise dynamisch optimiert werden. Dazu kann man grob drei Fälle Fl, F2 und F3 unterscheiden. Fall Fl: Die vorhergesagten Flickerwerte liegen deutlich unter vorgegebenen Grenzwerten. In diesem Fall wird die Fahrweise auf opti- malen Energieeintrag und höchste Performance getrimmt. Das bedeutet zum Beispiel für die Elektrodenregelung eine Einstellung für längere Lichtbögen und geringere Ströme. Fall F2 : Die vorhergesagten Flickerwerte liegen über vorgegebenen Grenzwerten. In diesem Fall wird die Fahrweise für die Perio- den, in denen die hohen Flickerwerte erwartet werden, ange- passt, wie im Folgenden skizziert. Wie aus den Figuren 1 bis 3 ersichtlich war, treten die Perioden mit hohen Flickerwerten insbesondere am Ende der Bohrphase, also ca. 100 bis 250 Sekunden nach Schmelzbeginn, für jeden Korb K und in der Einsturzphase E auf. Die Induktivität kann in diesen Perioden durch höhere Drosselstufen oder durch Hinzuschalten einer Drossel oder Spule erhöht werden, was stabilere Lichtbögen zur Folge hat. Die Elektrodenregelung wird für kürzere Licht ^¬ bögen mit höheren Strömen eingestellt. Des Weiteren könnten gezielte periodische Bewegungen in den Lichtbögen speziell in der Einsturzphase E zur Flickerverringerung führen. Außerdem kann eine eventuell vorhandene SVC dynamisch anders paramet- riert werden. Fall 3: Hier liegen die vorhergesagten Flickerwerte in einem Grenzbereich. Es kann nun ein Kompromiss zwischen einer hohen Einschmelzperformance und der Flickerreduktion in den Perioden mit hohen Flickerwerten eingestellt werden. Insbesondere kann die Flickerreduktion am Ende einer Bohrphase B und während einer Einsturzphase E ausgeführt wer ^¬ den .

Die hier vorgeschlagenen Verfahren gewährleisten eine optimale Einschmelzperformance und können die Flickerwerte im All- gemeinen unter vorgegebene Grenzwerte halten. Eine absolute

Sicherheit dafür gibt es aber nicht, da das Verfahren auf ei ^¬ ner Vorhersage beruht und zukünftig auftretende Flickerwerte davon abweichen können. Zum Beispiel unterliegen Schrotteinstürze einer gewissen Zufälligkeit.

Die vorliegende Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass die zu erwartenden Flickerwerte sich mit hoher Wahrscheinlichkeit aus geeigneten Zustands- und Betriebsgrößen bestimmen lassen, die während der ersten Minuten in der Einschmelzphase erfasst werden. Auf diese Weise kann Flicker wirksam verringert und unter vorgegebenen Grenzwerten gehalten werden. Die Erfindung eignet sich insbesondere bei der Stahlerzeugung unter Verwendung von Elektrolichtbogenöfen .