EP4317466A1 - Verfahren zur herstellung von stahl in einem metallurgischen gefäss - Google Patents

Verfahren zur herstellung von stahl in einem metallurgischen gefäss Download PDF

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EP4317466A1
EP4317466A1 EP23185250.0A EP23185250A EP4317466A1 EP 4317466 A1 EP4317466 A1 EP 4317466A1 EP 23185250 A EP23185250 A EP 23185250A EP 4317466 A1 EP4317466 A1 EP 4317466A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
metallurgical vessel
process data
pressure
exhaust
exhaust air
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23185250.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Ahrens
Martin Blanke
Vadym Zhuravlov-Kogan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SMS Group GmbH
Original Assignee
SMS Group GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by SMS Group GmbH filed Critical SMS Group GmbH
Publication of EP4317466A1 publication Critical patent/EP4317466A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C5/00—Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
    • C21C5/28—Manufacture of steel in the converter
    • C21C5/42—Constructional features of converters
    • C21C5/46—Details or accessories
    • C21C5/4673—Measuring and sampling devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B3/00—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Tank furnaces
    • F27B3/10—Details, accessories, or equipment peculiar to hearth-type furnaces
    • F27B3/28—Arrangement of controlling, monitoring, alarm or the like devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D19/00—Arrangements of controlling devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D21/00—Arrangements of monitoring devices; Arrangements of safety devices

Definitions

  • the invention relates to a method for producing steel in a metallurgical vessel, in which crude steel is melted in the metallurgical vessel and oxygen is introduced into the crude steel, an exhaust air system being arranged above the metallurgical vessel in which a predetermined target pressure is maintained in a controlled manner.
  • the removal of exhaust gases through the exhaust system is generally controlled with the help of a pressure measurement in the exhaust duct.
  • the US 2017/0335417 A1 proposes setting the pressure setpoint using a value that takes into account the size of the flame spot, which is captured by a camera aimed at the converter opening. Additional information, such as the position of the skirt and the amount of oxygen injected into the converter, is also used to adjust the setpoint. However, the basis for determining the actual pressure is measuring it using a pressure sensor arranged in the exhaust air system.
  • the WO 2020/212782 A1 expands the use of cameras for electric arc converters (EAF converters) and suggests using flame spot intensity in addition to size.
  • EAF converters electric arc converters
  • the actual pressure is measured using a pressure sensor arranged in the exhaust air system.
  • the gas throughput through the exhaust air system is controlled by pressure measurement in the exhaust air system (cooling chimney). Due to the harsh environment, the pressure measuring device required for this is complicated and constructed requires a relatively large installation space. Due to the dust-containing gas, the pressure measuring sockets also tend to become dirty and clogged, which leads to incorrect pressure measurement. Consequently, the maintenance costs for the system are also relatively high.
  • the invention is based on the object of developing a method of the type mentioned in such a way that the pressure measurement in the exhaust air system is unnecessary, which means that the problem described above is to be eliminated.
  • the process data further comprises at least one analyzed image from a camera which records a flame or smoke which arises during the process, in particular between the top of the metallurgical vessel and the bottom of the exhaust system (i.e. in the area of the above-mentioned gap).
  • the pressure in the exhaust system is not measured using a pressure sensor.
  • a pressure sensor provided for this purpose in the prior art can therefore be dispensed with.
  • the calculation model is preferably based on a logistic regression between the process data and the actual pressure in the exhaust system.
  • logistic regression refers to regression analyzes for modeling the distribution of dependent discrete variables.
  • a statistical correlation is established between the determined process parameters and the resulting actual pressure in the exhaust air system. Accordingly, it is not necessary to measure the pressure in the exhaust system itself; Rather, this is determined indirectly from the other process parameters using the said calculation model.
  • the data of previously carried out processes stored in the calculation model are preferably supplemented and/or modified by currently determined process data. This procedure is known as “machine learning” in the field of artificial intelligence and therefore does not need to be described in more detail here.
  • the metallurgical vessel is in particular a converter (BOF - Basic Oxygen Furnace) or an electric arc furnace (EAF).
  • the previously common pressure measurement in the exhaust air system is replaced by a calculation model that is based on available process data;
  • other process parameters can also be taken into account.
  • Additional information for the pressure calculation is the size of the flame spot, which is captured by the camera looking at the converter mouth, and the amount of smoke emerging from the container, which is also determined from the camera images.
  • the proposed method thus provides optimal control of the gas flow of the process gas during steel production, in particular during the oxygen blowing phase, which is preferably used in the oxygen blowing furnace (BOF).
  • BOF oxygen blowing furnace
  • a computing model i.e. a computer in which a corresponding algorithm runs
  • this model can be adapted to historical data (i.e. to data determined in the past during processes carried out on this metallurgical plant) according to the machine learning method known per se.
  • the parameters of the computational model can be adjusted by iterative optimization of an objective function that describes the deviation of the model predictions from the actual pressure measurements.
  • the proposed method makes it possible to reduce the complexity of the gas flow system and its maintenance costs.
  • the decision to increase or decrease the gas flow rate (by appropriate stronger or weaker drive of the fans) is essentially based on knowledge of the pressure in the exhaust duct. Since pressure sensors in the exhaust air system are deliberately omitted due to the harsh environment, the invention provides for the pressure actually prevailing in the exhaust air system to be determined without measuring it directly, but rather via the calculation model mentioned.
  • the advantage is that the proposed approach can also increase exhaust gas recovery.
  • the steelmaking process in a blast furnace involves the release of large amounts of smoke, carbon dioxide (CO 2 ), carbon monoxide (CO) and other gas components.
  • Insufficient exhaust gas intensity leads to an increase in the amount of smoke and CO.
  • the exhaust gas intensity is too high, CO is burned in the exhaust duct and thus a reduction in the energy value of the gas mixture.
  • the method proposed according to the invention optimizes the exhaust gas intensity and maximizes the CO yield.
  • FIG. 1 a metallurgical vessel is shown in the form of a BOF, above which an exhaust system (exhaust system) 2 is arranged in a known manner.
  • the production of steel from pig iron in vessel 1 occurs by oxidizing excess carbon and other impurities with oxygen O 2 blown through the molten pig iron.
  • the one required for this For this purpose, the oxygen blowing lance 11 is immersed in the interior of the vessel 1. This process releases large amounts of smoke, carbon dioxide (CO 2 ), carbon monoxide (CO) and other gases.
  • the exhaust system 2 consisting of an apron 12 and an adjoining gas duct, is installed above the vessel 1 in order to clean and collect the flue gases.
  • the purified stored gas mixture is later used for energy recovery by converting CO into CO2 .
  • a gap 4 is formed between the top of the vessel 1 and the bottom of the exhaust system 2 and in particular the apron 12. The size of the gap is available as a measured value SP.
  • the concentration of carbon monoxide CO or carbon dioxide CO 2 can be measured via the measuring system 9.
  • the volume flow with which the oxygen O 2 is introduced into the raw steel via the blowing lance 11 can be determined via a measuring system 10.
  • the decision made by the pressure control device 15 to increase or decrease the gas throughput is based on the measurement of the actual pressure p Ist in the exhaust air system using a pressure sensor. This pressure is compared with the target pressure p target , which ensures a high CO concentration in the accumulated gas mixture and an acceptable amount of emitted dust and sludge. If the measured pressure is higher than the pressure setpoint, the fan performance is increased and vice versa.
  • the present invention provides a new method for controlling the gas flow, which replaces the direct pressure measurement with a calculation based on parameters of the steelmaking process and, if necessary, also visual data obtained with a camera 5 that monitors the flame Container neck observed. To capture optimal images of the flame or smoke, it can be illuminated with a lamp or with a laser 8. An image processing unit 6 evaluates the image captured by the camera 5.
  • the proposed concept relies on the use of a calculation model 3, which is fed with current process data (which, however, does not include the current actual pressure in the exhaust air system).
  • the actual pressure is determined and output by the calculation model 3 from this current data, as well as on the basis of previously determined and stored data.
  • a pressure calculation unit 7 in which the calculation model 3 is integrated, with image data BD, the size of the gap SP (distance between the container neck and the skirt), the concentration of carbon monoxide CO in the exhaust system, the concentration of carbon dioxide CO 2 in the exhaust air system and the volume flow of supplied oxygen O 2 is fed (see Figure 2 ), around The actual pressure p Ist is to be determined from this and output to the pressure control device 15.
  • the image processing unit 6 analyzes the images recorded by the camera 5 of the gap 4 between the converter mouth and the exhaust system (cooling shaft or skirt of the container) in order to record the size of the bright area generated by the flames.
  • the images are taken with a CMOS and/or infrared camera.
  • the light source 8 lamp; laser
  • the amount of smoke emerging from the container is determined from the images through absorption and/or reflection.
  • All of the above-mentioned process parameters, which are regularly measured during steel production, can be fed into the pressure calculation unit 7, which estimates the pressure p Act in the exhaust pipe.
  • the pressure calculated by the calculation model is used to adjust the exhaust gas intensity instead of direct pressure measurement and is fed to the pressure control device 15.
  • Insufficient exhaust intensity leads to an increase in the amount of smoke emerging between the mouth of the BOF converter and the inlet of the exhaust system (cooling chimney).
  • the amount of smoke not captured by the primary gas extraction is estimated based on the intensity of the image of the installed light source 8 (lamp, laser) or the intensity of the light emitted by the light source and reflected by the objects surrounding the converter. The value representing this intensity is used to calculate pressure in addition to the process parameters listed above.
  • a statistical model is used as the basis for calculating the pressure depending on the otherwise recorded process parameters, in particular logistic regression being used as a basis (see the comments above).
  • the pressure is calculated as follows, for example:
  • its mean value ie the mean value of the data obtained and stored so far
  • its result is divided by its standard deviation.
  • the mean and standard deviation of the parameter are therefore determined from historical data (i.e. data collected earlier in the process).
  • the initial value of the logistic function is the normalized actual pressure.
  • the normalized actual pressure is multiplied by the standard deviation of the pressure and added to the mean pressure value.
  • the mean and standard deviation of the pressure are again determined from historical data.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Stahl in einem metallurgischen Gefäß (1), bei dem Rohstahl im metallurgischen Gefäß (1) geschmolzen und Sauerstoff in den Rohstahl eingeleitet wird, wobei oberhalb des metallurgischen Gefäßes (1) ein Abluftsystem (2) angeordnet ist, in dem ein vorgegebener Soll-Druck (p<sub>Soll</sub>) geregelt gehalten wird. Um die Druckmessung im Abluftsystem entbehrlich zu machen, sieht die Erfindung vor, dass der im Abluftsystem (2) vorhandene Ist-Druck (p<sub>Ist</sub>) mittels eines Rechenmodells (3) ermittelt wird, welchem aktuelle Prozessdaten zugeführt werden, wobei das Rechenmodell (3) den vorhandenen Ist-Druck (p<sub>Ist</sub>) im Abluftsystem (2) aus gespeicherten Daten früher durchgeführter Verfahren ermittelt und hierzu eine Korrelation zwischen den Prozessdaten und dem Ist-Druck (p<sub>Ist</sub>) im Abluftsystem (2) herstellt, wobei die Prozessdaten zumindest umfassen: den Volumenstrom zugeführten Sauerstoffs in das metallurgische Gefäß (1) und die Konzentration von Kohlenmonoxid (CO) und/oder von Kohlendioxid (CO<sub>2</sub>) im Abluftsystem (2).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Stahl in einem metallurgischen Gefäß, bei dem Rohstahl im metallurgischen Gefäß geschmolzen und Sauerstoff in den Rohstahl eingeleitet wird, wobei oberhalb des metallurgischen Gefäßes ein Abluftsystem angeordnet ist, in dem ein vorgegebener Soll-Druck geregelt gehalten wird.
  • Die Abfuhr der Abgase durch das Abluftsystem wird bei der Stahlerzeugung, beispielsweise in einem Konverter (insbesondere in einem BOF - Basic Oxygen Furnace), im Allgemeinen mit Hilfe einer Druckmessung im Abgaskanal kontrolliert.
  • Die US 2017/0335417 A1 schlägt hierzu die Einstellung des Drucksollwerts mit Hilfe eines Werts vor, der die Größe des Flammenflecks berücksichtigt, welcher von einer Kamera, die auf die Konverteröffnung gerichtet ist, erfasst wird. Zusätzliche Informationen, wie die Position der Schürze und die Menge des in den Konverter eingeblasenen Sauerstoffs, werden ebenfalls für die Einstellung des Sollwerts verwendet. Grundlage der Ist-Druck-Ermittlung ist aber die Messung desselben mittels eines im Abluftsystem angeordneten Drucksensors.
  • Die WO 2020/212782 A1 erweitert die Verwendung von Kameras für Elektrolichtbogen-Konverter (EAF-Konverter) und schlägt vor, neben der Größe auch die Intensität des Flammenflecks zu verwenden. Auch hier wird der Ist-Druck mittels eines im Abluftsystem angeordneten Drucksensors gemessen.
  • Der Gasdurchsatz durch das Abluftsystem wird nach dem Stand der Technik also durch Druckmessung im Abluftsystem (Kühlkamin) gesteuert. Aufgrund der rauen Umgebung ist das hierfür notwendige Druckmessgerät kompliziert aufgebaut und benötigt einen relativ großen Bauraum. Aufgrund des staubhaltigen Gases neigen die Druckmessbuchsen zudem zur Verschmutzung und Verstopfung, was zu einer fehlerhaften Druckmessung führt. Folglich sind auch die Wartungskosten für das System relativ hoch.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass die Druckmessung im Abluftsystem entbehrlich wird, wodurch die oben beschriebene Problematik eliminiert werden soll.
  • Die Lös u n g dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der im Abluftsystem vorhandene Ist-Druck mittels eines Rechenmodells ermittelt wird, welchem aktuelle Prozessdaten zugeführt werden, wobei das Rechenmodell den vorhandenen Ist-Druck im Abluftsystem aus gespeicherten Daten früher durchgeführter Verfahren ermittelt und hierzu eine Korrelation zwischen den Prozessdaten und dem Ist-Druck im Abluftsystem herstellt, wobei die Prozessdaten zumindest umfassen:
    • den Volumenstrom zugeführten Sauerstoffs in das metallurgische Gefäß und
    • die Konzentration von Kohlenmonoxid und/oder von Kohlendioxid im Abluftsystem.
  • Die Prozessdaten umfassen vorzugsweise weiterhin
    • die Temperatur an einer definierten Stelle des Abluftsystems,
    • die Art und die Menge von Additiven, die dem metallurgischen Gefäß zugeführt werden,
    • die Größe des Spalts, welcher zwischen der Oberseite des metallurgischen Gefäßes und der Unterseite des Abluftsystems ausgebildet wird, und
    • den Grad des Verschleißes des metallurgischen Gefäßes.
  • Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Prozessdaten weiterhin mindestens ein analysiertes Bild einer Kamera umfassen, welche eine Flamme oder den Rauch aufnimmt, welche bzw. welcher während des Prozesses entsteht, insbesondere zwischen der Oberseite des metallurgischen Gefäßes und der Unterseite des Abluftsystems (also im Bereich des oben genannten Spalts).
  • Im Abluftsystem wird demgemäß keine Messung des Drucks mittels eines Drucksensors vorgenommen. Auf einen im Stand der Technik hierfür vorgesehenen Drucksensor kann also verzichtet werden.
  • Das Rechenmodell legt bevorzugt eine logistische Regression zwischen den Prozessdaten und dem Ist-Druck im Abluftsystem zugrunde. Unter logistischer Regression versteht man in der Statistik Regressionsanalysen zur Modellierung der Verteilung abhängiger diskreter Variablen. Im vorliegenden Falle wird hierbei eine statistische Korrelation zwischen den ermittelten Prozessparametern und dem sich daraus ergebenden Ist-Druck im Abluftsystem hergestellt. Demgemäß ist es nicht erforderlich, den Druck im Abluftsystem selber zu messen; dieser wird vielmehr indirekt aus den anderen Prozessparametern durch besagtes Rechenmodell bestimmt.
  • Die im Rechenmodell gespeicherten Daten früher durchgeführter Verfahren werden vorzugsweise durch aktuell ermittelte Prozessdaten ergänzt und/oder modifiziert. Dies Vorgehen ist als "machine learning" im Bereich der Künstlichen Intelligenz bekannt und braucht insofern hier nicht näher beschrieben zu werden. Bei dem metallurgischen Gefäß handelt es sich insbesondere um einen Konverter (BOF - Basic Oxygen Furnace) oder um einen Elektrolichtbogenofen (EAF).
  • Die bislang übliche Druckmessung im Abluftsystem wird erfindungsgemäß durch ein Berechnungsmodell ersetzt, das auf verfügbaren Prozessdaten basiert; zusätzlich können auch weitere Prozessparameter berücksichtigt werden.
  • Das Erfindungskonzept sieht somit vor, den bei den vorbekannten Lösungen direkt gemessenen Druck im Abluftsystem (Abgaskanal) durch einen Wert zu ersetzen, der aus den verfügbaren, während des Stahlherstellungsprozesses früher bereits aufgezeichneten Daten sowie aktuell ermittelter (gemessener) Parameter berechnet wird. Hierfür kommt insbesondere
    • die Menge des in den Konverter eingeblasenen Sauerstoffs,
    • die Konzentration von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2) im Gasgemisch, das den Konverter verlässt,
    • die Temperatur des Kühlkamins (bzw. an einer definierten Stelle des Abluftsystems),
    • die Menge und Art der beigemischten Stoffe,
    • die Position der Schürze und
    • der Grad der Abnutzung des metallurgischen Gefäßes
  • in Betracht. Dabei können beliebige Kombinationen der oben genannten Prozessgrößen bzw. Parameter vorgesehen werden.
  • Zusätzliche Informationen für die Druckberechnung sind die Größe des Flammenflecks, der von der auf die Konvertermündung blickenden Kamera erfasst wird, sowie die Menge des aus dem Behälter austretenden Rauchs, die ebenfalls anhand der Kamerabilder ermittelt wird.
  • Das vorgeschlagene Verfahren stellt somit eine optimale Regelung des Gasflusses des Prozessgases während der Stahlerzeugung bereit, insbesondere während der Sauerstoffblasphase, was bevorzugt im Sauerstoffblasofen (BOF) zum Einsatz kommt.
  • Dabei wird ein Rechenmodell (d. h. ein Computer, in dem ein entsprechender Algorithmus abläuft) eingesetzt, welches sich eines statistischen Modells bedient. Dieses Modell kann insbesondere gemäß der an sich bekannten Methode des maschinellen Lernens an historische Daten (d. h. an Daten, die in der Vergangenheit bei durchgeführten Prozessen ermittelt wurden, die auf dieser metallurgischen Anlage durchgeführt wurden) angepasst wird.
  • Insbesondere werden bei der Gewinnung besagter Daten für das Rechenmodell die Ergebnisse früherer synchroner Messungen des Drucks bei gleichzeitiger Erfassung der oben genannten Parameter berücksichtigt, d. h. es erfolgt eine Sammlung früherer Daten, die Aussagen über eine Korrelation des herrschenden Ist-Drucks im Abluftsystem bei gegebenen Werten für die oben genannten Parameter zulassen.
  • Die Parameter des Rechenmodells können durch iterative Optimierung einer Zielfunktion angepasst werden, die die Abweichung der Modellvorhersagen von den tatsächlichen Druckmessungen beschreibt.
  • Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht es, die Komplexität des Gasströmungssystems und dessen Wartungskosten zu verringern. Die Entscheidung über die Erhöhung oder Verringerung des Gasdurchsatzes (durch entsprechend stärkeren oder schwächeren Antrieb der Ventilatoren) beruht im Wesentlichen auf der Kenntnis des Drucks im Abgaskanal. Da aufgrund der rauen Umgebung auf Drucksensoren im Abluftsystem bewusst verzichtet wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, den tatsächlich im Abluftsystem herrschenden Druck ohne dessen direkte Messung, sondern über das genannte Rechenmodell zu bestimmen.
  • Vorteilhaft ist, dass mit der vorgeschlagenen Vorgehensweise auch die Abgasrückgewinnung erhöht werden kann. Der Stahlherstellungsprozess in einer Hochofenanlage geht mit der Freisetzung großer Mengen von Rauch, Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO) und anderen Gaskomponenten einher. Eine unzureichende Abgasintensität führt zu einem Anstieg der Rauch- und CO-Menge. Eine zu hohe Abgasintensität hingegen führt zur Verbrennung von CO im Abgaskanal und damit zu einer Verringerung des Energiewerts des Gasgemisches. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren optimiert die Abgasintensität und maximiert die CO-Ausbeute.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
    • Fig. 1
    schematisch ein metallurgisches Gefäß mit Abluftsystem, in dem Roheisen hergestellt wird, und
    Fig. 2
    schematisch die Ermittlung des aktuellen Drucks im Abluftsystem mittels eines Rechenmodells, dem aktuelle Prozessdaten zugeführt werden.
  • In Figur 1 ein metallurgisches Gefäß in Form eines BOF dargestellt, über welchem in bekannter Weise ein Abluftsystem (Abgassystem) 2 angeordnet ist.
  • Die Herstellung von Stahl aus Roheisen im Gefäß 1 erfolgt durch Oxidation von überschüssigem Kohlenstoff und anderen Verunreinigungen mit Sauerstoff O2, der durch das geschmolzene Roheisen geblasen wird. Die hierfür erforderliche Sauerstoff-Blaslanze 11 taucht zu diesem Zweck in das Innere des Gefäßes 1 ein. Bei diesem Prozess werden große Mengen an Rauch, Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO) und anderen Gasen freigesetzt.
  • Das Abluftsystem 2, bestehend aus einer Schürze 12 und einem sich an diese anschließenden Gaskanal, ist oberhalb des Gefäßes 1 installiert, um die Rauchgase zu reinigen und zu sammeln. Das gereinigte gespeicherte Gasgemisch wird später zur Energierückgewinnung durch Umwandlung von CO in CO2 verwendet. Zwischen der Oberseite des Gefäßes 1 und der Unterseite des Abluftsystems 2 und namentlich der Schürze 12 wird ein Spalt 4 ausgebildet. Die Größe des Spalts steht als gemessener Wert SP zur Verfügung.
  • Über das Messsystem 9 kann die Konzentration des Kohlenmonoxids CO bzw. des Kohlendioxyds CO2 gemessen werden. Gleichermaßen kann über ein Messsystem 10 der Volumenstrom ermittelt werden, mit dem der Sauerstoff O2 über die Blaslanze 11 in den Rohstahl eingegeben wird.
  • Eine unzureichende primäre Gaserfassung führt, wie oben erwähnt, zu einem Anstieg der Rauch- und Gasemissionen aus dem BOF-Bereich und erhöht das Risiko von toxischen Gasen wie CO-Gas. Andererseits führt ein zusätzliches Ansaugen von Umgebungsluft in den Primärgasstrom zur Verbrennung von CO im Abgassystem und damit zu einer Verringerung des Energiewerts des angesammelten Gasgemisches, zu einer erhöhten Wärmebelastung des Kühlkamins und zu einem zusätzlichen Gasvolumenstrom, der die erforderliche Ansaugleistung erhöht.
  • Vorrichtungen, wie Ventilatoren 14 und/oder Rauchgasreinigungs-Einrichtungen 13, die in das Abluftsystem eingebaut sind, regeln die Intensität des Abgases. Die von der Druckregelungseinrichtung 15 getroffene Entscheidung, den Gasdurchsatz zu erhöhen oder zu verringern, beruht nach dem Stand der Technik auf der Messung des Ist-Drucks pIst im Abluftsystem mittels eines Drucksensors. Dieser Druck wird mit dem Soll-Druck pSoll verglichen, der eine hohe CO-Konzentration im angesammelten Gasgemisch und eine akzeptable Menge an emittiertem Staub und Schlamm gewährleistet. Ist der gemessene Druck höher als der Drucksollwert, wird die Ventilatorenleistung erhöht und umgekehrt.
  • Der Nachteil der Druckmessung, wie er im Stand der Technik vorgesehen wird, ist - wie erläutert - eine komplexe und platzraubende Konstruktion, die aufgrund der rauen Umgebung erforderlich ist. Die Druckmessung wird ungenau und die Sensorik muss regelmäßig gereinigt werden, was zu hohen Wartungskosten führt.
  • Hier setzt die vorliegende Erfindung an, die ein neues Verfahren zur Steuerung des Gasflusses bereitstellt, das die direkte Druckmessung durch eine Berechnung auf der Grundlage von Parametern des Stahlherstellungsprozesses und gegebenenfalls auch visueller Daten ersetzt, die mit einer Kamera 5 gewonnen werden, die die Flamme am Behälterhals beobachtet. Zur Erfassung optimaler Bilder der Flamme bzw. des Rauchs kann eine Anstrahlung mit einer Lampe bzw. mit einem Laser 8 erfolgen. Eine Bildverarbeitungseinheit 6 wertet das von der Kamera 5 erfasste Bild aus.
  • Statt den Ist-Druck pIst im Abluftsystem 2 also direkt zu messen, setzt das vorgeschlagene Konzept auf den Einsatz eines Rechenmodells 3, welches mit aktuellen Prozessdaten gespeist wird (unter denen sich der aktuelle Ist-Druck im Abluftsystem allerdings nicht befindet). Aus diesen aktuellen Daten, sowie unter Zugrundelegung früher ermittelter und gespeicherter Daten wird der Ist-Druck vom Rechenmodell 3 ermittelt und ausgegeben. Im Ausführungsbeispiel ist hierbei vorgesehen, dass eine Druckberechnungseinheit 7, in welche das Rechenmodell 3 integriert ist, mit Bilddaten BD, der Größe des Spalts SP (Abstand zwischen dem Behälterhals und der Schürze), der Konzentration von Kohlenmonoxid CO im Abluftsystem, der Konzentration von Kohlendioxid CO2 im Abluftsystem und dem Volumenstrom an zugeführtem Sauerstoff O2 gespeist wird (s. hierzu Figur 2), um hieraus den Ist-Druck pIst zu bestimmen und an die Druckregelungseinrichtung 15 auszugeben.
  • Im Ausführungsbeispiel werden also zusätzlich zu den Parametern der Menge des eingeblasenen Sauerstoffs und der Konzentration von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid auch zusätzliche Parameter des Stahlherstellungsprozesses berücksichtigt, die zur Berechnung des Ist-Drucks im Abluftsystem zu Grunde gelegt werden. Ferner ist auch die Berücksichtigung der Menge der zugesetzten Stoffe sowie der Grad der Abnutzung des Gefäßes 1 in Betracht zu ziehen.
  • Die Bildverarbeitungseinheit 6 analysiert hierzu die von der Kamera 5 aufgenommenen Bilder des Spalts 4 zwischen der Konvertermündung und dem Abluftsystem (Kühlschacht bzw. Schürze des Behälters), um die Größe des von den Flammen erzeugten hellen Bereichs zu erfassen. Die Bilder werden mit einer CMOS- und/oder Infrarotkamera aufgenommen. Mit Hilfe der Lichtquelle 8 (Lampe; Laser) wird aus den Bildern durch Absorption und/oder Reflexion die Menge des aus dem Behälter austretenden Rauchs ermittelt. Alle oben genannten Prozessparameter, die während der Stahlproduktion regelmäßig gemessen werden, können in die Druckberechnungseinheit 7 eingespeist werden, die den Druck pIst in der Abgasleitung schätzt. Der durch das Rechenmodell berechnete Druck wird zur Einstellung der Abgasintensität anstelle der direkten Druckmessung verwendet und der Druckregelungseinrichtung 15 zugeleitet.
  • Eine unzureichende Abgasintensität führt zu einem Anstieg der Rauchmenge, die zwischen der Mündung des BOF-Konverters und dem Eingang des Abgassystems (Kühlkamin) austritt. Die Rauchmenge, die nicht von der primären Gasabsaugung erfasst wird, wird anhand der Intensität des Bildes der installierten Lichtquelle 8 (Lampe, Laser) oder der Intensität des von der Lichtquelle emittierten und von den Objekten in der Umgebung des Konverters reflektierten Lichts geschätzt. Der Wert, der diese Intensität darstellt, wird für die Berechnung des Drucks zusätzlich zu den oben aufgeführten Prozessparametern verwendet.
  • Als Grundlage für die Berechnung des Drucks in Abhängigkeit der ansonsten erfassten Prozessparameter wird ein statistisches Modell verwendet, wobei insbesondere die logistische Regression zu Grunde gelegt wird (s. die obigen Ausführungen hierzu).
  • Im Rahmen des Rechenmodells wird der Druck beispielsweise wie folgt berechnet:
    Jeder der oben genannten erfassten Prozessparameter wird zunächst normalisiert: Dessen Mittelwert (d. h. Mittelwert der bislang gewonnenen und gespeicherten Daten) wird von seinem (aktuellen) Wert abgezogen und das Ergebnis durch seine Standardabweichung geteilt. Der Mittelwert und die Standardabweichung des Parameters werden also aus historischen Daten (d. h. früher bei dem Prozess erfassten Daten) ermittelt.
  • Die normalisierten Parameter werden dann mit den Modellparametern multipliziert und addiert. Diesbezüglich wird auf Figur 2 hingewiesen, wo dies schematisch illustriert ist.
  • Wie weiter in Figur 2 zu erkennen ist, wird das Ergebnis der Summation in den Eingang der logistischen Funktion, d. h. in das Rechenmodell 3, gegeben.
  • Der Ausgangswert der logistischen Funktion ist der normierte Ist-Druck. Um den absoluten Ist-Druck zu erhalten, wird der normierte Ist-Druck mit der Standardabweichung des Drucks multipliziert und zum mittleren Druckwert addiert. Der Mittelwert und die Standardabweichung des Drucks werden wiederum aus historischen Daten ermittelt.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1
    Metallurgisches Gefäß (BOF, EAF)
    2
    Abluftsystem (Abgaskanal)
    3
    Rechenmodell
    4
    Spalt zwischen der Oberseite des metallurgischen Gefäßes und der Unterseite des Abluftsystems
    5
    Kamera
    6
    Bildverarbeitungseinheit
    7
    Druckberechnungseinheit
    8
    Lampe / Laser
    9
    Messsystem für die Konzentration von CO / CO2
    10
    Messsystem für den Volumenstrom an Sauerstoff
    11
    Sauerstoff-Blaslanze
    12
    Schürze
    13
    Rauchgasreinigungs-Einrichtung
    14
    Ventilator
    15
    Druckregelungseinrichtung
    pSoll
    vorgegebener Soll-Druck im Abluftsystem
    pSIst
    Ist-Druck im Abluftsystem
    BD
    Bilddaten
    SP
    Größe des Spalts 4
    CO
    Kohlenmonoxid
    CO2
    Kohlendioxid
    O2
    Sauerstoff

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung von Stahl in einem metallurgischen Gefäß (1), bei dem Rohstahl im metallurgischen Gefäß (1) geschmolzen und Sauerstoff in den Rohstahl eingeleitet wird, wobei oberhalb des metallurgischen Gefäßes (1) ein Abluftsystem (2) angeordnet ist, in dem ein vorgegebener Soll-Druck (pSoll) geregelt gehalten wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der im Abluftsystem (2) vorhandene Ist-Druck (pIst) mittels eines Rechenmodells (3) ermittelt wird, welchem aktuelle Prozessdaten zugeführt werden, wobei das Rechenmodell (3) den vorhandenen Ist-Druck (pIst) im Abluftsystem (2) aus gespeicherten Daten früher durchgeführter Verfahren ermittelt und hierzu eine Korrelation zwischen den Prozessdaten und dem Ist-Druck (pIst) im Abluftsystem (2) herstellt, wobei die Prozessdaten zumindest umfassen:
    - den Volumenstrom zugeführten Sauerstoffs in das metallurgische Gefäß (1) und
    - die Konzentration von Kohlenmonoxid (CO) und/oder von Kohlendioxid (CO2) im Abluftsystem (2).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessdaten weiterhin die Temperatur an einer definierten Stelle des Abluftsystems (2) umfassen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessdaten weiterhin die Art und die Menge von Additiven umfassen, die dem metallurgischen Gefäß (1) zugeführt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessdaten weiterhin die Größe des Spalts (4) umfassen, welcher zwischen der Oberseite des metallurgischen Gefäßes (1) und der Unterseite des Abluftsystems (2) ausgebildet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessdaten weiterhin den Grad des Verschleißes des metallurgischen Gefäßes (1) umfassen.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessdaten weiterhin mindestens ein analysiertes Bild einer Kamera (5) umfassen, welche eine Flamme oder den Rauch aufnimmt, welche bzw. welcher während des Prozesses entsteht, insbesondere zwischen der Oberseite des metallurgischen Gefäßes (1) und der Unterseite des Abluftsystems (2).
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Abluftsystem keine Messung des Drucks mittels eines Drucksensors erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechenmodell (3) eine logistische Regression zwischen den Prozessdaten und dem Ist-Druck (pIst) im Abluftsystem (2) zugrundegelegt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die im Rechenmodell (3) gespeicherten Daten früher durchgeführter Verfahren durch aktuell ermittelte Prozessdaten ergänzt und/oder modifiziert werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem metallurgischen Gefäß (1) in Form eines Konverters (BOF - Basic Oxygen Furnace) oder in Form eines Elektrolichtbogenofens (EAF) durchgeführt wird.
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US20170335417A1 (en) 2014-11-07 2017-11-23 Sms Group Gmbh Method and apparatus for controlling the pressure in the exhaust gas duct of a converter
WO2020212782A1 (en) 2019-04-15 2020-10-22 Arcelormittal Method to control exhaust fumes aspiration during a steelmaking process

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