EP4624849A1 - Metallurgische anlage und verfahren zur steuerung oder planung eines sekundärmetallurgischen prozesses - Google Patents

Metallurgische anlage und verfahren zur steuerung oder planung eines sekundärmetallurgischen prozesses

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Publication number
EP4624849A1
EP4624849A1 EP25165713.6A EP25165713A EP4624849A1 EP 4624849 A1 EP4624849 A1 EP 4624849A1 EP 25165713 A EP25165713 A EP 25165713A EP 4624849 A1 EP4624849 A1 EP 4624849A1
Authority
EP
European Patent Office
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melt
model
vessel
metallurgical
temperature
Prior art date
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Pending
Application number
EP25165713.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Schmidt
Axel Hofmann
Bernd Weber
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
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Application filed by SMS Group GmbH filed Critical SMS Group GmbH
Publication of EP4624849A1 publication Critical patent/EP4624849A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • C21C7/00—Treating molten ferrous alloys, e.g. steel, not covered by groups C21C1/00 - C21C5/00
    • C21C7/0075—Treating in a ladle furnace, e.g. up-/reheating of molten steel within the ladle
    • 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
    • C21C2300/00—Process aspects
    • C21C2300/06—Modeling of the process, e.g. for control purposes; CII
    • 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
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    • F27D2019/0003—Monitoring the temperature or a characteristic of the charge and using it as a controlling value
    • 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
    • F27D2019/0028—Regulation
    • 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
    • F27D2019/0028—Regulation
    • F27D2019/0034—Regulation through control of a heating quantity such as fuel, oxidant or intensity of current

Definitions

  • the invention relates to a metallurgical plant with a secondary section for carrying out a secondary metallurgical treatment of a melt and to a method for controlling and/or regulating and/or planning a secondary metallurgical process in a metallurgical plant.
  • secondary metallurgy refers to various post-refining treatments of steel.
  • Such secondary metallurgical treatments can include a variety of complex processes, such as decarburization, degassing, desulfurization, dephosphorization, or deoxidation.
  • the process behavior and relevant process variables are usually monitored by spot measurements of temperature and oxygen activity as well as by taking samples for melt and slag analysis.
  • SCHLAUTMANN "Model-based process control for secondary metallurgical steelmaking", October 18, 2017 (https://www.bfi.de/de/wp-content/uploads/sites/2/disstec-webinar-bfi-model-based-processcontrol- for-secondary-steelmaking.pdf ).
  • vessel models for pouring ladles are known that can determine the heat exchange between the melt, the vessel, possibly with the lid, and the environment, taking into account the thermal state of the vessel, based on its use (preheating time, usage history, steel contact time, wear, etc.) over several batches.
  • EP 3 026 586 A1 describes a method for simulating temperature distributions within ladles of a steelworks and the molten metal contained in the ladles.
  • melt temperature When estimating the influence of the aforementioned metallurgical reactions on the melt temperature using secondary metallurgical models, a homogeneous melt temperature is usually assumed, the magnitude of which is determined in online operation by initial measurement at the start of treatment.
  • the consideration of heat/temperature losses of the melt through the vessel body is based on simplified assumptions that do not, or only approximately, take into account the actual thermal state of the vessel used. Furthermore, the resulting geometric relationships (for example, between the bath surface, freeboard, and vessel opening or lid), which are relevant, among other things, for determining the radiation conditions of the melt, are not taken into account.
  • the heat/temperature losses of the melt during transport and waiting phases between individual units are also not, or only inadequately, represented in the model. This can lead to problems, particularly if the transport and waiting times between the last secondary metallurgical unit and delivery to a subsequent casting operation vary significantly due to deviations from the planned process sequence.
  • Vessel models can describe the heat/temperature losses of the melt through the vessel based on its actual thermal state, but during secondary metallurgical treatments they are only of limited use for determining target values, since the influences of metallurgical reactions on the melt temperature can hardly be represented with sufficient accuracy and other metallurgical objectives (e.g. with regard to the steel analysis to be achieved) are not considered.
  • An object of the present invention is to improve the control and/or regulation and/or planning of a secondary metallurgical treatment of a melt in a metallurgical plant.
  • the metallurgical plant comprises a secondary section, which has a vessel and is configured to further process a melt supplied to the vessel by a primary unit as part of a secondary metallurgical treatment.
  • the primary unit thus provides a melt of a metal, for example, pig iron or crude steel.
  • the secondary section is configured to further process the melt as part of a secondary metallurgy process, for example, into steel.
  • the secondary section i.e., the secondary metallurgical unit
  • the secondary section can be, for example, a ladle furnace, a vacuum plant, or an AOD converter.
  • the vessel can be, for example, a pouring ladle, a vessel of an AOD converter, or an intermediate vessel in which the melt is stored, subjected to secondary metallurgical treatment, and possibly transported.
  • the plant further comprises a control device for controlling and/or regulating and/or planning the secondary metallurgical treatment of the melt in the Vessel of the secondary section.
  • the control device includes a model-based calculation section.
  • the model-based calculation section comprises at least one secondary metallurgical model and at least one vessel model for the vessel of the secondary section, wherein the two models are coupled to one another, and wherein the model-based calculation section is configured to carry out temperature control of the melt in the vessel of the secondary section based on the coupling of the secondary metallurgical model and the vessel model.
  • Coupling the at least one secondary metallurgical model and the at least one vessel model means that the two models exchange information, in particular temperature data, and preferably adapt their calculations accordingly.
  • the temperature control based on the coupling of the secondary metallurgical model and the vessel model can be implemented both offline, i.e. as a pure simulation for example for planning or checking or recalculating a secondary metallurgical process, and online for controlling and/or regulating a secondary metallurgical process.
  • the described coupling between the vessel model and the secondary metallurgical model enables improved simulation for the analysis of past processes and the design of future processes.
  • An online application enables continuous monitoring of the melt temperature at secondary metallurgical treatment units as well as during transport/waiting phases and during casting. Coupling the models allows for a more accurate prediction of the melt temperature during secondary metallurgical treatment, as well as a more precise calculation of setpoints for process control in the secondary section, i.e., at secondary metallurgical units.
  • the setpoints can include, for example, an electrical and/or chemical energy input and/or the addition of cooling and/or heating agents.
  • model-based calculation section contributes to improved modeling and control of the entire process route, for example, in an electric or blast furnace.
  • the vessel model is configured to calculate a temperature field for the multi-body system consisting of melt and vessel and to transfer the temperature field or a variable derived therefrom, in particular an averaged value of the temperature field of the melt as the melt temperature T melt , to the secondary metallurgical model.
  • the multi-body system consisting of melt and vessel optionally with a cover, is incorporated into the temperature calculation and temperature control, thereby improving the prediction accuracy.
  • the model-based calculation section is set up in such a way that during the secondary metallurgical treatment of the melt by the secondary section, ie in particular from the beginning of the secondary metallurgical treatment to the end of the secondary metallurgical treatment, the vessel model as well as the secondary metallurgical model determine the mean Melt temperature T melt can be calculated simultaneously, whereby the two models complement each other.
  • the model-based calculation section is configured such that the secondary metallurgical model is leading in the calculation of the temperature field in the sense that the secondary metallurgical model cyclically transfers a solution for the current, average melt temperature T melt (and, if applicable, the current melt composition and/or the current melt weight) to the vessel model.
  • the vessel model is preferably configured to adapt the temperature field for the melt by raising and/or lowering the temperature values of the temperature field in such a way that on average (averaged over the temperature field) the mean melt temperature T melt passed on by the secondary metallurgical model is reached, whereby the vessel model is dynamically adapted to the secondary metallurgical changes during the treatment of the melt.
  • the vessel model is preferably further configured to adapt internal parameters for density and/or thermal conductivity and/or heat capacity and/or bath level of the melt based on the data transferred from the secondary metallurgical model.
  • the vessel model is configured to determine a heat loss Q V of the melt and/or an associated temporal temperature change dT melt /dt of the melt, in particular based on the updated melt temperature field.
  • the model-based calculation section is preferably configured such that the vessel model transfers the heat loss Q V of the melt and/or the associated temporal temperature change dT melt /dt of the melt to the secondary metallurgical model, and the secondary metallurgical model takes this into account in its calculations, thereby further improving the prediction accuracy.
  • the vessel model is configured to receive an initial melt temperature (preferably also an initial melt composition and/or a tapping time and/or an initial melt weight) at the beginning of the secondary metallurgical treatment of the melt by the secondary section and to calculate an (initial) temperature field for the multi-body system consisting of melt and vessel therefrom.
  • an initial melt temperature preferably also an initial melt composition and/or a tapping time and/or an initial melt weight
  • the vessel model is designed to carry out the temperature control of the melt on its own, thus without coupling with the secondary metallurgical model, at the end of the secondary metallurgical treatment of the melt by the secondary section, in particular until it is delivered to a subsequent casting operation or to an intermediate container, whereby the temperature of the melt can be controlled without interruption for subsequent processes after the completion of the secondary metallurgical treatment.
  • the model-based calculation section preferably comprises a vessel model for the intermediate container, which is configured to assume temperature control of the melt in the intermediate container, in particular taking into account temperature losses between the vessel and the intermediate container and/or the mixing of multiple batches in the intermediate container and/or a temporally variable fill level of the intermediate container.
  • a vessel model for the intermediate container for example, when delivering it to the casting operation, the melt temperature curve during casting can also be predicted.
  • the above-mentioned object is further achieved by a method for controlling and/or regulating and/or scheduling a secondary metallurgical process in a metallurgical plant.
  • the plant comprises a secondary section having a vessel and configured to further process a melt supplied to the vessel by a primary unit as part of a secondary metallurgical treatment.
  • the method comprises controlling and/or regulating and/or scheduling the secondary metallurgical treatment of the melt in the vessel of the secondary section by means of a model-based calculation section of a control device.
  • the model-based calculation section comprises at least one secondary metallurgical model and at least one vessel model which are coupled to one another, wherein a temperature control of the melt in the vessel of the secondary section is carried out based on the coupling of the secondary metallurgical model and the vessel model.
  • the vessel model preferably calculates a temperature field for the multi-body system consisting of melt and vessel and transfers the temperature field or a quantity derived therefrom, preferably an averaged value of the temperature field of the melt as melt temperature T melt , to the secondary metallurgical model.
  • the vessel model and the secondary metallurgical model simultaneously calculate an average melt temperature T melt during the secondary metallurgical treatment of the melt through the secondary section.
  • the secondary metallurgical model preferably leads the calculation of the temperature field in the sense that the secondary metallurgical model cyclically transfers a solution for the current average melt temperature T melt (further preferably a solution for the current melt composition and/or the current melt weight) to the vessel model, wherein the vessel model adapts the temperature field for the melt, preferably by raising and/or lowering the temperature values of the temperature field, such that, on average, the average melt temperature T melt transferred by the secondary metallurgical model is reached.
  • the vessel model can further adapt internal parameters for density and/or thermal conductivity and/or heat capacity and/or bath level of the melt based on the data transferred by the secondary metallurgical model.
  • the vessel model determines a heat loss of the melt and/or an associated temporal temperature change dT melt /dt of the Melt, wherein preferably the vessel model transfers the heat loss of the melt and/or the associated temporal temperature change dT melt /dt of the melt to the secondary metallurgical model and the secondary metallurgical model takes this into account in the calculation.
  • the vessel model receives an initial melt temperature (preferably further an initial melt composition and/or a tapping time and/or an initial melt weight) and calculates therefrom a temperature field for the multi-body system of melt and vessel.
  • an initial melt temperature preferably further an initial melt composition and/or a tapping time and/or an initial melt weight
  • the vessel model carries out the temperature control of the melt independently, thus without coupling with the secondary metallurgical model, in particular until it is delivered to a subsequent casting operation or to an intermediate vessel.
  • the model-based calculation section preferably comprises a vessel model for the intermediate container, which takes over temperature control of the melt in the intermediate container, in particular taking into account temperature losses between the vessel and the intermediate container and/or a mixing of several batches in the intermediate container and/or a time-varying fill level of the intermediate container.
  • the Figure 1 shows schematically a metallurgical plant 1, comprising a primary unit 10, a secondary section 20 and a control device 100 for controlling and/or regulating the plant 1.
  • the primary unit 10 is configured to produce and supply a melt S from a metal, for example, pig iron or crude steel.
  • the secondary section 20 is configured to further process the melt S as part of a secondary metallurgy process, for example, into steel.
  • the secondary section 20 comprises a vessel 21, for example a pouring ladle, a container of an AOD converter, and/or an intermediate container 40, in which the melt S is stored and subjected to secondary metallurgical treatment and, if necessary, transported.
  • the vessel 21 may comprise a cover 22, which then forms part of the melt/vessel multi-body system.
  • the control device 100 communicates with the various components of the system 1, actuators, sensors, and the like, and is configured to control and/or regulate the process control in the system 1.
  • the control device can be used for planning, in particular simulation for analyzing past processes and/or for designing future processes.
  • control device 100 is signal-connected to the components of the system 1 to be controlled, regulated, and/or read. Communication between the control device 100 and the system components to be controlled, regulated, and/or read can be wired or wireless, digital or analog.
  • the control device 100 can receive and/or transmit signals (control signals, data, etc.), whereby both signal transport in one direction and in both directions falls under the term "communication" in this context.
  • the control device 100 does not necessarily have to be implemented by a central computing device or electronic control system; rather, decentralized and/or multi-level systems, control networks, cloud systems, and the like are included.
  • the control device 100 can also be an integral part of a higher-level system control or communicate with such a system.
  • the control device 100 can also communicate with lower-level system controls.
  • the control device 100 comprises a model-based calculation section 110 which, with reference to the Figure 2
  • the calculation section 110 implements a coupling between a secondary metallurgical model 120 and a vessel model 130.
  • Process data such as process gas flows, pressure, exhaust gas analysis and the like, are transferred to the model-based calculation section 110 as input parameters, and output parameters are calculated therefrom, in particular concerning the thermal state of the vessel 21, 22, which are used for the control and/or regulation of the system 1 and for quality monitoring.
  • the secondary metallurgical model 120 comprises, for example, several subsections (material additions and alloy calculation, slag balancing model, desulfurization model, degassing model, melt temperature model) that communicate with each other.
  • an initial melt temperature and, if applicable, melt composition, as well as a tapping duration and melt weight, are transferred to the vessel model 130 for the vessel 21, 22 used in the secondary section 20. These parameters can be partially obtained through corresponding measurements in the primary unit 10 and are based on material additions during tapping and tapping stream losses. Based on this, the vessel model 130 calculates temporally continuous temperature fields for the multi-body system melt-vessel S, 21, if applicable with cover 22. taking into account the thermal state of the vessel 21, 22 until the start of the first treatment at the secondary section 20.
  • the secondary section 20, i.e., the secondary metallurgical unit can be, for example, a ladle furnace (LF), a vacuum furnace (RH, VD, VOD), or an AOD converter.
  • LF ladle furnace
  • RV vacuum furnace
  • AOD converter AOD converter
  • the calculations first consider the transfer of the melt S into a converter vessel, which involves further temperature losses, and then perform a temperature field calculation of the melt S during the subsequent treatment using the vessel model 130 for the converter.
  • the responsible vessel model 130 transfers an averaged value of the temperature field of the melt S as the melt temperature T melt to the secondary metallurgical model 120. From this point in time until the end of the secondary metallurgical treatment, the vessel model 130 and the secondary metallurgical model 120 calculate the melt temperature T melt simultaneously, with the secondary metallurgical model 120 taking the lead. This means that in a cyclic solution interval, the secondary metallurgical model 120 transfers a solution for the current melt temperature, the current melt composition, and the current melt weight at time t to the responsible vessel model 130 (for example, either for the ladle or AOD converter).
  • the vessel model 130 adapts the calculated temperature field for the melt S at time t by raising/lowering all temperature values accordingly, so that the value T melt transferred from the secondary metallurgical model 120 is reached on average. Furthermore, the vessel model 130 adapts internal parameters, for example, for density, thermal conductivity, heat capacity, and bath level of the melt S at time t based on the transferred data for the melt composition and melt weight.
  • the vessel model 130 determines a heat loss Q V of the melt S as well as an associated temporal temperature change dT melt /dt of the melt S, possibly taking into account increased radiation due to purge spot formation.
  • Q V and dT melt /dt can be determined for time t or as a predicted time series for a time interval ⁇ t beginning with time t.
  • Q V and dT melt /dt can be determined such that they only include convective losses via the vessel body, convective and radiation losses via the vessel body (for example, at the ladle freeboard), or all calculated losses of the responsible vessel model 130.
  • the determined Q V and/or dT melt /dt are transferred to the secondary metallurgical process model 120 for time t and taken into account by it for calculation purposes.
  • the vessel model 130 or another vessel model takes over the calculation of the melt temperature, if necessary taking into account tapping jet losses, for example when tapping from an AOD converter into a ladle.
  • the vessel model 130 for the vessel 21, 22 can take over the temperature control of the melt S until it is delivered to a subsequent casting operation or to an intermediate container 40, ie the temperature control is carried out in this case solely by the vessel model 130 without feedback with the secondary metallurgical process model 120.
  • the temperature control of the melt S can be taken over by a vessel model 140 for the intermediate vessel, whereby temperature losses between the vessel 21, 22 and the intermediate vessel 40, possibly a mixing of several batches in the intermediate vessel 40 and a temporally varying fill level of the intermediate vessel 40 can also be taken into account in the model.
  • a vessel model 140 for the intermediate vessel 40 when it is delivered to the casting operation, the course of the melt temperature during casting can also be predicted. Measurements of the melt temperature are transferred to the responsible vessel model 140 of the intermediate vessel 40 and, if available, to a responsible, additional secondary metallurgical model.
  • the responsible vessel model 140 for the intermediate vessel 40 adapts a calculated temperature field of the melt S to the measured value in the same way as to a temperature T melt transferred from a secondary metallurgical model 120.
  • the described model-based procedure can be implemented both as an offline and as an online application.
  • the coupling of models 120 and 130 allows a more accurate prediction of the further course of the melt temperature during the secondary metallurgical treatment as well as a more accurate calculation of target values for the Process control in the secondary section 20, i.e., in secondary metallurgical units.
  • the setpoints can include, for example, an electrical and/or chemical energy input and/or the addition of cooling and/or heating agents.
  • the improved prediction accuracy through the coupling of models 120 and 130 can result in savings in material and energy costs. Furthermore, the number of temperature measurements in the units and during the process can be reduced, enabling a mechanical simplification of Plant 1. Overall, the improved model-based calculation section 110 contributes to improved modeling and control of the entire process route, for example, in an electric or blast steel mill.

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Abstract

Metallurgische Anlage (1), umfassend einen Sekundärabschnitt (20), der ein Gefäß (21, 22) aufweist und eingerichtet ist, um eine von einem Primäraggregat (10) in das Gefäß (21, 22) bereitgestellte Schmelze (S) im Rahmen einer sekundärmetallurgischen Behandlung weiterzuverarbeiten, und eine Steuereinrichtung (100) zur Steuerung und/oder Regelung und/oder Planung der sekundärmetallurgischen Behandlung der Schmelze (S) im Gefäß (21, 22) des Sekundärabschnitts (20), wobei die Steuereinrichtung (100) einen modellbasierten Berechnungsabschnitt (110) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der modellbasierte Berechnungsabschnitt (110) zumindest ein sekundärmetallurgisches Modell (120) und zumindest ein Gefäßmodell (130), die miteinander gekoppelt sind, umfasst und eingerichtet ist, um eine Temperaturführung der Schmelze (S) im Gefäß (21, 22) des Sekundärabschnitts (20) basierend auf der Kopplung des sekundärmetallurgischen Modells (120) und des Gefäßmodells (130) durchzuführen.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine metallurgische Anlage mit einem Sekundärabschnitt zur Durchführung einer sekundärmetallurgischen Behandlung einer Schmelze sowie ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung und/oder Planung eines sekundärmetallurgischen Prozesses in einer metallurgischen Anlage.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Bei der Stahlerzeugung bezeichnet die "Sekundärmetallurgie" verschiedene Nachbehandlungen von Stahl nach dem Frischen. Solche sekundärmetallurgischen Behandlungen können eine Vielzahl komplexer Prozesse umfassen, wie beispielsweise Entkohlung, Entgasung, Entschwefelung, Entphosphorung oder Desoxidation.
  • Das Prozessverhalten und relevante Prozessgrößen (beispielsweise Temperatur und Stahl-/Schlackenzusammensatzung) werden üblicherweise durch punktuelle Messungen der Temperatur und Sauerstoffaktivität sowie durch Probennahmen der Schmelzen- und Schlackenanalyse überwacht.
  • Eine Weiterentwicklung der Überwachung und Steuerung sekundärmetallurgischer Behandlungen kann durch Einsatz dynamischer Prozessmodelle im Online-Betrieb erfolgen. Diese basieren zumeist auf einer zyklischen Berechnung der Massen-und Energiebilanzen unter Berücksichtigung thermodynamischer Gleichgewichtsbedingungen und Kinetiken der metallurgischen Reaktionen, die u.a. temperaturabhängig sind. Als Eingabegrößen solcher Modelle können zyklisch gemessene Prozessdaten (Prozessgasströme, Druck, Abgasanalyse usw.) sowie azyklische Ereignisse (Materialzugaben, Probennahmen der Stahl-/Schlackenanalyse, Messungen der Stahltemperatur usw.) herangezogen werden.
  • Beispielhafte Anwendungen von Modellen im Online-Betrieb sekundärmetallurgischer Prozesse gehen aus den folgenden Veröffentlichungen hervor: B. KLEIMT: "Dynamic process models for on-line monitoring and control of secondary metallurgy processes", 27.04.2017 (https://www.bfi.de/en/wpcontent/uploads/sites/3/disstec-seminar-1-170427-dynamic-process-models-kleimt_bfi.pdf); M. SCHLAUTMANN: "Model-based process control for secondary metallurgical steelmaking", 18.10.2017 (https://www.bfi.de/de/wp-content/uploads/sites/2/disstec-webinar-bfi-model-based-processcontrol- for-secondary-steelmaking.pdf).
  • Neben sekundärmetallurgischen Modellen zur Beschreibung des Behandlungsprozesses an einem bestimmten Aggregat sind Gefäßmodelle für Gießpfannen bekannt, die den Wärmeaustausch zwischen der Schmelze, dem Gefäß, gegebenenfalls mit Deckel, und der Umgebung unter Berücksichtigung des Wärmezustands des Gefäßes ermitteln können, basierend etwa auf dessen Nutzung (Vorheizzeit, Einsatzhistorie, Stahlkontaktzeit, Verschleiß usw.) über mehrere Chargen hinweg. Die EP 3 026 586 A1 beschreibt diesbezüglich ein Verfahren zur Simulation von Temperaturverteilungen innerhalb von Pfannen eines Hüttenwerks und in den Pfannen enthaltener Metallschmelze.
  • Bei der Abschätzung des Einflusses der erwähnten metallurgischen Reaktionen auf die Schmelzentemperatur mittels sekundärmetallurgischer Modelle wird üblicherweise von einer homogenen Schmelzentemperatur ausgegangen, deren Betrag im Online-Betrieb durch initiale Messung bei Behandlungsbeginn ermittelt wird. Die Berücksichtigung der Wärme-/Temperaturverluste der Schmelze über den Gefäßkörper basiert dabei auf vereinfachten Annahmen, die nicht oder nur näherungsweise den tatsächlichen Wärmezustand des eingesetzten Gefäßes berücksichtigen. Darüber hinaus werden die sich einstellenden geometrischen Verhältnisse (beispielsweise zwischen Badspiegeloberfläche, Freibord und Gefäßöffnung oder Deckel), die u.a. für die Ermittlung der Abstrahlbedingungen der Schmelze relevant sind, nicht berücksichtigt. Auch die Wärme-/Temperaturverluste der Schmelze während Transport- und Wartephasen zwischen einzelnen Aggregaten werden modellseitig nicht oder nur unzureichend abgebildet. Dies kann insbesondere dann zu Problemen führen, wenn die Transport- und Wartezeiten zwischen dem letzten sekundärmetallurgischen Aggregat und der Abgabe an einen nachfolgenden Gießbetrieb infolge von Abweichungen zum geplanten Prozessverlauf stark variieren.
  • Gefäßmodelle, auf der anderen Seite, können zwar die Wärme-/Temperaturverluste der Schmelze über das Gefäß basierend auf dessen tatsächlichen Wärmezustand beschreiben, während sekundärmetallurgischer Behandlungen sind sie jedoch nur bedingt zur Ermittlung von Sollvorgaben geeignet, da die Einflüsse metallurgischer Reaktionen auf die Schmelzentemperatur kaum hinreichend genau abbildbar sind und andere metallurgische Ziele (beispielsweise im Hinblick auf die zu erreichende Stahlanalyse) nicht betrachtet werden.
    • Darstellung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Steuerung und/oder Regelung und/oder Planung einer sekundärmetallurgischen Behandlung einer Schmelze in einer metallurgischen Anlage zu verbessern.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des nebengeordneten Verfahrensanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen folgen aus den Unteransprüchen, der folgenden Darstellung der Erfindung sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
  • Die metallurgische Anlage umfasst einen Sekundärabschnitt, der ein Gefäß aufweist und eingerichtet ist, um eine von einem Primäraggregat in das Gefäß bereitgestellte Schmelze im Rahmen einer sekundärmetallurgischen Behandlung weiterzuverarbeiten. Das Primäraggregat stellt somit eine Schmelze aus einem Metall, beispielsweise Roheisen oder Rohstahl, bereit. Der Sekundärabschnitt ist eingerichtet, um die Schmelze im Rahmen einer Sekundärmetallurgie weiterzuverarbeiten, beispielsweise zu Stahl.
  • Bei dem Sekundärabschnitt, d.h. dem sekundärmetallurgischen Aggregat, kann es sich beispielsweise um einen Pfannenofen, eine Vakuumanlage oder einen AOD-Konverter handeln. Das Gefäß ist beispielsweise eine Gießpfanne, ein Behälter eines AOD-Konverters oder ein Zwischenbehälter, in dem die Schmelze aufbewahrt und sekundärmetallurgisch behandelt und gegebenenfalls transportiert wird.
  • Die Anlage weist ferner eine Steuereinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung und/oder Planung der sekundärmetallurgischen Behandlung der Schmelze im Gefäß des Sekundärabschnitts auf. Die Steuereinrichtung umfasst einen modellbasierten Berechnungsabschnitt.
  • Erfindungsgemäß umfasst der modellbasierte Berechnungsabschnitt zumindest ein sekundärmetallurgisches Modell und zumindest ein Gefäßmodell für das Gefäß des Sekundärabschnitts, wobei die beiden Modelle miteinander gekoppelt sind, und wobei der modellbasierte Berechnungsabschnitt eingerichtet ist, um eine Temperaturführung der Schmelze im Gefäß des Sekundärabschnitts basierend auf der Kopplung des sekundärmetallurgischen Modells und des Gefäßmodells durchzuführen.
  • Mit Kopplung des zumindest einen sekundärmetallurgischen Modells und des zumindest einen Gefäßmodells ist gemeint, dass die beiden Modelle Informationen, insbesondere Temperaturdaten, austauschen und vorzugsweise ihre Berechnungen entsprechend anpassen.
  • Die Temperaturführung auf Basis der Kopplung des sekundärmetallurgischen Modells und des Gefäßmodells ist sowohl Offline, d.h. als reine Simulation etwa zur Planung oder Überprüfung bzw. Nachrechnung eines sekundärmetallurgischen Prozesses, als auch Online zur Steuerung und/oder Regelung eines sekundärmetallurgischen Prozesses realisierbar.
  • Im Rahmen einer Offline-Anwendung ermöglicht die beschriebene Kopplung zwischen Gefäßmodell und sekundärmetallurgischem Modell eine verbesserte Simulation zur Analyse vergangener Prozesse und zur Auslegung zukünftiger Prozesse.
  • Im Rahmen einer Online-Anwendung ist eine kontinuierliche Überwachung der Schmelzentemperatur an sekundärmetallurgischen Behandlungsaggregaten sowie während Transport-/Wartephasen und während des Gießens möglich. Die Kopplung der Modelle erlaubt eine genauere Vorhersage des weiteren Verlaufs der Schmelzentemperatur während der sekundärmetallurgischen Behandlung sowie eine genauere Berechnung von Sollwerten für die Prozessführung am Sekundärabschnitt, d.h. an sekundärmetallurgischen Aggregaten. Die Sollwerte können beispielsweise einen elektrischen und/oder chemischen Energieeintrag und/oder die Zugabe von Kühl- und/oder Heizmitteln umfassen.
  • Die Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit durch die Kopplung der Modelle ermöglicht Einsparungen bei Material- und Energiekosten. Zudem kann die Anzahl an Temperaturmessungen in den Aggregaten sowie während des Prozesses reduziert werden, wodurch der Aufbau der Anlage maschinenbaulich vereinfacht werden kann. Insgesamt trägt der erfindungsgemäße modellbasierte Berechnungsabschnitt zu einer verbesserten Modellierung und Steuerung/Regelung der gesamten Prozessroute beispielsweise in einem Elektro-oder Blasstahlwerk bei.
  • Vorzugsweise ist das Gefäßmodell eingerichtet, um ein Temperaturfeld für das Mehrkörpersystem aus Schmelze und Gefäß zu berechnen und das Temperaturfeld oder eine daraus abgeleitete Größe, insbesondere einen gemittelten Wert des Temperaturfeldes der Schmelze als Schmelzentemperatur TSchmelze, an das sekundärmetallurgische Modell zu übergeben. Auf diese Weise geht das Mehrkörpersystem aus Schmelze und Gefäß, gegebenenfalls mit Abdeckung, in die Temperaturberechnung und Temperaturführung ein, wodurch die Vorhersagegenauigkeit verbessert wird.
  • Vorzugsweise ist der modellbasierte Berechnungsabschnitt so eingerichtet, dass während der sekundärmetallurgischen Behandlung der Schmelze durch den Sekundärabschnitt, d.h. insbesondere vom Beginn der sekundärmetallurgischen Behandlung bis zum Ende der sekundärmetallurgischen Behandlung, das Gefäßmodell sowie das sekundärmetallurgische Modell die mittlere Schmelzentemperatur TSchmelze simultan berechnen, wodurch sich die beiden Modelle gegenseitig ergänzen.
  • Vorzugsweise ist der modellbasierte Berechnungsabschnitt so eingerichtet, dass das sekundärmetallurgische Modell bei der Berechnung des Temperaturfeldes in dem Sinne führend ist, dass das sekundärmetallurgische Modell zyklisch jeweils eine Lösung für die aktuelle, mittlere Schmelzentemperatur TSchmelze (ferner gegebenenfalls die aktuelle Schmelzenzusammensetzung und/oder das aktuelle Schmelzengewicht) an das Gefäßmodell übergibt.
  • Das Gefäßmodell ist in diesem Fall vorzugsweise eingerichtet, um das Temperaturfeld für die Schmelze durch Anhebung und/oder Absenkung der Temperaturwerte des Temperaturfeldes so zu adaptieren, dass im Mittel (gemittelt über das Temperaturfeld hinweg) die vom sekundärmetallurgischen Modell übergebene mittlere Schmelzentemperatur TSchmelze erreicht wird, wodurch das Gefäßmodell dynamisch an die sekundärmetallurgischen Veränderungen während der Behandlung der Schmelze angepasst wird.
  • Das Gefäßmodell ist vorzugsweise ferner eingerichtet, um interne Parameter für Dichte und/oder Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität und/oder Badspiegelhöhe der Schmelze basierend auf den vom sekundärmetallurgischen Modell übergebenen Daten zu adaptieren.
  • Die mittlere Schmelzentemperatur TSchmelze und etwaige weitere Parameter, die zwischen den beiden Modellen ausgetauscht werden, sowie das Temperaturfeld des Gefäßmodells sind jeweils Funktionen der Zeit. Die Adaption des Temperaturfeldes im Gefäßmodell durch Anhebung und/oder Absenkung der Temperaturwerte erfolgt vorzugsweise zeitlich synchron. Das bedeutet, dass das sekundärmetallurgische Modell in einem zyklischen Lösungsintervall jeweils eine Lösung für die aktuelle Schmelzentemperatur (gegebenenfalls die aktuelle Schmelzenzusammensetzung sowie das aktuelle Schmelzengewicht) zum Zeitpunkt t dem zuständigen Gefäßmodell übergibt. Das Gefäßmodell adaptiert seinerseits das berechnete Temperaturfeld für die Schmelze zum gleichen Zeitpunkt t durch Anhebung/Absenkung der Temperaturwerte, sodass im Mittel der vom sekundärmetallurgischen Modell übergebene Wert TSchmelze erreicht wird.
  • Vorzugsweise ist das Gefäßmodell eingerichtet, um eine Wärmeverlustleistung QV der Schmelze und/oder eine assoziierte zeitliche Temperaturänderung dTSchmelze/dt der Schmelze zu ermitteln, insbesondere anhand des aktualisierten Schmelzentemperaturfeldes. Der modellbasierte Berechnungsabschnitt ist in diesem Fall vorzugsweise so eingerichtet, dass das Gefäßmodell die Wärmeverlustleistung QV der Schmelze und/oder die assoziierte zeitliche Temperaturänderung dTSchmelze/dt der Schmelze dem sekundärmetallurgischen Modell übergibt und das sekundärmetallurgische Modell dies berechnungstechnisch berücksichtigt, wodurch die Vorhersagegenauigkeit weiter verbessert werden kann.
  • Vorzugsweise ist das Gefäßmodell eingerichtet, um zu Beginn der sekundärmetallurgischen Behandlung der Schmelze durch den Sekundärabschnitt eine initiale Schmelzentemperatur (vorzugsweise ferner eine initiale Schmelzenzusammensetzung und/oder eine Abstichdauer und/oder ein initiales Schmelzengewicht) zu empfangen und daraus ein (initiales) Temperaturfeld für das Mehrkörpersystem aus Schmelze und Gefäß zu berechnen. Auf diese Weise kann die Temperaturführung für eine sekundärmetallurgische Behandlung durch die gekoppelten Modelle initialisiert werden.
  • Vorzugsweise ist das Gefäßmodell eingerichtet, um bei Beendigung der sekundärmetallurgischen Behandlung der Schmelze durch den Sekundärabschnitt die Temperaturführung der Schmelze alleinstehend, somit ohne Kopplung mit dem sekundärmetallurgischen Modell, durchzuführen, insbesondere bis zur Abgabe an einen nachfolgenden Gießbetrieb oder an einen Zwischenbehälter, wodurch eine Temperaturführung der Schmelze nach Beendigung der sekundärmetallurgischen Behandlung unterbrechungsfrei für nachfolgende Prozesse durchführbar ist.
  • Sofern ein Zwischenbehälter vorgesehen ist, umfasst der modellbasierte Berechnungsabschnitt vorzugsweise ein Gefäßmodell für den Zwischenbehälter, das eingerichtet ist, um eine Temperaturführung der Schmelze im Zwischenbehälter zu übernehmen, insbesondere unter Berücksichtigung von Temperaturverlusten zwischen dem Gefäß und dem Zwischenbehälter und/oder einer Vermischung mehrerer Chargen im Zwischenbehälter und/oder eines zeitlich veränderlichen Füllstands des Zwischenbehälters. So lässt sich durch Verwendung eines Gefäßmodells für den Zwischenbehälter etwa bei Abgabe an den Gießbetrieb auch der Verlauf der Schmelzentemperatur während des Gießens vorhersagen.
  • Die oben genannte Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung und/oder Planung eines sekundärmetallurgischen Prozesses in einer metallurgischen Anlage gelöst. Die Anlage umfasst einen Sekundärabschnitt, der ein Gefäß aufweist und eingerichtet ist, um eine von einem Primäraggregat in das Gefäß bereitgestellte Schmelze im Rahmen einer sekundärmetallurgischen Behandlung weiterzuverarbeiten. Das Verfahren umfasst: Steuern und/oder Regeln und/oder Planen der sekundärmetallurgischen Behandlung der Schmelze im Gefäß des Sekundärabschnitts mittels eines modellbasierten Berechnungsabschnitts einer Steuereinrichtung.
  • Erfindungsgemäß umfasst der modellbasierte Berechnungsabschnitt zumindest ein sekundärmetallurgisches Modell und zumindest ein Gefäßmodell, die miteinander gekoppelt sind, wobei eine Temperaturführung der Schmelze im Gefäß des Sekundärabschnitts basierend auf der Kopplung des sekundärmetallurgischen Modells und des Gefäßmodells durchgeführt wird.
  • Die Merkmale, technischen Wirkungen, Vorteile sowie Ausführungsbeispiele, die in Bezug auf die Anlage beschrieben wurden, gelten analog für das Verfahren.
  • So berechnet das Gefäßmodell aus den oben genannten Gründen vorzugsweise ein Temperaturfeld für das Mehrkörpersystem aus Schmelze und Gefäß und übergibt das Temperaturfeld oder eine daraus abgeleitete Größe, vorzugsweise einen gemittelten Wert des Temperaturfeldes der Schmelze als Schmelzentemperatur TSchmelze, an das sekundärmetallurgische Modell.
  • Vorzugsweise berechnen das Gefäßmodell sowie das sekundärmetallurgische Modell während der sekundärmetallurgischen Behandlung der Schmelze durch den Sekundärabschnitt simultan eine mittlere Schmelzentemperatur TSchmelze.
  • Das sekundärmetallurgische Modell ist vorzugsweise bei der Berechnung des Temperaturfeldes in dem Sinne führend, dass das sekundärmetallurgische Modell zyklisch jeweils eine Lösung für die aktuelle, mittlere Schmelzentemperatur TSchmelze (ferner vorzugsweise eine Lösung für die aktuelle Schmelzenzusammensetzung und/oder das aktuelle Schmelzengewicht) an das Gefäßmodell übergibt, wobei das Gefäßmodell das Temperaturfeld für die Schmelze vorzugsweise durch Anhebung und/oder Absenkung der Temperaturwerte des Temperaturfeldes so adaptiert, dass im Mittel die vom sekundärmetallurgischen Modell übergebene mittlere Schmelzentemperatur TSchmelze erreicht wird. Das Gefäßmodell kann ferner interne Parameter für Dichte und/oder Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität und/oder Badspiegelhöhe der Schmelze basierend auf den vom sekundärmetallurgischen Modell übergebenen Daten adaptieren.
  • Vorzugsweise ermittelt das Gefäßmodell eine Wärmeverlustleistung der Schmelze und/oder eine assoziierte zeitliche Temperaturänderung dTSchmelze/dt der Schmelze, wobei vorzugsweise das Gefäßmodell die Wärmeverlustleistung der Schmelze und/oder die assoziierte zeitliche Temperaturänderung dTSchmelze/dt der Schmelze dem sekundärmetallurgischen Modell übergibt und das sekundärmetallurgische Modell dies berechnungstechnisch berücksichtigt.
  • Vorzugsweise empfängt das Gefäßmodell zu Beginn der sekundärmetallurgischen Behandlung der Schmelze durch den Sekundärabschnitt eine initiale Schmelzentemperatur (vorzugsweise ferner eine initiale Schmelzenzusammensetzung und/oder eine Abstichdauer und/oder ein initiales Schmelzengewicht) und berechnet daraus ein Temperaturfeld für das Mehrkörpersystem aus Schmelze und Gefäß.
  • Vorzugsweise führt das Gefäßmodell bei Beendigung der sekundärmetallurgischen Behandlung der Schmelze durch den Sekundärabschnitt die Temperaturführung der Schmelze alleinstehend durch, somit ohne Kopplung mit dem sekundärmetallurgischen Modell, insbesondere bis zur Abgabe an einen nachfolgenden Gießbetrieb oder an einen Zwischenbehälter.
  • Sofern ein Zwischenbehälter vorgesehen ist, umfasst der modellbasierte Berechnungsabschnitt vorzugsweise ein Gefäßmodell für den Zwischenbehälter, das eine Temperaturführung der Schmelze im Zwischenbehälter übernimmt, insbesondere unter Berücksichtigung von Temperaturverlusten zwischen dem Gefäß und dem Zwischenbehälter und/oder einer Vermischung mehrerer Chargen im Zwischenbehälter und/oder eines zeitlich veränderlichen Füllstands des Zwischenbehälters.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die darin beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben dargelegten Merkmale umgesetzt werden, sofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele erfolgt dabei mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen.
    • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
    • Figur 1
    schematisch eine metallurgische Anlage, umfassend ein Primäraggregat, einen Sekundärabschnitt sowie eine Steuereinrichtung; und
    Figur 2
    schematisch einen modellbasierten Berechnungsabschnitt der Steuereinrichtung, der zur Temperaturführung der Schmelze eine Kopplung zwischen einem sekundärmetallurgischen Modell und einem Gefäßmodell realisiert.
    Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei sind gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanz zu vermeiden.
  • Die Figur 1 zeigt schematisch eine metallurgische Anlage 1, umfassend ein Primäraggregat 10, einen Sekundärabschnitt 20 sowie eine Steuereinrichtung 100 zur Steuerung und/oder Regelung der Anlage 1.
  • Das Primäraggregat 10 ist eingerichtet, um eine Schmelze S aus einem Metall, beispielsweise Roheisen oder Rohstahl, her- und bereitzustellen. Der Sekundärabschnitt 20 ist eingerichtet, um die Schmelze S im Rahmen einer Sekundärmetallurgie weiterzuverarbeiten, beispielsweise zu Stahl.
  • Der Sekundärabschnitt 20 umfasst ein Gefäß 21, beispielsweise eine Gießpfanne, einen Behälter eines AOD-Konverters und/oder einen Zwischenbehälter 40, in dem die Schmelze S aufbewahrt und sekundärmetallurgisch behandelt und gegebenenfalls transportiert wird. Das Gefäß 21 kann eine Abdeckung 22 umfassen, die dann Teil des Mehrkörpersystems Schmelze/Gefäß ist.
  • Die Steuereinrichtung 100 steht mit den verschiedenen Baugruppen der Anlage 1, Aktuatoren, Sensoren und dergleichen, in Kommunikation und ist eingerichtet, um die Prozessführung in der Anlage 1 zu steuern und/oder zu regeln. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung zur Planung, insbesondere Simulation zur Analyse vergangener Prozesse und/oder zur Auslegung zukünftiger Prozesse, genutzt werden.
  • Die Steuereinrichtung 100 ist zu diesem Zweck mit den zu steuernden bzw. zu regelnden und/oder auszulesenden Komponenten der Anlage 1 signaltechnisch verbunden. Die Kommunikation zwischen der Steuereinrichtung 100 und den zu steuernden bzw. zu regelnden und/oder auszulesenden Anlagenkomponenten kann drahtgebunden oder drahtlos, digital oder analog erfolgen. Die Steuereinrichtung 100 kann entsprechend Signale (Steuersignale, Daten usw.) empfangen und/oder senden, wobei sowohl ein Signaltransport in einer Richtung als auch in beiden Richtungen in diesem Zusammenhang unter den Begriff "Kommunikation" fällt. Die Steuereinrichtung 100 muss hierbei nicht unbedingt durch eine zentrale Recheneinrichtung oder elektronische Regelung realisiert sein, sondern es sind dezentrale und/oder mehrstufige Systeme, Regelungsnetzwerke, Cloud-Systeme und dergleichen umfasst. Die Steuereinrichtung 100 kann zudem integraler Bestandteil einer übergeordneten Anlagensteuerung sein oder mit einer solchen kommunizieren. Die Steuereinrichtung 100 kann auch mit Anlagensteuerungen unterer Ebenen kommunizieren.
  • Die Steuereinrichtung 100 umfasst einen modellbasierten Berechnungsabschnitt 110, der mit Bezug auf die Figur 2 näher erläutert sei. Der Berechnungsabschnitt 110 realisiert eine Kopplung zwischen einem sekundärmetallurgischen Modell 120 und einem Gefäßmodell 130.
  • Dem modellbasierten Berechnungsabschnitt 110 werden als Eingabeparameter Prozessdaten übergeben, wie etwa Prozessgasströme, Druck, Abgasanalyse und dergleichen, und daraus werden Ausgabeparameter berechnet, insbesondere betreffend den Wärmezustand des Gefäßes 21, 22, die zur Steuerung und/oder Regelung der Anlage 1 sowie zur Qualitätsüberwachung herangezogen werden.
  • Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 umfasst das sekundärmetallurgische Modell 120 beispielhaft mehrere Unterabschnitte (Materialzugaben und Legierungsberechnung, Schlackenbilanzierungsmodell, Entschwefelungsmodell, Entgasungsmodell, Schmelzentemperaturmodell), die untereinander kommunizieren.
  • Beginnend mit dem Abstich der Schmelze S an dem Primäraggregat 10 werden dem Gefäßmodell 130 für das verwendete Gefäß 21, 22 des Sekundärabschnitts 20 eine initiale Schmelzentemperatur und gegebenenfalls Schmelzenzusammensetzung sowie eine Abstichdauer und ein Schmelzengewicht übergeben. Die Größen können teilweise durch entsprechende Messungen im Primäraggregat 10 gewonnen werden und auf Materialzugaben beim Abstich und Abstichstrahlverlusten basieren. Darauf basierend berechnet das Gefäßmodell 130 zeitlich durchgängige Temperaturfelder für das Mehrkörpersystem Schmelze-Gefäß S, 21 gegebenenfalls mit Abdeckung 22, unter Berücksichtigung des Wärmezustandes des Gefäßes 21, 22 bis zum Beginn der ersten Behandlung am Sekundärabschnitt 20.
  • Bei dem Sekundärabschnitt 20, d.h. dem sekundärmetallurgischen Aggregat, kann es sich beispielsweise um einen Pfannenofen (LF), eine Vakuumanlage (RH, VD, VOD) oder einen AOD-Konverter handeln. Im Falle eines AOD-Konverters wird zunächst ein Umfüllen der Schmelze S unter weiteren Temperaturverlusten in ein Konvertergefäß berechnungstechnisch berücksichtigt und eine Temperaturfeldberechnung der Schmelze S während der darauffolgenden Behandlung durch das Gefäßmodell 130 für den Konverter durchgeführt.
  • Bei Beginn der sekundärmetallurgischen Behandlung übergibt das zuständige Gefäßmodell 130 einen gemittelten Wert des Temperaturfeldes der Schmelze S als Schmelzentemperatur TSchmelze an das sekundärmetallurgische Modell 120. Von diesem Zeitpunkt an bis zum Ende der sekundärmetallurgischen Behandlung berechnen das Gefäßmodell 130 sowie das sekundärmetallurgische Modell 120 die Schmelzentemperatur TSchmelze simultan, wobei das sekundärmetallurgische Modell 120 führend ist. Das bedeutet, dass das sekundärmetallurgische Modell 120 in einem zyklischen Lösungsintervall jeweils eine Lösung für die aktuelle Schmelzentemperatur, die aktuelle Schmelzenzusammensetzung sowie das aktuelle Schmelzengewicht zum Zeitpunkt t dem zuständigen Gefäßmodell 130 (beispielsweise entweder für Gießpfanne oder AOD-Konverter) übergibt. Das Gefäßmodell 130 adaptiert seinerseits das berechnete Temperaturfeld für die Schmelze S zum Zeitpunkt t durch entpsrechende Anhebung/Absenkung aller Temperaturwerte, sodass im Mittel der vom sekundärmetallurgischen Modell 120 übergebene Wert TSchmelze erreicht wird. Ferner adaptiert das Gefäßmodell 130 interne Parameter beispielsweise für Dichte, Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität und Badspiegelhöhe der Schmelze S zum Zeitpunkt t basierend auf den übergebenen Daten für die Schmelzenzusammensetzung und das Schmelzengewicht.
  • Anhand des aktualisierten Schmelzentemperaturfeldes ermittelt das Gefäßmodell 130 eine Wärmeverlustleistung QV der Schmelze S sowie eine assoziierte zeitliche Temperaturänderung dTSchmelze/dt der Schmelze S, gegebenenfalls unter Berücksichtigung erhöhter Abstrahlung infolge einer Spülfleckbildung. QV und dTSchmelze/dt können dabei für den Zeitpunkt t oder als prognostizierte Zeitreihe für ein Zeitintervall Δt beginnend mit dem Zeitpunkt t ermittelt werden. Ferner können QV und dTSchmelze/dt so ermittelt werden, dass sie lediglich konvektive Verluste über den Gefäßkörper, konvektive und Strahlungsverluste über den Gefäßkörper (beispielsweise an Pfannenfreibord) oder alle rechnerischen Verluste des zuständigen Gefäßmodells 130 beinhalten. Das ermittelte QV und/oder dTSchmelze/dt werden dem sekundärmetallurgischen Prozessmodell 120 für den Zeitpunkt t übergeben und von diesem berechnungstechnisch berücksichtigt.
  • Bei Beendigung der sekundärmetallurgischen Behandlung übernimmt das Gefäßmodell 130 oder ein anderes Gefäßmodell die Berechnung der Schmelzentemperatur, gegebenenfalls unter Berücksichtigung von Abstichstrahlverlusten etwa bei einem Abstich aus einem AOD-Konverter in eine Gießpfanne.
  • Im Fall einer anschließenden weiteren sekundärmetallurgischen Behandlung beginnt die vorstehend beschriebene Prozedur erneut.
  • Nach Beendigung der letzten sekundärmetallurgischen Behandlung kann das Gefäßmodell 130 für das Gefäß 21, 22 die Temperaturführung der Schmelze S bis zur Abgabe an einen nachfolgenden Gießbetrieb oder an einen Zwischenbehälter 40 übernehmen, d.h. die Temperaturführung wird in diesem Fall allein vom Gefäßmodell 130 ohne Rückkopplung mit dem sekundärmetallurgischen Prozessmodell 120 durchgeführt.
  • Bei Vorhandensein eines Zwischenbehälters 40 kann durch ein Gefäßmodell 140 für den Zwischenbehälter die Temperaturführung der Schmelze S übernommen werden, wobei auch Temperaturverluste zwischen dem Gefäß 21, 22 und dem Zwischenbehälter 40, gegebenenfalls eine Vermischung mehrerer Chargen im Zwischenbehälter 40 sowie ein zeitlich veränderlicher Füllstand des Zwischenbehälters 40 modellseitig berücksichtigt werden können. Insbesondere lässt sich durch Verwendung eines Gefäßmodells 140 für den Zwischenbehälter 40 bei Abgabe an den Gießbetrieb auch der Verlauf der Schmelzentemperatur während des Gießens vorhersagen. Messungen der Schmelzentemperatur werden an das zuständige Gefäßmodell 140 des Zwischenbehälters 40 sowie bei Vorhandensein an ein zuständiges, weiteres sekundärmetallurgisches Modell übergeben. Das zuständige Gefäßmodell 140 für den Zwischenbehälter 40 adaptiert ein berechnetes Temperaturfeld der Schmelze S auf den Messwert in gleicher Weise wie auf eine von einem sekundärmetallurgischen Modell 120 übergebene Temperatur TSchmelze.
  • Das beschriebene modellbasierte Verfahren ist sowohl als Offline- als auch als Online-Anwendung realisierbar.
  • Im Rahmen einer Offline-Anwendung ermöglicht die beschriebene Kopplung zwischen Gefäßmodell 130 und sekundärmetallurgischem Modell 120 eine verbesserte Simulation, etwa zur Analyse vergangener Prozesse und/oder zur Auslegung zukünftiger Prozesse.
  • Im Rahmen einer Online-Anwendung ist eine kontinuierliche Überwachung der Schmelzentemperatur an sekundärmetallurgischen Behandlungsaggregaten sowie während Transport-/Wartephasen und während des Gießens möglich. Die Kopplung der Modelle 120, 130 erlaubt eine genauere Vorhersage des weiteren Verlaufs der Schmelzentemperatur während der sekundärmetallurgischen Behandlung sowie eine genauere Berechnung von Sollwerten für die Prozessführung am Sekundärabschnitt 20, d.h. an sekundärmetallurgischen Aggregaten. Die Sollwerte können beispielsweise einen elektrischen und/oder chemischen Energieeintrag und/oder die Zugabe von Kühl- und/oder Heizmitteln umfassen.
  • Die Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit durch die Kopplung der Modelle 120, 130 kann Einsparungen bei Material- und Energiekosten zur Folge haben. Zudem kann die Anzahl an Temperaturmessungen in den Aggregaten sowie während des Prozesses reduziert werden, wodurch eine maschinenbauliche Vereinfachung der Anlage 1 möglich ist. Insgesamt trägt der verbesserte modellbasierte Berechnungsabschnitt 110 zu einer verbesserten Modellierung und Steuerung/Regelung der gesamten Prozessroute beispielsweise in einem Elektro-oder Blasstahlwerk bei.
  • Soweit anwendbar können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Metallurgische Anlage
    10
    Primäraggregat
    20
    Sekundärabschnitt
    21
    Gefäß
    22
    Abdeckung
    40
    Zwischenbehälter
    100
    Steuereinrichtung
    110
    Modellbasierter Berechnungsabschnitt
    120
    Sekundärmetallurgisches Modell
    130
    Gefäßmodell
    140
    Gefäßmodell für Zwischenbehälter
    S
    Schmelze

Claims (15)

  1. Metallurgische Anlage (1), umfassend einen Sekundärabschnitt (20), der ein Gefäß (21, 22) aufweist und eingerichtet ist, um eine von einem Primäraggregat (10) in das Gefäß (21, 22) bereitgestellte Schmelze (S) im Rahmen einer sekundärmetallurgischen Behandlung weiterzuverarbeiten, und eine Steuereinrichtung (100) zur Steuerung und/oder Regelung und/oder Planung der sekundärmetallurgischen Behandlung der Schmelze (S) im Gefäß (21, 22) des Sekundärabschnitts (20), wobei
    die Steuereinrichtung (100) einen modellbasierten Berechnungsabschnitt (110) umfasst,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der modellbasierte Berechnungsabschnitt (110) zumindest ein sekundärmetallurgisches Modell (120) und zumindest ein Gefäßmodell (130), die miteinander gekoppelt sind, umfasst und eingerichtet ist, um eine Temperaturführung der Schmelze (S) im Gefäß (21, 22) des Sekundärabschnitts (20) basierend auf der Kopplung des sekundärmetallurgischen Modells (120) und des Gefäßmodells (130) durchzuführen.
  2. Metallurgische Anlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäßmodell (130) eingerichtet ist, um ein Temperaturfeld für das Mehrkörpersystem aus Schmelze (S) und Gefäß (21, 22) zu berechnen und das Temperaturfeld oder eine daraus abgeleitete Größe, vorzugsweise einen gemittelten Wert des Temperaturfeldes der Schmelze (S) als Schmelzentemperatur TSchmelze, an das sekundärmetallurgische Modell (120) zu übergeben.
  3. Metallurgische Anlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der modellbasierte Berechnungsabschnitt (110) so eingerichtet ist, dass während der sekundärmetallurgischen Behandlung der Schmelze (S) durch den Sekundärabschnitt (20) das Gefäßmodell (130) sowie das sekundärmetallurgische Modell (120) eine mittlere Schmelzentemperatur TSchmelze simultan berechnen.
  4. Metallurgische Anlage (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der modellbasierte Berechnungsabschnitt (110) so eingerichtet ist, dass das sekundärmetallurgische Modell (120) bei der Berechnung des Temperaturfeldes in dem Sinne führend ist, dass das sekundärmetallurgische Modell (120) zyklisch jeweils eine Lösung für die aktuelle, mittlere Schmelzentemperatur TSchmelze, ferner vorzugsweise die aktuelle Schmelzenzusammensetzung und/oder das aktuelle Schmelzengewicht, an das Gefäßmodell (130) übergibt.
  5. Metallurgische Anlage (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäßmodell (130) eingerichtet ist, um das Temperaturfeld für die Schmelze (S) durch Anhebung und/oder Absenkung der Temperaturwerte des Temperaturfeldes so zu adaptieren, dass im Mittel die vom sekundärmetallurgischen Modell (120) übergebene mittlere Schmelzentemperatur TSchmelze erreicht wird, wobei das Gefäßmodell (130) vorzugsweise ferner eingerichtet ist, um interne Parameter für Dichte und/oder Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität und/oder Badspiegelhöhe der Schmelze (S) basierend auf den vom sekundärmetallurgischen Modell (120) übergebenen Daten zu adaptieren.
  6. Metallurgische Anlage (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäßmodell (130) eingerichtet ist, um eine Wärmeverlustleistung QV der Schmelze (S) und/oder eine assoziierte zeitliche Temperaturänderung dTSchmelze/dt der Schmelze (S) zu ermitteln, wobei der modellbasierte Berechnungsabschnitt (110) vorzugsweise so eingerichtet ist, dass das Gefäßmodell (130) die Wärmeverlustleistung QV der Schmelze (S) und/oder die assoziierte zeitliche Temperaturänderung dTSchmelze/dt der Schmelze (S) dem sekundärmetallurgischen Modell (120) übergibt und das sekundärmetallurgische Modell (120) dies berechnungstechnisch berücksichtigt.
  7. Metallurgische Anlage (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäßmodell (130) eingerichtet ist, um zu Beginn der sekundärmetallurgischen Behandlung der Schmelze (S) durch den Sekundärabschnitt (20) eine initiale Schmelzentemperatur, vorzugsweise ferner eine initiale Schmelzenzusammensetzung und/oder eine Abstichdauer und/oder ein initiales Schmelzengewicht, zu empfangen und daraus ein Temperaturfeld für das Mehrkörpersystem aus Schmelze (S) und Gefäß (21, 22) zu berechnen.
  8. Metallurgische Anlage (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäßmodell (130) eingerichtet ist, um bei Beendigung der sekundärmetallurgischen Behandlung der Schmelze (S) durch den Sekundärabschnitt (20) die Temperaturführung der Schmelze (S) alleinstehend, somit ohne Kopplung mit dem sekundärmetallurgischen Modell (120) durchzuführen, vorzugsweise bis zur Abgabe an einen nachfolgenden Gießbetrieb oder an einen Zwischenbehälter (40).
  9. Metallurgische Anlage (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenbehälter (40) vorgesehen ist und der modellbasierte Berechnungsabschnitt (110) ein Gefäßmodell (140) für den Zwischenbehälter (40) umfasst, wobei das Gefäßmodell (140) für den Zwischenbehälter (40) eingerichtet ist, um eine Temperaturführung der Schmelze (S) im Zwischenbehälter (40) zu übernehmen, vorzugsweise unter Berücksichtigung von Temperaturverlusten zwischen dem Gefäß (21, 22) und dem Zwischenbehälter (40) und/oder einer Vermischung mehrerer Chargen im Zwischenbehälter (40) und/oder eines zeitlich veränderlichen Füllstands des Zwischenbehälters (40).
  10. Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung und/oder Planung eines sekundärmetallurgischen Prozesses in einer metallurgischen Anlage (1), umfassend einen Sekundärabschnitt (20), der ein Gefäß (21, 22) aufweist und eingerichtet ist, um eine von einem Primäraggregat (10) in das Gefäß (21, 22) bereitgestellte Schmelze (S) im Rahmen einer sekundärmetallurgischen Behandlung weiterzuverarbeiten, wobei das Verfahren umfasst:
    Steuern und/oder Regeln und/oder Planen der sekundärmetallurgischen Behandlung der Schmelze (S) im Gefäß (21, 22) des Sekundärabschnitts (20) mittels eines modellbasierten Berechnungsabschnitts (110) einer Steuereinrichtung (100),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der modellbasierte Berechnungsabschnitt (110) zumindest ein sekundärmetallurgisches Modell (120) und zumindest ein Gefäßmodell (130), die miteinander gekoppelt sind, umfasst und eine Temperaturführung der Schmelze (S) im Gefäß (21, 22) des Sekundärabschnitts (20) basierend auf der Kopplung des sekundärmetallurgischen Modells (120) und des Gefäßmodells (130) durchgeführt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäßmodell (130) ein Temperaturfeld für das Mehrkörpersystem aus Schmelze (S) und Gefäß (21, 22) berechnet und das Temperaturfeld oder eine daraus abgeleitete Größe, vorzugsweise einen gemittelten Wert des Temperaturfeldes der Schmelze (S) als Schmelzentemperatur TSchmelze, an das sekundärmetallurgische Modell (120) übergibt.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass während der sekundärmetallurgischen Behandlung der Schmelze (S) durch den Sekundärabschnitt (20) das Gefäßmodell (130) sowie das sekundärmetallurgische Modell (120) eine mittlere Schmelzentemperatur TSchmelze simultan berechnen.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das sekundärmetallurgische Modell (120) bei der Berechnung des Temperaturfeldes in dem Sinne führend ist, dass das sekundärmetallurgische Modell (120) zyklisch jeweils eine Lösung für die aktuelle, mittlere Schmelzentemperatur TSchmelze, ferner vorzugsweise die aktuelle Schmelzenzusammensetzung und/oder das aktuelle Schmelzengewicht, an das Gefäßmodell (130) übergibt, wobei das Gefäßmodell (130) das Temperaturfeld für die Schmelze (S) vorzugsweise durch Anhebung und/oder Absenkung der Temperaturwerte des Temperaturfeldes so adaptiert, dass im Mittel die vom sekundärmetallurgischen Modell (120) übergebene mittlere Schmelzentemperatur TSchmelze erreicht wird, wobei das Gefäßmodell (130) vorzugsweise ferner interne Parameter für Dichte und/oder Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität und/oder Badspiegelhöhe der Schmelze (S) basierend auf den vom sekundärmetallurgischen Modell (120) übergebenen Daten adaptiert.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäßmodell (130) eine Wärmeverlustleistung (QV) der Schmelze (S) und/oder eine assoziierte zeitliche Temperaturänderung dTSchmelze/dt der Schmelze (S) ermittelt, wobei vorzugsweise das Gefäßmodell (130) die Wärmeverlustleistung (QV) der Schmelze (S) und/oder die assoziierte zeitliche Temperaturänderung dTSchmelze/dt der Schmelze (S) dem sekundärmetallurgischen Modell (120) übergibt und das sekundärmetallurgische Modell (120) dies berechnungstechnisch berücksichtigt.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäßmodell (130) bei Beendigung der sekundärmetallurgischen Behandlung der Schmelze (S) durch den Sekundärabschnitt (20) die Temperaturführung der Schmelze (S) alleinstehend, somit ohne Kopplung mit dem sekundärmetallurgischen Modell (120) durchführt, vorzugsweise bis zur Abgabe an einen nachfolgenden Gießbetrieb oder an einen Zwischenbehälter (40), wobei
    vorzugsweise ein Zwischenbehälter (40) vorgesehen ist und der modellbasierte Berechnungsabschnitt (110) in diesem Fall ein Gefäßmodell (140) für den Zwischenbehälter (40) umfasst, wobei das Gefäßmodell (140) für den Zwischenbehälter (40) eine Temperaturführung der Schmelze (S) im Zwischenbehälter (40) übernimmt, vorzugsweise unter Berücksichtigung von Temperaturverlusten zwischen dem Gefäß (21, 22) und dem Zwischenbehälter (40) und/oder einer Vermischung mehrerer Chargen im Zwischenbehälter (40) und/oder eines zeitlich veränderlichen Füllstands des Zwischenbehälters (40).
EP25165713.6A 2024-03-27 2025-03-24 Metallurgische anlage und verfahren zur steuerung oder planung eines sekundärmetallurgischen prozesses Pending EP4624849A1 (de)

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EP3026586A1 (de) 2014-11-28 2016-06-01 SMS group GmbH Simulierung von temperaturverteilungen innerhalb von pfannen eines hüttenwerks und innerhalb von in den pfannen enthaltener metallschmelze

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