Dynamische Prozessmodellierung und Simulation des Elektrolichtbogenofens

Die wid­ri­gen Bedin­gun­gen am Elek­tro­licht­bo­gen­ofen machen expe­ri­men­tel­le Unter­su­chun­gen und Para­me­ter­va­ria­tio­nen beim Schmelz­pro­zess schwie­rig und sind zum Teil mit hohen Kos­ten ver­bun­den. Des­halb wird für die theo­re­ti­sche Unter­su­chung und Opti­mie­rung des Elek­tro­licht­bo­gen­ofens am IOB ein dyna­mi­sches Pro­zess­si­mu­la­ti­ons­mo­dell genutzt. Im Gegen­satz zu CFD und FEM Simu­la­ti­ons­me­tho­den lie­fert die­ses auf­grund von Ver­ein­fa­chun­gen und ganz­heit­li­chen Betrach­tun­gen schnel­le­re Ergeb­nis­se mit gerin­ge­rem Rechen­auf­wand und bie­tet viel­fäl­ti­ge Einsatzmöglichkeiten:

  • Ana­ly­se ver­schie­de­ner Prozessfahrweisen
  • Opti­mie­rung von Regelparametern
  • Unter­su­chung von alter­na­ti­vem LBO-Equip­ment und LBO-Design
  • Soft-Sens­ing
  • Bedie­ner­schu­lung

Das ana­ly­ti­sche Pro­zess­mo­dell ist in MATLAB imple­men­tiert und beruht auf ther­mo­dy­na­mi­schen und phy­si­ka­li­schen Grund­glei­chun­gen. Die Grund­la­ge bil­det das von Logar, Dovžan und Škrjanc (2012) ver­öf­fent­lich­te Modell, wel­ches ins­be­son­de­re im Bereich der Gas­pha­se wei­ter­ent­wi­ckelt wurde.

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Das Pro­zess­mo­dell besteht aus ein­zel­nen Modu­len, in denen die Ener­gie­ver­tei­lung und Wär­me­über­tra­gung sowie rele­van­te che­mi­sche Reak­tio­nen und Mas­sen­trans­por­te berech­net wer­den. Mit­hil­fe von Dif­fe­ren­ti­al­glei­chun­gen ers­ter Ord­nung wer­den Mas­sen- und Tem­pe­ra­tur­än­de­run­gen der ein­zel­nen Pha­sen (Schrott, Schmel­ze, Schla­cke, …) unter Ein­hal­tung der Ener­gie- und Mas­sen­er­hal­tung berechnet.

Die Pro­zess­si­mu­la­ti­on erfolgt je nach Kom­ple­xi­tät des Fahr­dia­gramms durch­schnitt­lich inner­halb von ein bis drei Minu­ten. Durch die Imple­men­tie­rung des Modells in Par­al­lel­rech­nung, kön­nen je nach Anzahl der phy­sisch vor­han­de­nen CPU-Ker­ne gleich­zei­tig meh­re­re Schmel­zen simu­liert werden.

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Die zeit­ab­hän­gi­gen Ergeb­nis­se der Simu­la­ti­on lie­fern Tem­pe­ra­tur­ver­läu­fe aller Pha­sen und Zonen des Modells, Mas­sen und che­mi­sche Zusam­men­set­zun­gen sowie Wär­me­strö­me wäh­rend des Schmelzprozesses.

Das Pro­zess­mo­dell wur­de anhand meh­re­rer Licht­bo­gen­öfen im indus­tri­el­len Maß­stab vali­diert und kann zur Unter­su­chung alter­na­ti­ver Fahr­dia­gram­me genutzt wer­den. Die Simu­la­ti­on wur­de dazu so ange­passt, dass in vor­ge­ge­be­nen Gren­zen der Mas­sen- und Ener­gie­zu­fuh­ren eine auto­ma­ti­sche Rege­lung durch die Simu­la­ti­on selbst erfolgt. Durch die Par­al­lel­rech­nung wird es dadurch mög­lich, inner­halb eines kur­zen Zeit­rau­mes ver­schie­de­ne Betriebs­fahr­wei­sen zu simu­lie­ren, aus­zu­wer­ten und den Schmelz­be­trieb zu optimieren.

Ver­öf­fent­li­chun­gen
Hay, T.; Ech­ter­hof, T.; Pfei­fer, H.: EAF Pro­cess Model and Simu­la­tor, 4th Euro­pean Aca­de­mic Sym­po­si­um on EAF Steel­ma­king – EASES 2021, 16.–18. Juni 2021, Online Event

Hay, T.; Visu­ri, V.; Aula, M.; Ech­ter­hof, T.: A Review of Mathe­ma­ti­cal Pro­cess Models for the Elec­tric Arc Fur­nace Pro­cess, Steel Rese­arch Inter­na­tio­nal, 92 (2021), Nr. 3, 2000395

Kir­schen, M.; Hay, T.; Ech­ter­hof, T.: Pro­cess Impro­ve­ments for Direct Redu­ced Iron Mel­ting in the Elec­tric Arc Fur­nace with Empha­sis on Slag Ope­ra­ti­on, Pro­ces­ses, 9 (2021), 402

Hay, T.; Her­nan­dez, J.; Roberts, S.; Ech­ter­hof, T.: Cal­cu­la­ti­on of View Fac­tors in Elec­tric Arc Fur­nace Pro­cess Mode­ling, Steel Rese­arch Inter­na­tio­nal, 92 (2021), Nr. 2, 2000341

Hay, T.; Ech­ter­hof, T.; Visu­ri, V.-V.: Deve­lo­p­ment of an Elec­tric Arc Fur­nace Simu­la­tor Based on a Com­pre­hen­si­ve Dyna­mic Pro­cess Model, Pro­ces­ses, 7 (2019), Nr. 11, 852

Hay, T.; Rei­mann, A.; Ech­ter­hof, T.: Impro­ving the Mode­ling of Slag and Steel Bath Che­mis­try in an Elec­tric Arc Fur­nace Pro­cess Model, Metall­ur­gi­cal and Mate­ri­als Tran­sac­tions B, 50 (2019), Nr. 5, S. 2377–2388

Hay, T.; Rei­mann, A.; Ech­ter­hof, T.; Pfei­fer, H.: Key­note: Dyna­mic EAF Pro­cess Model — Ther­mo­che­mis­try and Fur­ther Deve­lo­p­ment, Pro­cee­dings of the 8th Inter­na­tio­nal Con­fe­rence on Mode­ling and Simu­la­ti­on of Metall­ur­gi­cal Pro­ces­ses in Steel­ma­king (STEELSIM 2019), 13.–15. August 2019, Toron­to, Ont., Canada

Ech­ter­hof, T.; Hay, T.; Pfei­fer, H.: A Dyna­mic EAF Pro­cess Model – Sta­te of deve­lo­p­ment and out­look, 22nd IAS Steel Con­fe­rence and EXPO IAS 2018, 23.–25. Okto­ber 2018, Rosa­rio, Argentinien

Mei­er, T.; Gan­dt, K.; Hay, T.; Ech­ter­hof, T.: Pro­cess Mode­ling and Simu­la­ti­on of the Radia­ti­on in the Elec­tric Arc Fur­nace, steel rese­arch inter­na­tio­nal, 89 (2018), Nr. 4, 1700487

Mei­er, T.; Gan­dt, K.; Ech­ter­hof, T.; Pfei­fer, H.: Mode­ling and Simu­la­ti­on of the Off-gas in an Elec­tric Arc Fur­nace, Metall­ur­gi­cal and Mate­ri­als Tran­sac­tions B, 48 (2017), Nr. 6, S. 3329–3344

Mei­er, T.; Hay, T.; Ech­ter­hof, T.; Pfei­fer, H.; Rekers­drees, T.; Schlin­ge, L.; Els­ab­agh, S.; Schlie­pha­ke, H.: Pro­cess Mode­ling and Simu­la­ti­on of Biochar Usa­ge in an Elec­tric Arc Fur­nace as a Sub­sti­tu­te for Fos­sil Coal, steel rese­arch inter­na­tio­nal, 88 (2017), Nr. 9, 1600458

Mei­er, T.; Ech­ter­hof, T.; Pfei­fer, H.: Inves­ti­ga­ting the Use of Bio­mass and Oxy­gen in Elec­tric Steel­ma­king by Simu­la­ti­ons Based on a Dyna­mic Pro­cess Model, 2nd ISIJ-VDEh-Jern­kon­to­ret Joint Sym­po­si­um, 12.–13. Juni 2017, Stock­holm, Schwe­den, S. 81–93

Mei­er, T.; Hassan­nia Kolag­ar, A.; Ech­ter­hof, T.; Pfei­fer, H.: Dyna­mic Pro­cess Model­ling and Simu­la­ti­on of an Elec­tric Arc Fur­nace and its Dedus­ting Sys­tem, stahl und eisen, 137 (2017), Nr. 5, S. 53–60

Mei­er, T.; Hassan­nia Kolag­ar, A.; Ech­ter­hof, T.; Pfei­fer, H.: Pro­cess mode­ling and simu­la­ti­on of an Elec­tric Arc Fur­nace for com­pre­hen­si­ve cal­cu­la­ti­on of ener­gy and mass trans­fers in com­bi­na­ti­on with a model of the dedus­ting sys­tem, 11th Euro­pean Elec­tric Steel­ma­king Con­fe­rence & Expo, 25.–27. Mai 2016, Vene­dig, Italien

Mei­er, T.; Logar, V.; Ech­ter­hof, T.; Skrjanc, I.; Pfei­fer, H.: Model­ling and Simu­la­ti­on of the Mel­ting Pro­cess in Elec­tric Arc Fur­naces – Influence of Nume­ri­cal Solu­ti­on Methods, steel rese­arch inter­na­tio­nal, 87 (2016), Nr. 5, S. 581–588

Mei­er, T.; Hassan­nia Kolag­ar, A.; Ech­ter­hof, T.; Pfei­fer, H.: Gas Pha­se Mode­ling and Simu­la­ti­on in an Elec­tric Arc Fur­nace Pro­cess Model for Detail­ed Off-Gas Cal­cu­la­ti­ons in the dedus­ting sys­tem, STEELSIM 2015 – 6th Inter­na­tio­nal Con­fe­rence on Model­ling and Simu­la­ti­on of Metall­ur­gi­cal Pro­ces­ses in Steel­ma­king, 23. – 25 Sep­tem­ber 2015, Bar­do­li­no, Italien

Mei­er, T.; Hassan­nia Kolag­ar, A.; Ech­ter­hof, T.; Pfei­fer, H.; Logar, V.; Skrjanc, I.: Model­ling and Simu­la­ti­on of the tran­si­ent Elec­tric Arc Fur­nace pro­cess, 1st Euro­pean Steel Tech­no­lo­gy & Appli­ca­ti­on Days (ESTAD) & 31st Jour­nées Sidérur­gi­ques Inter­na­tio­na­les (JSI), 7.–8. April 2014, Paris, Frankreich