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 zweier Lichtbogenöfen im industriellen Maßstab validiert und kann in der nächsten Entwicklungsstufe zur Untersuchung alternativer Fahrdiagramme genutzt werden. Die Simulation wird 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
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