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.