Energetisch optimierte Regelung von Drehstrom-Lichtbogenöfen

Abstract

In dieser Dissertation wird ein neuartiges Konzept zur energieoptimierten Regelung von Drehstrom-Lichtbogenöfen vorgestellt. Für einen bestehenden Drehstrom-Lichtbogenofen der Firma Böhler-Uddeholm wird eine Regelung, basierend auf diesem Konzept entworfen und an der Anlage installiert. Messungen an der Anlage im geschlossenen Regelkreis zeigen schließlich die grundsätzliche Funktionstüchtigkeit der neuartigen Regelung und bestätigen die theoretischen Überlegungen dieser Arbeit. Die Elektrostahlerzeugung hat zur Zeit einen Anteil von ca. 30% an der Welt-Rohstahlerzeugung. Den höchsten Anteil an der Elektrostahlerzeugung hat wiederum der Drehstrom-Lichtbogenofen Durch die Zufuhr von elektrischer Energie aus einem Dreileiternetz wird Schrott in einem Ofengefäß eingeschmolzen. Die Energiekosten sind mit einem Anteil von ca. 34% der Verarbeitungskosten die dominierenden Kosten bei der Stahlerzeugung mittels Drehstrom-Lichtbogenofen. Durch eine geeignete Verfahrenstechnik in Verbindung mit einer leistungsfähigen Regelung können diese Energiekosten minimiert werden. Ziel dieser Arbeit war es durch eine intelligente Regelung ein energieoptimiertes Einschmelzen des Schrotts zu gewährleisten. Eine Vorgabe war dabei die Weiterverwendung der vorhandenen Elektrodenregelung, welche den unmittelbaren Abstand der Graphitelektroden zum Schrotteinsatz kontrolliert und als Regelgrößen die Impedanzen der drei Stränge verwendet. Die in dieser Arbeit vorgestellte Regelung hatte somit die Aufgabe die Impedanzsollwerte so vorzugeben, dass die elektrische Energie möglichst effizient in den Schrott geleitet wird ohne das Ofengefäß einem übermäßigen Verschleiß auszusetzen. Kernstück des neuen übergeordneten Regelkreises ist ein mehrdimensionales Kennfeld, welches ein elektrisches Modell des Ofens darstellt. Durch Einbeziehung des THD-Wertes kann mit diesem Kennfeld auch die Betriebsreaktanz erfasst und quantifiziert werden. Durch dieses Kennfeld wird es möglich, den Energieeintrag in den Schrott in jeder Einschmelzphase zu optimieren. Das Kennfeld ermöglicht ebenso eine Entkopplung der gekoppelten elektrischen Größen des Drehstromsystems. Neben dem möglichst optimierten Energieeintrag in den Schrott ist es auch wichtig den Verschleiß des Ofengefäßes in vertretbaren Grenzen zu halten. Dazu werden die Temperaturen der wassergekühlten Kühlkästen des Ofens gemessen. Durch einen Fuzzy Algorithmus werden die Temperaturen und Temperaturänderungen jedes Kühlkastens in ein Verschleißsignal umgewandelt. Dieses Verschleißsignal ist die Regelgröße des übergeordneten Regelkreises. Mittels einer geeigneten Strangaufteilung wird das Verschleißsignal jedes der Kühlkästen (üblich sind 8 oder 16 Kühlkästen) auf die vorhandenen drei Elektroden umgelegt. Ein geeigneter Auswahlalgorithmus wählt auf Grund der Information von Verschleiß und Strangaufteilung aus dem Kennfeld die optimalen Sollwerte für jeden der drei Stränge aus. Das Regelkonzept wurde an einem 40t Drehstrom-Lichtbogenofen der Firma Böhler-Uddeholm in Kapfenberg realisiert. Ein Prototyp der Regelung arbeitete im Rahmen des normalen Einschmelzbetriebs. Auf Grund der positiven Erfahrungen mit dem Prototypen wurde von der Firma VA-Mechatronics die Software DynArcos programmiert und in Kapfenberg installiert. Seit 2002 ist die übergeordnete Regelung DynArcos am freien Markt erhältlich.

In this dissertation a novel concept for an energetic optimized control of a three phase electric arc furnace is presented. For an existing three phase electric arc furnace of the Böhler-Uddeholm company, a control system based on this concept, was designed an installed. Measurements in this plant in closed loop show the basic functionality of the new controller design and confirm the theoretical approaches of this work. As of today, the production of electric steel amounts to approximately 30% of the world crude steel production. The largest share of the total production of electric steel is produced using three phase electric arc furnaces. By supplying electrical energy from a three phase power system steel scrap is melted in a furnace. Since the energy costs make up 34% of the total conversion costs, they are the dominating cost factor of the steel making process via three phase electric arc furnaces. These energy costs can be minimized through appropriate process engineering in conjunction with an effective control system. The objective of this work was to achieve an energy optimized meltdown process by using an intelligent control concept. The new control system had to meet the constraining requirement that it had to be based on the already existing electrode control system, which directly controls the distance of the graphite electrodes to the scrap. The existing control uses the impedances of the three phases as the control variables. The control which is presented in this work had the task to calculate the impedance set-points in such a way, that the electrical energy is optimally transferred into the scrap without damaging the vessel of the arc furnace. The core of this dissertation is a multidimensional characteristic diagram, which represents an electrical model of the arc furnace. Including the THD-value in this characteristic diagram makes it possible to acquire and quantify the operating reactance as well. Therefore, the characteristic diagram makes it also possible to optimize the power input into the scrap in each phase of the meltdown process. Furthermore, the usage of the characteristic diagram allows for the decoupling of the coupled electric variables of the three-phase system. Besides the preferably optimized energy input into the scrap, it is also important to kkep the abrasion of the furnace vessel as small as possible. To achieve this objective, the temperatures of the water cooled panels are measured. With a fuzzy algorithm the temperatures of each cooling panels and their time gradients are transformed into an so-called abrasion signal. This abrasion signal is the control variable of a superior control loop. Using an appropriate split up algorithm the abrasion signal of each cooling panel (usually 8 or 16 cooling panels are used) is allocated to the three electrodes. An appropriate selection algorithm picks up the optimal set-point values for each of the three phases from the characteristic diagram based on the information of the abrasion signal and the split up algorithm. The control concept was implemented on the 40t three phase electric arc furnace of the Böhler-Uddeholm company in Kapfenberg. The performance of a prototype of the control system under normal production conditions was very good. Based on these positive experiences with the prototype, the software DynArcos was programmed and installed in Kapfenberg by the VA-Mechatronics company. Since 2002 the superior control loop DynArcos is also commercially available.