Verfahren zur Herstellung einer Metallschmelze an Hand eines dynamischen Prozessmodells, inklusiv Korrekturmodell

Abstract

 Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Metallschmelze in einer hüttentechnischen Anlage, insbesondere zum Frischen einer Metallschmelze, werden auf einer nach einem Prozeßmodell ablaufenden und die hüttentechnische Anlage steuernden Rechentechnik, wobei das Prozeßmodell das Verhalten für mindestens einen variablen Prozeßparameter zwischen einer Ist-Prozeßgröße, einer Stellgröße und einer Prozeßendgröße beschreibt, folgende Schritte durchgeführt:

• mit dem Prozeßmodell wird mit zu einer bestimmten Zeit (t_i) erhobenen Daten einer Ist-Prozeßgröße, wie der Temperatur der Schmelze und der chemischen Zusammensetzung der Schmelze, durch Simulation mit Rechentechnik unmittelbar zum Zeitpunkt der Erhebung der Ist-Prozeßgröße eine Prozeßgröße für einen späteren Zeitpunkt (t_i + dt) ermittelt und
• bei Abweichungen der simulierten Prozeßgröße von einem gewünschten Soll-Wert werden mittels des Prozeßmodells mit Rechentechnik Korrekturmaßnahmen zur Änderung der Ist-Prozeßgröße errechnet und die Ist-Prozeßgröße entsprechend geändert,
• worauf zu einem späteren Zeitpunkt (t_i + dt) mit weiters erhobenen Daten der Ist-Prozeßgröße das Verfahren wiederholt wird (Fig. 1).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Metallschmelze in einer hüttentechnischen Anlage, insbesondere zum Frischen einer Metallschmelze, vorzugsweise zum Herstellen von Stahl, wie z.B. von legiertem, rostfreiem Stahl oder Edelstahl, welches Verfahren auf einer nach einem Prozeßmodell ablaufenden und die hüttentechnische Anlage steuernden Rechentechnik fußt.

[0002] Für die industrielle Herstellung von Stahl besteht von jeher ein Bedürfnis nach einem Verfahren, das eine optimale und auch kostengünstige Prozeßführung ermöglicht. Die Erfindung betrifft daher insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Stahl durch Frischen einer vorgegebenen, geschmolzenen Roheisenmenge, die neben den üblichen Elementen gegebenenfalls für die Herstellung von unterschiedlichen Qualitäten notwendige Legierungselemente enthält, wie beispielsweise Chrom und Nickel.

[0003] Bei der Entkohlung einer Metallschmelze, wie einer Roheisenschmelze mit Sauerstoff, wird für ein Gleichgewicht zwischen Metall, Kohlenstoff und Sauerstoff bei einer bestimmten Temperatur und bei einem bestimmten Druck gesorgt. Dieses Gleichgewicht bestimmt das Ausmaß, bis zu welchem Gehalt Kohlenstoff aus der Schmelze entfernt werden kann, ohne daß gleichzeitig metallische Bestandteile, wie z.B. Chrom als auch Eisen, oxidiert werden. Bei diesem Frischvorgang kann die thermodynamische Aktivität innerhalb des Metallschmelzbades sowie das zwischen den im Schmelzbad enthaltenen Elementen und der sich entwickelnden Gasatmosphäre sich einstellende Gleichgewicht durch die Mischung von Sauerstoff mit Inertgas (als Verdünnungsgas) beeinflußt werden.

[0004] Aus der AT 339 938 B ist ein Programm zur Optimierung der Entkohlung einer Masse von geschmolzenem Metall zu entnehmen, das auf Kenntnis der Anfangstemperatur, chemischer Anfangszusammensetzung der Vorschmelze und des Gewichtes beruht, wobei Soll-Werte unter wirtschaftlich günstigen Bedingungen erhalten werden können. Als Verdünnungsmittel wird dabei jedes beliebige Gas gewählt, das sich bei der Entkohlung inert verhält. Unter Verwendung der Anfangsinformationen werden mit dem Programm mehrere Koeffizienten, welche die thermodynamischen Aktivitäten jedes im Schmelzbad vorhandenen Elementes als Funktion der Badzusammensetzung definieren, berechnet. Unter Verwendung dieser Koeffizienten berechnet das Programm den Kohlenmonoxidpartialdruck im Gleichgewicht mit Kohlenstoff und den verschiedenen metallischen Elementen und Oxiden. Nachteilig ist hierbei, daß während des Entkohlens sich einstellende Werte der Temperatur, der chemischen Zusammensetzung etc. nicht berücksichtigt werden, sodaß sich laufend ändernde Ist-Werte keinen Einfluß auf das Endprodukt haben können.

[0005] In dem Patent EP 0 545 379 B1 wird ein Verfahren zum Raffinieren von Stahl durch Steuern der Entkohlung eines vorbestimmten Metallschmelzbades mit bekannter chemischer Zusammensetzung und Temperatur beschrieben. Das Verfahren weist dabei folgende Verfahrensschritte auf:

• ein erstes neuronales Netzwerk, um Eingangs- und Ausgangsdaten aus Daten zu analysieren, zu denen die Zusammensetzung, das Gewicht und die Temperatur des Bades am Anfang jeder Prozeßperiode, das zu verwendende Gasverhältnis Sauerstoff zu Verdünnungsgas während jeder Prozeßperiode und die am Abschluß jeder Prozeßperiode erreichte Endtemperatur gehören, bis das neuronale Netz in der Lage ist, einen wesentlichen genauen Ausganswert zu liefern, welcher die Sauerstoffzählwerte darstellt, die in das Bad eingeblasen werden müssen, um zu bewirken daß die Temperatur des Bades auf einen bestimmten Soll-Temperaturwert ansteigt,
• ein zweites neuronales Netzwerk, um Eingangs- und Ausgangsdaten aus Daten zu analysieren, zu denen die Zusammensetzung, das Gewicht und die Temperatur des Bades am Anfang jeder Prozeßperiode und die am Abschluß jeder Prozeßperiode erreichte Endtemperatur gehören, bis das neuronale Netz in der Lage ist, einen im wesentlichen genauen Ausgangswert von Sauerstoffzählwerten zu liefern, um den Kohlenstoffpegel entsprechend einer vorgewählten Aufstellung von Verhältnissen von Sauerstoff zu Verdünnungsgas auf den vorgewählten Soll-Pegel zu senken,
• Zuschlagstoffe werden in drei weiteren neuronalen Netzwerken berücksichtigt, um den Kohlenstoffgehalt, die Temperatur und die Endzusammensetzung des Bades am Ende des Einblasens von Sauerstoff zu berechnen.

[0006] Hierbei ist nachteilig, daß über die gesamte Behandlungszeit keine kontinuierliche Erfassung und Prüfung auf Plausibilität der errechneten Temperatur- und Analysewerte erfolgt. Die Optimierung von Prozessen ist auf diese Art schwer wenn überhaut machbar, speziell wenn man die Verhältnisse im Schmelzaggregat (Änderung der Feuerfesttemperatur, Änderung der Feuerfeststärke, Änderung des Reaktionsvolumens, ...) mitberücksichtigt.

[0007] Die Erfindung gemäß EP 0 857 222 B1 betrifft ein Verfahren zum Entkohlen einer Stahlschmelze zur Herstellung von hochchromhältigen Stählen, bei welchem die Entkohlungsgeschwindigkeit fortlaufend gemessen wird und in Abhängigkeit von den gemessenen Werten die Menge des einzublasenden Sauerstoffs eingestellt wird, wobei die Entkohlungsgeschwindigkeit aus dem CO- und CO₂-Gehalt im Abgas und dem Abgasdurchfluß bestimmt wird. Die Messung oben angeführter Abgaszusammensetzungen ist zwar möglich, jedoch relativ ungenau. Die Position der Meßsonde im Abgasstrom muß in der Nähe des Tiegelmundes positioniert werden, um einerseits die Abgasinformation relativ schnell zu erhalten und anderereseits die Verfälschung der Abgaszusammensetzung durch Frischlufteintrag im Tiegelmundbereich zu minimieren/vermeiden. Zur Herstellung legierter Stähle ist dieses Verfahren weniger geeignet, da eine Metalloxidation keine Berücksichtigung findet und mit diesem Verfahren auch nicht feststellbar ist.

[0008] Gemäß der DE 33 11 232 C2 erfolgt ein computergesteuertes Frischen von Metallschmelzen mit Sauerstoff und einem Verdünnungsgas, wobei die Gasdurchflußmengen durch Berechnen des Ausmaßes der Metalloxidation unter Verwendung von errechneten Werten festgesetzt werden.

[0009] Das in der DE 33 11 232 C2 beschriebene Verfahren ist zwar zum Entkohlen von Metallschmelzen geeignet, jedoch ist dieses Verfahren aufgrund des verwendeten Modells nicht geeignet, exakt den Zeitpunkt des Erreichens des Übergangspunktes von der Entkohlungsreaktion zur Metalloxidation zu bestimmen. Die Folge ist ein erhöhter Chromabbrand und dadurch zusätzlich erforderliche Mengen an Reduktionsstoffen (Ferrosilizium, Kalk) sowie eine verminderte Haltbarkeit des Konverters.

[0010] Die gängige Praxis beim AOD-Stahlherstellungsverfahren ist wie folgt:
Während einer Charge werden (speziell bei der Rostfrei-Stahlerzeugung) Messungen (Temperatur, Probenahme für chemische Analyse) durchgeführt.

• Bei Verwendung einer Sublanze muß der Prozeß für die Messung nicht unterbrochen werden (Temperaturangaben liegen unmittelbar nach Eintauchen der Meßsonde in die Stahlschmelze vor; bei einer Probenahme muß auf die Analyseergebnisse vom Labor gewartet werden (etwa 3 - 6 Minuten)).
• Wenn keine Sublanze verwendet wird, muß für eine Messung der AOD-Prozeß unterbrochen werden. Bei einer Handmessung liegt der Temperaturwert ebenfalls unmittelbar nach Eintauchen der Sonde in die Stahlschmelze vor. Bei einer Probenahme muß auf die Analyseergebnisse wie oben angeführt ebenfalls ca. 3 bis 6 Minuten gewartet werden.

[0011] Der Nachteil beider Meßmethoden ist, daß die Information über die Stahlschmelze (Temperatur, chemische Analyse) nur punktuell erfolgt. Bei der Handmessung kommt es außerdem bei jeder Messung zu einer Prozeßunterbrechung (der Konverter muß für die Messung umgelegt werden). Das bedingt eine Erhöhung der tap to tap Zeit, damit verbunden sind ein höherer Feuerfestverschleiß, eine Temperaturerniedrigung der Stahlschmelze (hervorgerufen durch Umlegen des Konverters), usw.

[0012] Ein korrigierendes Eingreifen bei zu hoher oder zu niedriger Temperatur kann erst nach durchgeführter Messung erfolgen.

[0013] Aufgabe der Erfindung ist es, besonders für konventionell schwierig zu regelnde Produktionsprozesse, wie z.B. beim AOD-Prozeß, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine Produktionssteigerung, Energieeinsparung, Verkürzung der tap to tap Zeit (ttt-Zeit), Zuschlagstoffoptimierung und eine höhere Haltbarkeit der im Produktionsprozeß zum Einsatz gelangenden Feuerfestmaterialien erzielt werden kann. Insbesondere soll die Erfindung auch bei der Herstellung legierter Stähle, wie z.B. Cr-Nr-legierter Rostfreistähle anwendbar sein.

[0014] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte gelöst:

• mit dem Prozeßmodell wird mit zu einer bestimmten Zeit (t_i) erhobenen Daten einer Ist-Prozeßgröße, wie der Temperatur der Schmelze und/oder der chemischen Zusammensetzung der Schmelze, durch Simulation mit Rechentechnik unmittelbar zum Zeitpunkt der Erhebung der Ist-Prozeßgröße eine Prozeßgröße für einen späteren Zeitpunkt (t_i + dt), vorzugsweise eine Prozeßendgröße, ermittelt und
• bei Abweichungen der simulierten Prozeßgröße von einem gewünschten Soll-Wert werden mittels des Prozeßmodells mit Rechentechnik Korrekturmaßnahmen zur Änderung der Ist-Prozeßgröße errechnet und die Ist-Prozeßgröße entsprechend geändert
• worauf zu einem späteren Zeitpunkt (t_i + dt) mit weiters erhobenen Daten der Ist-Prozeßgröße das Verfahren wiederholt wird.

[0015] Erfindungsgemäß wird somit zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Messung an der Schmelze durchgeführt, u.zw. mindestens der Temperatur oder mindestens der chemischen Zusammensetzung, worauf aufgrund eines Prozessmodells mit dem gemessenen Wert ein Wert für einen späteren Zeitpunkt errechnet wird (vorzugsweise zum Endzeitpunkt), und es wird bei einer Abweichung des so vom Messwert hochgerechneten Wertes von einem gewünschten vorbestimmten Wert eine Korrekturmaßnahme für die Prozeßgröße ergriffen, dies kann natürlich sofort oder auch zu einem späteren Zeitpunkt durchgeführt werden. Wenn sich z.B. herausstellen sollte, dass die Temperatur am Ende einer Charge zu hoch wäre, kann korrigierend eingegriffen werden durch die Zugabe von Kühlschrott, was entweder sofort zum Messzeitpunkt oder, falls für den Prozeß aus metallurgischen Gründen günstiger, auch etwas später erfolgen kann.

[0016] Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich umso besser verwirklichen, je schneller die Meßdaten nach Durchführung der Messung zu Verfügung stehen. Sowohl für die Temperaturmessung als auch für die chemische Analyse sind Meßverfahren bekannt (WO 97/22859 und WO 02/48661) mit denen nahezu unmittelbar nach der Messung die gemessenen Daten zur Verfügung stehen. So sind die Temperaturwerte der Schmelze nach ms und ein aus mehreren Messungen gemittelter Temperaturwert nach etwa einer s verfügbar. Werte der chemischen Analyse sind z.B. nach 0,05 bis 0,1 s und ein über etwa 100 Messungen gemittelter Wert nach 5 bis 10 s verfügbar.

[0017] Zweckmäßig werden mittels des Prozeßmodells die zu einer bestimmten Zeit (t_i) erhobenen Daten einer Ist-Prozeßgröße auf Plausibilität überprüft und ausschließlich plausible Daten zur Simulation der Prozeßgröße zur Verfügung gestellt und nicht-plausible Daten verworfen, wobei im letzteren Fall die Simulation aufgrund der zuletzt bestimmten plausiblen Daten fortgesetzt wird. Hierdurch gelingt es, das Verfahren trotz Fehldaten, z.B. verursacht durch Meßfehler etc., ohne Verzögerung unter Erreichung des Verfahrenszieles zu beenden.

[0018] Infolge von Störungen kann es zu Fehlmessungen kommen. Solche Störungen sind beispielsweise Schlackenspritzer an Meßfühlern oder ein Zuwachsen einer Öffnung im metallurgischen Gefäß durch die die Schmelze mittels des Meßfühlers beobachtet wird. Im letzteren Fall würde ein vergangener Zustand ständig weiter gemessen werden. Solche Permanentmeßwerte sind nur für eine gewisse Zeit zulässig, welche Zeitdauer vom Verlauf des Verfahrens, vom Meßwert und von dem bereits durchgeführten Verfahrensverlauf abhängig ist. Wird der Permanentmeßwert als unzulässig, also als nicht plausibel erkannt, kann man unmittelbar zum Beheben des Problems schreiten, beispielsweise die zugewachsene Öffnung, durch die die Schmelze beobachtet werden soll, aufzubrennen, gegebenenfalls ein Sichtfenster zu reinigen, etc.

[0019] Durch eine Plausibilitätsprüfung können Meßwerte, die außerhalb einer vorbestimmten Bandbreite eines zu einer bestimmten Zeit gemäß einem Idealverlauf des Prozesses vorbestimmten Wertes liegen, eliminiert werden. Diese Bandbreite bewegt sich in der Größenordnung ± 10% vom vorgegebenen Idealwert, vorzugsweise ± 5%. Die Festlegung des idealen Prozeßverlaufes bzw. eines Idealwerts zu einer bestimmten Zeit erfolgt aufgrund von Erfahrungswerten oder errechneten Werten. Liegt ein neuer Meßwert innerhalb der Bandbreite, d.h. er wird als plausibel akzeptiert, wird von diesem letzten Wert wiederum ein Idealverlauf des Prozesses aufgrund von Erfahrungswerten oder errechneten Werten angenommen und die Simulation aufgrund dieses neuen Verfahrensverlaufes weiter fortgesetzt, so daß letztendlich Meßwerte akzeptiert werden, die außerhalb der Bandbreite einer der vorhergehenden und zwischenzeitlich verlassenen Idealverläufe des Prozesses liegen als plausibel erkannt werden. Hierdurch ist das System selbstlernend.

[0020] Vorteilhaft findet für jede variable Prozeßgröße ein eigenes Prozeßmodell-Modul Anwendung. Unter Prozeßmodell-Modul wir ein in sich abgeschlossener Teil des Prozeßmodells verstanden, der für einen bestimmten Funktionsablauf zuständig ist, wie z.B. für die Entkohlung, die Entschwefelung, die Temperaturvorausrechnung und die Legierung mit Legierungselementen. Die Prozeßmodell-Module sind jedoch, soweit die einzelnen Funktionsabläufe sich gegenseitig beeinflussen, zur Berücksichtigung dieser Einflüsse untereinander verknüpft.

[0021] Das Prozeßmodell selbst bzw. mindestens ein Modul des Prozeßmodells ist nach einer bevorzugten Ausführungsform mit intelligenter Selbstoptimierung ausgestattet. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird hierbei durch ein intelligent ausgebildetes System gelöst, das aufbauend auf eingegebenem Vorwissen selbständig situationsgerechte Anweisungen für eine sichere und möglichst optimale Prozeßführung gibt. Die selbständig gegebenen Anweisungen werden dabei kontinuierlich mit den Ist-Daten verglichen und auf Plausibilität überprüft.

[0022] Das eingegebene Vorwissen (Prozeßwissen) wird dabei selbständig laufend durch am Prozeß während der Produktion gewonnenes Wissen verbessert. Dieses selbstgenerierende Prozeßwissen wird von einem Datenspeicher als neues Vorwissen übernommen, d.h. es kommt zu einer ständig verbesserten Grundlage für eine weitere Adaption oder Optimierung des Prozesses.

[0023] Das Verfahren wird zweckmäßig so ausgeführt, daß von einer bestehenden Fahrweise (erhalten z.B. aufgrund langjähriger Erfahrung; know how) für unterschiedliche Güten eine Optimierung so durchgeführt wird, daß für den Prozeß günstige Änderungen (wie Reduzierung von O₂, Prozeß-Temperaturverlauf optimieren zu niedrigeren Werten; Reduzieren/Optimieren von Gasmengen; Verkürzen der Prozeßzeiten; ...) für die jeweilige Güte übernommen und abgespeichert werden. In weiterer Folge werden die Prozeß-Optimierungsschritte immer enger gesetzt. Dieser Vorgang wird u.a. mit Hilfe neuronaler Netze bewerkstelligt.

[0024] Zur optimalen Durchführung des Verfahrens ist zumindest über einen Teil der Prozeßdauer die Zeitdifferenz zwischen zwei aufeinander folgenden Erhebungen einer Ist-Prozeßgröße sehr klein gehalten, vorzugsweise ist die Zeitdifferenz infinitesimal, d.h. die Ist-Prozeßgröße wird kontinuierlich erhoben.

[0025] Ein besonders einfaches Prozeßmodell, mit dem sich sehr gute Endergebnisse erzielen lassen, ist dadurch gekennzeichnet, daß als Ist-Prozeßgrößen die chemische Zusammensetzung des Abgases und die chemische Zusammensetzung von chargiertem Material sowie gegebenenfalls die chemische Zusammensetzung der Schlacke erhoben werden.

[0026] Vorteilhaft werden als Prozeßgrößen zusätzlich die chemische Zusammensetzung des Abgases und die chemische Zusammensetzung von chargiertem Material sowie gegebenenfalls die chemische Zusammensetzung der Schlacke erhoben.

[0027] Um die Prozeßendgrößen, die Qualitätskennwerte für die fertige Metallschmelze darstellen, möglichst mit den vorgegebenen anzustrebenden Idealwerten übereinstimmen zu lassen, werden vorteilhaft, einstellbare Prozeßvariable, wie Fluß, Druck, Temperatur und Zusammensetzung von Gasen und/oder Mengen, Zusammensetzungen und Chargiergeschwindigkeiten von Zuschlagstoffen am Prozeßmodell optimiert.

[0028] Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einer Kenntnis der Ist-Situation zu bestimmten Zeitpunkten während des Verfahrens, wobei, wie oben ausgeführt, die permanente Kenntnis der Ist-Situation für zumindest die wichtigsten Prozeßschritte ein optimales erfindungsgemäßes Verfahren ergibt. Aufgrund der Kenntnis des Ist-Zustandes, also der Ist-Prozeßgrößen, können die Prozeßparameter, wie Sauerstoffdurchfluß, Inertgasdurchfluß, Zugabezeitpunkt, chemische Zusammensetzung und Menge der Zuschlagstoffe, optimiert werden. Die Kenntnis der Ist-Situation erlaubt, die Zielpunkte exakt anzufahren, z.B. können schon allein bei Kenntnis der chemischen Zusammensetzung und der Temperatur der Metallschmelze die fehlenden und noch zuzugebenden Materialien und Gasmengen zeitlich exakt mengen- und analysengenau eingebracht werden.

[0029] Der Schmelzablauf zur Herstellung einer Stahlschmelze speziell für den AOD-Prozeß würde folgendermaßen ablaufen:

[0030] Mit dem Modell wird nach Vorgabe des jeweiligen Qualitätsproduktes das statische Prozeßverhalten für eine Prozeßgröße y = f (Stellgrößen, nicht beeinflußbare Prozeßgrößen) nachgebildet. Die daraus berechnete Prozeßendgröße y* ist ein typischer Qualitätsparameter des herzustellenden Produktes und weicht von der sich tatsächlich einstellenden Endgröße y mehr oder weniger ab.

[0031] Mit einer Modelladaption wird das Prozeßmodell verbessert, damit das Modellverhalten möglichst gut mit dem tatsächlichen Prozeßverhalten übereinstimmt.

[0032] Mittels eines mit einem Prozeßoptimierer durchgeführten Optimierungsverfahrens werden Stellgrößen gefunden, die zu einem guten Prozeßverhalten führen. Zum Beispiel kann bei zu hoher Stahlschmelzetemperatur entweder die Sauerstoffzufuhr reduziert oder der Zugabezeitpunkt für Kühlschrott oder Legierungselemente geändert werden.

[0033] Da das Prozeßmodell zu einem bestimmten Prozentsatz auf unsicherem Wissen beruht, wird das Prozeßmodell anhand gewonnener Prozeßdaten adaptiert und verändert. Diese Adaption erfolgt mit der Prozeßmodelladaption, die auf Daten vergangener Prozeßzustände aufsetzt. Die Kontrolle der Prozeßergebnisse erfolgt durch Abfragen aus Plausibilität.

[0034] Der prinzipielle Aufbau des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vereinfacht in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt, und zwar jeweils in Blockdiagrammform. Erfindungsgemäße Prozesse betreffend Entkohlung (DeC-Prozeß), Reduktion, Legierungsstoffzugabe und Kühlung sind in Blockdiagrammform in der Fig. 3, 4, 5 und 6 veranschaulicht. Die Fig. 7 und 8 zeigen Temperaturverlauf und chemische Analysewerte über den Prozeßablauf des nachstehenden Beispiels.

[0035] Als Prozeßmodellfunktionen sind folgende Funktionen vorgesehen:

Metallurgische Gleichungen

Algorithmen, Parameter

Festlegung interner Modellschnittstellen

Struktur, interner Ablauf

[0036] Vor dem Start des Prozeßmodells ist die Kenntnis des Zustandes der Vorschmelze und Schlacke notwendig.

[0037] Die Anfangsanalyse, Analyse der Zuschlagstoffe und die eingebrachten Gasmengen sind ohne Schwierigkeiten genau bestimmbar und stehen jederzeit zur Verfügung. Die Kenntnis der Temperatur der Stahlschmelze, die Abgaszusammensetzung und die Analyse der Stahlschmelze beruht auf Momentaufnahmen, verwirklicht durch ein koninuierlich arbeitendes Temperaturmeß- und Analysesystem für die Metallschmelze, wie dies z.B. gemäß der WO 97/22859 oder WO 02/48661 erfolgt.

[0038] Diese Kenntnis erlaubt erst das Optimieren und Ergänzen bestehender Modelle. Das beispielhaft erfindungsgemäß konzipierte AOD-Modell trägt dem Rechnung und wurde so aufgebaut, daß nach Kenntnis des Ist-Zustandes die Prozeßmodellparameter so angepaßt/geändert werden, daß die angestrebten Soll-Werte tatsächlich erreicht werden. Mit dieser Vorgehensweise wird erreicht, daß der FF-Verbrauch reduziert, die Durchflußmengen optimiert und damit reduziert und die ttt-Zeit verkürzt werden. Außerdem wird durch eine gezielte Einsatzstrategie die Menge an Zuschlagstoffen optimiert.

Detaillierte Modellbeschreibung:

[0039] Gemäß einem in Fig. 1 dargestellten AOD-Konverter 1 werden Sauerstoff und ein Verdünnungsgas (Inertgas) sowohl über eine Toplanze 2 als auch über Düsen 3, die unterhalb des Stahlschmelzbadniveaus 4 am Konverter 1 vorgesehen sind, in dessen Inneres 5 eingebracht. Der Konverter 1 ist, wie bei Stahlwerkskonvertern üblich, kippbar gelagert, was nicht näher dargestellt ist. Der Konverter 1 ist weiters mit einer Einrichtung 6 zur Temperaturmessung der Stahlschmelze 7 sowie einer Einrichtung 8 zur Bestimmung der chemischen Analyse der Stahlschmelze 7 ausgestattet. Zusätzlich lassen sich mit Meßeinrichtungen 9 und 10 die Durchflußmengen der über die Toplanze 2 und die Düsen 3 eingebrachten Gase feststellen. Das aus dem Konverter 1 austretende Abgas wird ebenfalls mittels einer Einrichtung 11 hinsichtlich seiner chemischen Zusammensetzung hin analysiert, welche Analyseneinrichtung 11 im Abgaskamin, der nicht näher dargestellt ist, vorgesehen ist.

[0040] Vor dem Start des Verfahrens werden von der in den Konverter 1 chargierten Stahlschmelze 7 Gewicht, chemische Analyse und Temperatur festgestellt. Auch von der auf der Vorschmelze ruhenden Schlacke 12 werden Gewicht, chemische Zusammensetzung und Temperatur bestimmt. Von den geplant einzubringenden Zuschlagstoffen sind ebenfalls Gewicht, chemische Zusammensetzung und Temperatur bekannt.

[0041] Angaben über Stahlqualitäten und Abstichzustand beinhalten alle Grenz- und Zielwerte der Stahlelemente zum Abstichzeitpunkt sowie auch die Abstichtemperatur.

[0042] Für die Modellrechnung werden vorteilhaft folgende untenstehende Daten als Ist-Prozeßgrößen erhoben:

1. Düsen 3: Durchflußmengen für Ar, N₂, O₂, Luft, CH₄ oder C_nH_m (Nm³/h) = f (t)

2. Toplanze 2: Durchflußmengen für Ar, N₂, O₂ = f (t)

3. Position der Toplanze 2 = f (t)

4. Materialzugabestoffe: Art, chemische Zusammensetzung, Geschwindigkeit, Gewicht, Temperatur = f (t)

5. Chemische Analyse Stahlschmelze 7 = Funktion (t)

6. Temperatur Stahlschmelze 7 = Funktion (t)

7. Konverterposition (Grad der Neigung) = f (t)

8. Abgas: Chemische Zusammensetzung, Temperatur, Menge = f (t)

[0043] Die Bestimmung der Temperatur und der Konzentration eines Elementes in der Stahlschmelze 7 erfolgt anhand nachstehender Definitionen:

[0044] Hierin bedeuten:

f (..,t), g (...,t)

zeitabhängige Funktionen

t

Zeit

soll

Soll-Wert

ist

Ist-Wert

Zuschlagstoffe

Legierungselemente, Kühlschrott, Schlackebildner, .....

1. Konzentration eines Elementes x in der Stahlschmelze:

[0045] 

2. Bestimmung der Stahlschmelzetemperatur:

[0046] 

t-Dt ........ die Messung liegt zum Zeitpunkt t-Dt vor, wobei Dt der Zeitschritt zwischen zwei Rechenschritten ist. Je kleiner Dt gewählt wird, umso genauer kann die Soll-Kurve erreicht werden.
Für kurze Zeitintervalle ist es erforderlich, daß die Meßdaten den aktuellen Zustand in der Stahlschmelze beschreiben.

[0047] Während der Modellrechnung werden die Werte der Elemente (%) und der Temperatur (°C) für Stahl, Schlacke, Abgas (Komponenten, Betrag) und die Wärmebilanz zum Zeitpunkt i nach dem Modellstart zyklisch berechnet.

[0048] Bilanziert werden die Gasphase, der Stahl und die Schlacke.

[0049] Dabei wird für die Bilanzierung eine Summe (kg oder Mol) für jedes Element/jeden Stoff in jedem Zeitabschnitt aufgestellt.

[0050] Die Bilanzgleichung für das Element x lautet:

x_k

Anteil von x im Zugabestoff k

Ausbringen_k

Ausbringen des Zuschlagstoffes k

Gewicht x_Oxidation

Gewicht des Stoffes x, der im Zeitabschnitt Dt oxidiert

Gewicht x_vap

Verdampfungsverlust im Zeitabschnitt Dt

[0051] Die Oxidations- und Reduktionsprodukte sind in der Schlackenphase und Gasphase zu berücksichtigen.

[0052] Wichtige Reaktionen (diese sind in einer Datenbank hinterlegt) sind:

[0053] Der Ablauf des Iterations- und Rechenprozesses ist in den Fig. 3 und 4 anhand eines logischen Plans dargestellt, wobei Fig. 3 für den Entkohlungsprozeß und Fig. 4 für den Reduktionsprozeß maßgebend sind. Diesen Prozessen sind nachfolgende Berechnungsformen zugrundegelegt.

Legierungs- und Kühlberechnung

1. Legierungsstoffe

[0054] Die Legierungsstoffberechnung verfolgt im wesentlichen zwei Ziele:

a) Einstellung der Analyse

b) Erreichung des Abstichgewichtes

[0055] Ausgehend vom Zustand der Vorschmelze (chemische Analyse Stahlschmelze, Gewicht, Temperatur) werden alle notwendigen Zugaben auf die gezielte Abstichanalyse berechnet.

[0056] Für die Auswahl der Legierungsstoffe zur Vorrechnung wird nach folgenden Kriterien entschieden:

• Kostenoptimierung, d.h. Kostenminimierung für jedes Legierungselement
• Zugabe von C>2% sind nur in den steps 1, 2a, 2b gestattet
• Cr-Zugabe: in step 1 und 2a (50%), 2b (50%), Reduktion (Feineinstellung)
• Ni-Zugabe: in step 2c (90%), restliche Zugabe in step 3 (30%), step 4 (20%), Reduktion (20%)
• MN-Zugabe:  in step 2b (100% HCMn) oder    in step 2b (50%) und Rest mit SiMn in Reduktionsphasen (wenn verfügbar)
• Zum Masseaufbau wird eine zusätzliche neutrale Zugabe mit Abstichanalyse berechnet.

[0057] Eine Verschiebung des Zeitpunktes der Legierungsstoffzugabe zwischen den verschiedenen steps wird vorgenommen, um die gewünschte Temperatur einzuhalten.

[0058] Der logische Plan zur Legierungsberechnung ist aus Fig. 5 zu ersehen.

2. Kühlung

[0059] Für die Kühlung werden vordringlich FeNi oder Ni, Kalk und/oder Schrott verwendet.

Kalk/Dolo-Verbrauch

[0060] Der Gesamtverbrauch an Kalk und Dolo richtet sich nach dem Si-Eintrag und SiO₂ input während des gesamten Prozesses:

        SiO₂ (kg/t) = Σ SiO_2j (%) + j _Zugabe + 2,14 * (Σ Si% * j _Zugabe * + Si_Red)

[0061] Der logische Plan für die Berechnung des Kalk/Doloverbrauchs ist in Fig. 6 wiedergegeben.

[0062] Vorzugsweise werden für das Prozeßmodell folgende Modellfunktionen eingesetzt:

+ Badspiegelberechnung

+ Chargiermodell

+ Thermische Modellberechnung

+ Analyseberechnung

+ Stickstoff Modell

+ DeC-Modell

+ DeC-Modell (Feinabstimmung Abstich)

+ Reduktionsmodell

+ DeS-Modell

+ Neutrales Zuschlagstoff-Modell

+ Legierungsmodell

+ Abstich-Modell

+ Temperatur-Modell

+ T-Kontroll-Modellfunktion

+ Reblow-Modell

[0063] Die Ergebnisse der Modellberechnung werden kontinuierlich mit den Ist-Werten der Stahlschmelzetemperatur, Schlacketemperatur, Analyse der Stahlschmelze und der Abgasmessung verglichen.

Beispiel:

[0064] Anhand des nachstehenden Prozeßablaufes ist die Herstellung der Qualität AISI 304 ausgehend vom eingesetzten Rohstahl bis zum Fertigprodukt veranschaulicht. Die Fig. 7 und 8 zeigen den Verlauf der Temperaturänderung sowie den Verlauf der Änderung der chemischen Analyse (für C, Mn, Cr, Ni) bei diesem Prozeßablauf.

AOD - Prozeßmodell in Kombination mit einer kontinuierlichen Temperatur- und Analysemessung

Prozeßablauf für AISI 304:

[0065] 

1. Chargieren (keine Zugabe von Schlackenbildnem)

2. Temperaturmessung (manuell bzw. mit kontinuierlichem T-Meßsystem)

3. 1. Blasestufe mit Toplanze

4. während gesamter 1. Blasestufe kontinuierliche Messung der Temperatur und der Stahlbadanalyse

5. 2. Blasestufe bis 4. Blasestufe ohne Toplanze

6. während gesamter 2. Blasestufe bis 4. Blasestufe kontinuierliche Messung der Temperatur und der Stahlbadanalyse

7. 5. Blasestufe

8. während gesamter 5. Blasestufe kontinuierliche Messung der Temperatur und der Stahlbadanalyse

9. Reduktions.- und Entschwefelungsphase

10. während gesamter Reduktions- und Entschwefelungsphase kontinuierliche Messung der Temperatur und der Stahlbadanalyse

11. bei Erreichen der Zielanalyse und Zieltemp. Abstich mit eventueller Si-Feinkorrektur durch Legierungsmittelzugabe in die Pfanne während des Abstichs

Tabelle 1:

Blaseschema AISI 304
	O2-Lanze [Nm3/min]	O2-Düsen [Nm3/min]	N2-Lanze [Nm3/min]	Ar-Lanze [Nm3/min]	Zielgehalt C [%]	Zieltemperatur [°C]
Step 1	100	30	15	-	0,6	1710
Step 2	-	60	20	-	0,4	1740
Step 3	-	45	45	-	0,2	1760
Step 4	-	20	60	-	0,08	1750
Step 5	-	12	48	-	0,04	1750
Reduktion und Entschwefelung	-	-	-	45	-	1665

Carbon removal efficiency (CRE):

[0066] 

CRE step 1:

durchschnittlich 78%

CRE gesamt:

durchschnittlich 68%

1. Chargieren (step 1):

[0067] 

Einsatzgewicht:

Stahl 86,5 t
Schlacke: 0,6 t

Analyse
C	1,8
Si	0,14
Mn	0,59
P	0,023
S	0,024
Cr	19,03
Ni	7,14

Temperatur zur Zeit t=O:  1538°C
Medienverbräuche: siehe Tabelle 1

Zugabe:

Dolomit 1500 kg
Kalk 2000 kg
FeNi 1500 kg

Temperatur nach step 1: 1709°C
Behandlungszeit step 1: 11,25 Minuten

2. Entkohlungsstufe 2 (step 2)

[0068] 

Analyse nach step 1
C	0,507
Si	0,0
Mn	0,49
P	0,023
S	0,022
Cr	18,39
Ni	7,91

Medienverbrauche: siehe Tabelle 1

Zugaben:

Kalk 1000 kg
FeNi 1000 kg

Temperatur nach step 2: 1743°C
Behandlungszeit step 2: 4,83 Minuten

3. Entkohlungsstufe 3 (step 3)

[0069] 

Analyse nach step 2
C	0,347
Si	0
Mn	0,475
P	0,023
S	0,022
Cr	17,77
Ni	8,34

Medienverbräuche: siehe Tabelle 1

Zugabe:

Kalk 1500 kg

Temperatur nach step 3: 1760°C
Behandlungszeit step 3: 5,66 Minuten

4. Entkohlungstufe 4 (step 4)

[0070] 

Analyse nach step 3
C	0,199
Si	0
Mn	0,457
P	0,023
S	0,021
Cr	17,426
Ni	8,395

Medienverbräuche: siehe Tabelle 1

Zugabe:

Kalk 480 kg
Shredder 1000 kg

Temperatur nach step 4: 1749°C
Behandlungszeit step 4: 7, 92 Minuten

5. Entkohlungsstufe 5 (step 5)

[0071] 

Analyse nach step 4
C	0,119
Si	0
Mn	0,462
P	0,0238
S	0,0209
Cr	17,197
Ni	8,431

Medienverbräuche: siehe Tabelle 1
Zugabe:
Temperatur nach step 5: 1752°C
Behandlungszeit step 5: 16,08 Minuten

6. Reduktions- und Entschwefelungsphase

[0072] 

Analyse nach step 5
C	0,0397
Si	0
Mn	0,453
P	0,024
S	0,0208
Cr	16,853
Ni	8,479

Medienverbräuche: siehe Tabelle 1

Zugabe:

CaF2 710 kg
SiMn 900 kg
FeSi 1602 kg
Nimet 90 kg
Kühlmittel ss 500 kg

Temperatur nach Reduktions- und Entschwefelungsphase: 1660°C

7. Abstich

[0073] 

Analyse
C	0,0558
Si	0,5933
Mn	1,2516
P	0,0251
S	0,0003
Cr	18,485
Ni	8,0788

Abstichtemperatur 1660°C
Abstichgewicht: 90,5 t
Schlacke: 9,478 t

[0074] Die Kurvenverläufe der in den in Fig. 7 und 9 dargestellten Diagramme lassen erkennen, daß eine nahezu vollständige Übereinstimmung mit den Soll-Kurven herrscht. Dies bedeutet, daß der tatsächliche Prozeßablauf dem vorgegebenen idealen Prozeßablauf folgt und die Zielwerte mit nur geringen Abweichungen, die - so überhaupt vorhanden - nur durch Meßungenauigkeiten verursacht werden können. Ermöglicht ist dies durch den erfindungsgemäß vorgesehenen sofortigen Eingriff in das Prozeßgeschehen, sollten aufgrund der Meßergebnisse und der darauf aufbauenden Simulation, d.h. Vorrausrechnung der zu erwartenden Ergebnisse, Abweichungen von den Zielwerten zu erwarten sein.

[0075] Ergänzend dazu kommt noch der Lerneffekt für dieses dynamische Modell aufgrund bereits durchgeführter Prozeßabläufe.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Metallschmelze in einer hüttentechnischen Anlage, insbesondere zum Frischen einer Metallschmelze, vorzugsweise zum Herstellen von Stahl, wie z.B. von legiertem, rostfreiem Stahl oder Edelstahl, welches Verfahren auf einer nach einem Prozeßmodell ablaufenden und die hüttentechnische Anlage steuernden Rechentechnik fußt, wobei das Prozeßmodell das Verhalten für mindestens einen variablen Prozeßparameter zwischen einer Ist-Prozeßgröße, einer Stellgröße und einer Prozeßendgröße beschreibt, und das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

- mit dem Prozeßmodell wird mit zu einer bestimmten Zeit (t_i) erhobenen Daten einer Ist-Prozeßgröße, wie der Temperatur der Schmelze und/oder der chemischen Zusammensetzung der Schmelze, durch Simulation mit Rechentechnik unmittelbar zum Zeitpunkt der Erhebung der Ist-Prozeßgröße eine Prozeßgröße für einen späteren Zeitpunkt (t_i + dt), vorzugsweise eine Prozeßendgröße, ermittelt und

- bei Abweichungen der simulierten Prozeßgröße von einem gewünschten Soll-Wert werden mittels des Prozeßmodells mit Rechentechnik Korrekturmaßnahmen zur Änderung der Ist-Prozeßgröße errechnet und die Ist-Prozeßgröße entsprechend geändert,

- worauf zu einem späteren Zeitpunkt (t_i + dt) mit weiters erhobenen Daten der Ist-Prozeßgröße das Verfahren wiederholt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Prozeßmodells die zu einer bestimmten Zeit (t_i) erhobenen Daten einer Ist-Prozeßgröße auf Plausibilität überprüft werden und ausschließlich plausible Daten zur Simulation der Prozeßgröße zur Verfügung gestellt werden und daß nicht-plausible Daten verworfen werden, wobei im letzteren Fall die Simulation aufgrund der zuletzt bestimmten plausiblen Daten fortgesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Daten als plausibel zur Simulation der Prozeßgröße herangezogen werden, die innerhalb einer Bandbreite von ± 10%, vorzugsweise ± 5% eines Idealverlaufes des Herstellungsverfahrens, der auf Erfahrungswerten oder auf errechneten Werten beruht, liegen.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von einem als plausibel erkannten Wert, der jedoch von dem zuletzt gültigen Idealverlauf des Herstellungsprozesses abweicht, ein neuer Idealverlauf erstellt und dem weiteren Verfahren zugrunde gelegt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für jede variable Prozeßgröße ein eigenes Prozeßmodell-Modul Anwendung findet.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßmodell bzw. mindestens ein Modul des Prozeßmodells mit intelligenter Selbstoptimierung ausgestattet ist bzw. sind, z.B. unter Verwendung eines neuronalen Netzes.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest über einen Teil der Prozeßdauer die Zeitdifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Erhebungen einer Ist-Prozeßgröße sehr klein, vorzugsweise infinitesimal, ist.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Ist-Prozeßgrößen die chemische Zusammensetzung des Abgases und die chemische Zusammensetzung von chargiertem Material sowie gegebenenfalls die chemische Zusammensetzung der Schlacke erhoben werden.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß einstellbare Prozeßvariable, wie Fluß, Druck, Temperatur und Zusammensetzung von Gasen und/oder Mengen, Zusammensetzungen und Chargiergeschwindigkeiten von Zuschlagstoffen am Prozeßmodell optimiert werden.

Zeichnung