In der Stahlindustrie werden kontinuierliche Bandglühöfen zur Erwärmung von Stahlbändern eingesetzt, um gewünschte mechanische Eigenschaften des Materials zu erreichen. Dabei ist die Erwärmung des Bandes, bei der eine hohe Menge an Brennstoff verbraucht wird und deshalb einen kostenintensiven Prozessschritt darstellt, direkt mit der Produktqualität gekoppelt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf einer nichtlinearen Beobachter- und Regelungsstrategie eines Bandglühofens. Mithilfe dieser Regelungsstrategie soll die exakte Erwärmung des Bandes insbesondere auch im Übergangsbereich zwischen zwei zusammengeschweißten Bändern verbessert und somit die Produktqualität gesteigert und der Materialausschuss minimiert werden. Zudem soll der Energieverbrauch und die CO₂ -Emissionen minimiert und der Durchsatz maximiert werden. Es wird ein vollständiges und ein reduziertes mathematisches Modell basierend auf Bilanzgleichungen für Masse, Enthalpie und Wärme hergeleitet. Der Temperaturverlauf im Ofeninnenraum und die unzureichend bekannte Bandemissivität werden mittels eines Beobachters (Erweitertes Kalman Filter bzw. adaptiver Parameterschätzer) geschätzt. Das Regelungskonzept basiert auf einer hierarchischen Struktur mit einer aus vier Modulen bestehenden echtzeitfähigen optimierungsbasierten Temperaturregelung und unterlagerten Regelkreisen für die Brennstoff- und Brennluftmassenströme sowie für die Bandgeschwindigkeit. Zu den vier Modulen zählen eine statische Optimierung, ein Trajektoriengenerator für die Bandgeschwindigkeit, ein optimierungsbasierter Trajektorienplaner und eine nichtlineare modellprädiktive Regelung. Das Konzept wurde bereits erfolgreich an der Feuerverzinkungsanlage 3 der voestalpine Stahl GmbH implementiert und läuft gegenwärtig im Dauerbetrieb.
Aktualisiert: 2020-07-01
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In der Stahlindustrie werden Durchlaufglühöfen zur Wärmebehandlung von Bandprodukten verwendet. Die Wärmebehandlung verbraucht große Mengen an Energie, ist kostenintensiv und hat direkte Auswirkungen auf die Produktqualität. Um die hohen Anforderungen an die Qualität des Endprodukts zu erfüllen, muss jedes Band im Glühofen auf eine definierte Zieltemperatur erwärmt werden. Da es sich bei einem Glühofen um ein komplexes thermodynamisches Mehrgrößensystem mit vielfältigen Abhängigkeiten handelt, ist die Regelung der Bandtemperatur eine anspruchsvolle Aufgabe.
In dieser Arbeit wird ein modellprädiktives Regelungskonzept für die Bandtemperatur in einem kombiniert direkt- und indirekt-befeuerten Glühofen vorgestellt. Das Regelungskonzept bestimmt optimale Trajektorien für die Brennstoffzufuhr und die Bandgeschwindigkeit so, dass die Bandtemperatur auf die gewünschte Zieltemperatur geregelt wird. Darüber hinaus maximiert der Regler den Produktdurchsatz und minimiert den Energieverbrauch.
Die Leistungsfähigkeit des entwickelten modellbasierten Temperaturreglers wird in einer software-basierten Simulationsumgebung unter Verwendung von Prozessdaten der Pilotanlage nachgewiesen. In dieser Simulationsumgebung wird anstelle des realen Glühofens ein mit Messdaten validiertes Ofenmodell verwendet. Das Potential des Reglers zur Erhöhung der Regelungsgenauigkeit, zur Maximierung des Materialdurchsatzes und zur Minimierung des Energieverbrauchs wird schließlich anhand unterschiedlicher Kennzahlen einer Pilotanlage dargestellt.
Aktualisiert: 2021-12-20
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