In der Stahlindustrie werden Durchlauföfen zur Erwärmung von Brammen (bis zu 40 Tonnen schwere Stahlblöcke) eingesetzt, ehe diese im nachfolgenden Walzprozess umgeformt werden. Während des energie- und kostenintensiven Erwärmprozesses werden die aneinandergereihten Brammen kontinuierlich durch den gas- oder ölbefeuerten Ofenraum befördert. Der Energieverbrauch eines Brammenwärmofens mittlerer Größe entspricht etwa dem Gesamtenergiebedarf einer Stadt mit 25000 Einwohnern. Die beim Walzen benötigte Materialtemperatur liegt zwischen 1050 und 1200 Grad Celsius und muss aus Qualitätsgründen bei der Erwärmung im Ofen möglichst exakt erreicht werden.
Kontinuierlicher Brammenwärmofen.
Die dem System zugeführte Wärmeenergie wird aus stöchiometrischen Rechnungen des Verbrennungsvorganges ermittelt. Die Wärmeübertragung in die Brammen erfolgt durch Konvektion und vor allem Wärmestrahlung. Basierend auf einer geometrischen Diskretisierung des Ofenraums werden Massen-, Energie- und Strahlungsbilanzen in mathematischen Modellen berücksichtigt. Es handelt sich um ein nichtlineares dynamisches System, das aufgrund der diskontinuierlichen Brammenbewegung schaltenden Charakter aufweist.
Eine heiße Bramme wird aus dem Ofen entnommen, Copyright: Dillinger Hüttenwerke AG.
Basierend auf den echtzeitfähigen mathematischen Modellen schätzen Zustandsbeobachter (z.B. Extended oder Unscented Kalman Filter) die nicht messbare Temperaturverteilung in den Brammen. Mit einem nichtlinearen modellprädiktiven Mehrgrößenregler werden über die Brennstoffzufuhr zu den Brennern die lokalen Ofentemperaturen so einstellt, dass die Temperaturen der Brammen den jeweiligen Produktanforderungen entsprechen und der Energieverbrauch minimiert wird. Eingangs- und Zustandsbeschränkungen sowie stark variierende Brammensolltemperaturen und Brammengeometrien erschweren die Regelungsaufgabe. Hinzu kommt, dass die Reihenfolge der Brammen und deren Drückzeitpunkte von vor- und nachgelagerten Prozessschritten diktiert werden.
Das entwickelte Regelungssystem wird mittlerweile an mehreren industriellen Brammenwärmöfen verwendet. Messungen mit instrumentierten Testbrammen haben gezeigt, dass eine hohe Erwärmgenauigkeit erreicht wird. Das System erzielt gegenüber üblichen Ofenregelungen erhebliche Energieeinsparungen und macht den Prozess durch reduzierten CO2-Ausstoß deutlich umweltfreundlicher.
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