Modellierung, Beobachterentwurf und Regelung von kontinuierlichen Brammenwärmöfen

Projektschwerpunkte

  • Modellbildung und Parameteridentifikation von kontinuierlichen Wärmöfen
  • Beobachterentwurf für nicht messbare Systemgrößen
  • Modellbasierte Regelung und Optimierung nichtlinearer dynamischer Systeme
  • Nichtlineare modellprädiktive Regelung von Produkttemperaturen

Beschreibung

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.

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.

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.

Ausgewählte Veröffentlichungen

  • A. Steinboeck and A. Kugi, Optimized pacing of continuous reheating furnaces, in Proceedings of European Control Conference ECC 2013, Zürich, Switzerland, 2013, p. 4454 – 4459.
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  • A. Steinboeck, D. Wild, and A. Kugi, Energy-Efficient Control of Continuous Reheating Furnaces, in Proceedings of 15th IFAC Symposium on Control, Optimization and Automation in Mining, Mineral & Metal Processing, San Diego, USA, 2013, p. 359 – 364.
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    doi = {10.3182/20130825-4-US-2038.00007},
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  • A. Steinboeck, D. Wild, and A. Kugi, Nonlinear model predictive control of a continuous slab reheating furnace, Control Engineering Practice, vol. 21, iss. 4, p. 495–508, 2013.
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    Doi = {10.1016/j.conengprac.2012.11.012},
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  • A. Steinboeck, D. Wild, and A. Kugi, Optimal Trajectory Planning and Control of a Continuous Slab Reheating Furnace, in Proceedings of the IFAC Workshop on Automation in the Mining, Mineral and Metal Industries, Gifu, Japan, 2012, p. 169 – 174.
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    pages = {169 -- 174},
    address = {Gifu, Japan},
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  • A. Steinboeck, K. Graichen, and A. Kugi, Dynamic Optimization of a Slab Reheating Furnace with consistent Approximation of Control Variables, IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 19, p. 1444–1456, 2011.
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    Title = {{Dynamic Optimization of a Slab Reheating Furnace with consistent Approximation of Control Variables}},
    Author = {A. Steinboeck and K. Graichen and A. Kugi},
    Journal = {IEEE Transactions on Control Systems Technology},
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    Volume = {19},
    Year = {2011},
    Doi = {10.1109/TCST.2010.2087379},
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  • A. Steinboeck, K. Graichen, D. Wild, T. Kiefer, and A. Kugi, Model-based trajectory planning, optimization, and open-loop control of a continuous slab reheating furnace, Journal of Process Control, vol. 21, iss. 2, p. 279–292, 2011.
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    Title = {Model-based trajectory planning, optimization, and open-loop control of a continuous slab reheating furnace},
    Author = {A. Steinboeck and K. Graichen and D. Wild and T. Kiefer and A. Kugi},
    Journal = {Journal of Process Control},
    Pages = {279--292},
    Volume = {21},
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    Doi = {10.1016/j.jprocont.2010.08.004},
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  • A. Steinboeck, D. Wild, and A. Kugi, Feedback Tracking Control of Continuous Reheating Furnances, in Proceedings of the 18th IFAC World Congress, Milano, Italia, 2011, p. 11744–11749.
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    booktitle = {Proceedings of the 18th IFAC World Congress},
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    doi = {10.3182/20110828-6-IT-1002.01639},
    address = {Milano, Italia},
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  • A. Steinboeck, D. Wild, T. Kiefer, and A. Kugi, A mathematical model of a slab reheating furnace with radiative heat transfer and non-participating gaseous media, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 53, pp. 5933-5946, 2010.
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    Title = {A mathematical model of a slab reheating furnace with radiative heat transfer and non-participating gaseous media},
    Author = {A. Steinboeck and D. Wild and T. Kiefer and A. Kugi},
    Journal = {International Journal of Heat and Mass Transfer},
    Pages = {5933-5946},
    Volume = {53},
    Year = {2010},
    Doi = {10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.07.029},
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  • D. Wild, T. Meurer, and A. Kugi, Modelling and Experimental Model Validation for a Pusher-type Reheating Furnace, Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems, vol. 15, iss. 3, p. 209–232, 2009.
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    Title = {Modelling and Experimental Model Validation for a Pusher-type Reheating Furnace},
    Author = {D. Wild and T. Meurer and A. Kugi},
    Journal = {Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems},
    Pages = {209--232},
    Volume = {15},
    Year = {2009},
    Number = {3},
    Doi = {10.1080/13873950902927683},
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Anwendungsbereiche

  • Walzwerksautomatisierung
  • Industrieöfen
  • Kontinuierliche Produktionsprozesse