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Ofenführungssystem für einen Drehherdofen

 

celano erhält den Auftrag zur Entwicklung und Installation eines Ofenführungsmodells für einen Drehherdofen bei den Deutschen Edelstahlwerken in Witten.

 

Das Ofenmodell celFcsRht der celano GmbH besteht aus den Komponenten

  • Parallelrechnung (Beobachter),
  • Prognose und der
  • Optimierung.


Die Parallelrechnung des Modells berechnet parallel zum Erwämungsprozess die aktuelle Materialtemperaturverteilung in den verschiedenen Querschnitten der Blöcke. Zur Bestimmung der Oberflähentemperaturen eines jeden Materials werden die unterschiedlichen Bilanzgleichungen der Wämeströme gelöst.

Für den vorliegenden Ofen sind dies:

  • kapazitive Wämeströme der Ofenatmosphäre
  • konvektive Wämeströme zwischen Ofenatmosphäre – Nutzgut und Ofenatmosphäre – Ofenwand
  • Verbrennungswärmestrom
  • Strahlungswärmestrom auf Grund der Gasstrahlung
  • Strahlungswärmestrom der Wand
  • Verlustwärmestrom durch die Ofenwand
  • Wärmeleitung in das Material

Bei der Berechnung werden in Abhängigkeit von der Temperatur

  • Stoffdaten des Heizgases
  • Stoffdaten des zu erwärmenden Materials
  • Stoffdaten der Ausmauerung
  • Stoffdaten des Kühhlmediums

berücksichtigt.

Die Temperaturberechnung erfolgt mit einem dreidimensionalen Ansatz.

Die Bestimmung der erforderlichen Ofenraumtemperaturen erfolgt über die Prognose und eine sich anschließende Optimierung.

Die Startwerte für die Prognose bilden der aktuelle Ofenzustand und die berechneten Materialtemperaturen aus der Parallelrechnung. Wird das Modell aufgeschaltet, berücksichtigt das Modell die Ausgangswerte und verändert diese kontinuierlich (stoßfreie Umschaltung). Um optimale Ofenraumtemperaturen zu bestimmen, werden verschiedene Ofensituationen simuliert. Der sich an die Simulation anschließende Optimierungsalgorithmus bewertet die Lösung der Simulationsrechnung und generiert weitere Ofensituationen unter Berücksichtigung der folgenden Randbedingungen:

  • maximale und minimale Ofenraumtemperatur in den verschiedenen Zonen
  • maximaler Aufheizgradient in jeder Zone (begrenzt durch die Ausmauerung)
  • maximale Oberflächen- und Kantentemperaturen

Die Optimierungsfunktionen sind dabei minimaler Energieverbrauch und das zu erreichende Materialtemperaturprofil (Ziehtemperatur und Temperaturabweichung) in den Blöcken. Mit dieser Art und Weise der Problemlösung steht ein flexibler Algorithmus zur Verfügung, der auf die unterschiedlichen Materialien und Abmessungen sowie auf unterschiedlichste Produktionsabläufe, wie Ziehtakte, Ziehtemperaturen und Stillstände reagieren kann.


Das oben beschriebene Optimierungsproblem ist so komplex, dass es mit einfachen, sequentiellen Programmiertechniken nicht mehr schnell genug lösbar ist. Um sicherzustellen, dass celFcsRht für die Onlineführung betrieben werden kann, sind alle 3 Programmmodule vollständig auf parallele Algorithmen umgestellt worden (C++ mit OpenMP Programmierschnittstelle für die Parallelisierung und 64 Bit Suse Linux Enterprise 11 Betriebssystem). Je nach Komplexität und Tiefe der Berechnung (Materialspiegelgröße) werden aktuelle Standard PC-Server eingesetzt, die als Mehrprozessorsysteme mit bis zu 16 Cores ausgelegt sind.