Wiskundige modellen sturen de hoogoven

In de hoogovens (Gentse site) zetten we ijzererts om in vloeibaar ruwijzer. Voor de sturing en optimalisatie van het hoogovenproces maken we gebruik van wiskundige modellen. Zo hebben we op ieder moment een beeld van het proces in de hoogoven en kunnen we bijsturen waar nodig.

Het mysterie van de hoogoven

Een hoogoven is een chemische reactor. De omzetting van ijzererts in vloeibaar ruwijzer gebeurt bij hoge temperaturen, onder hoge druk en in een omgeving met veel CO-gas. In de hoogoven zelf kunnen we daardoor maar weinig metingen uitvoeren. Daarom zijn we volledig aangewezen op wiskundige modellen.

Wiskundige modellen scheppen duidelijkheid

We gebruiken drie soorten modellen:

1. Modellen waarmee we op korte termijn de thermische toestand van de hoogoven opvolgen.
2. Modellen die een meer gedetailleerd beeld geven van het inwendige proces van de hoogoven, waardoor we de installatie op langere termijn optimaal kunnen laten werken.
3. Classificatiealgoritmes die ons helpen om de beschikbare metingen op te volgen en te interpreteren.

Modellen voor de thermische toestand

Voor een goede werking van de hoogoven, houden we de temperatuur van het ruwijzer constant. Dat lijkt eenvoudig te realiseren door de temperatuur te meten en de energietoevoer bij te sturen. Maar het hoogovenproces verloopt traag. Alleen al door de grote massa materiaal die moet worden verwarmd, kunnen er soms enkele uren verlopen tussen het opwarmen van de hoogoven en het moment waarop de gewenste ruwijzertemperatuur bereikt wordt.

Dankzij wiskundige modellen kunnen we die vertraging wegwerken. Aan de hand van de samenstelling van het gas dat de hoogoven bovenaan verlaat, kunnen we bijvoorbeeld de chemische reacties berekenen die op dat moment in de hoogoven plaatsvinden. En omdat elke reactie een bepaalde hoeveelheid energie verbruikt, kan de operator altijd de gepaste hoeveelheid energie toevoeren.

Modellen voor optimalisatie op langere termijn

Het is niet voldoende om de hoogoven thermisch onder controle te houden. Door de steeds veranderende omstandigheden (zoals schommelingen in de kwaliteit van de grondstoffen), moeten ook andere parameters geregeld worden aangepast om steeds het optimale werkingspunt te handhaven. Daarvoor gebruiken de procesingenieurs allerhande modellen. Zo beschikken ze over een thermisch–chemisch model van de hoogoven, dat de volledige gasstroming in de hoogoven en de belangrijkste reacties modelleert. Dat levert een vrij volledig beeld op van het inwendige van de hoogoven, enkel op basis van een aantal metingen aan de rand.

Classificatiealgoritmes voor de opvolging van metingen

In een aantal gevallen is het aantal beschikbare meetpunten zo groot, dat we modellen gebruiken om de metingen op te delen in klassen en op een eenvoudige manier voor te stellen. Een voorbeeld van een dergelijke techniek is de Self Organising Map, uit de wereld van de neurale netwerken. Die kan gebruikt worden om de evolutie van meerdimensionale metingen over een langere periode te volgen. Zo volgen we bijvoorbeeld de evolutie van het temperatuursprofiel van de hoogoven op.