Prozessoptimierung

Zur Optimierung von Einzelprozessen und Prozessketten entwickeln wir maßgeschneiderte Lösungen mit den Zielen einer verbesserten Produktqualität sowie einer gesteigerten Energie- und Ressourceneffizienz. Gleichzeitig sollen Produktionskosten gesenkt und Produktivität erhöht werden. Neben einer Verbesserung der Prozessfahrweisen, anlagentechnischen Maßnahmen inkl. der Verkürzung von Prozessketten sowie innovativen Automatisierungskonzepten trägt die Verbesserung von Prozesshilfsmitteln zu dieser Optimierung bei. Im Bereich der Stahlproduktion umfassen die Arbeiten die gesamte Prozesskette von der Roheisenerzeugung über die Umformprozesse bis hin zum fertigen Produkt.

Prozessführung und Verfahrenstechnik

Ein erster Schritt ist hier häufig eine kontinuierliche Datenerfassung, um auf dieser Basis die aktuelle Prozessfahrweise und deren Parameter zu ermitteln. Intensive Datenanalysen und ggfs. FEM-Simulationen der Prozesse unterstützen dann die Erstellung von Konzepten zur Optimierung der unterschiedlichen verfahrenstechnischen Bereiche wie der Roheisen- und Stahlerzeugung oder der Stahlumformung bzw. -veredelung.

Oberflächen

Oberflächen

Als ein Beispiel sei hier die gezielte Einstellung von Oberflächeneigenschaften an einem Produkt genannt (siehe Projekt Elotop). Die Werkstoffoberfläche kann mit Hilfe verschiedener mechanischer (Dressieren, Prägen) oder chemischer (Beizen, Beschichten) Veredelungsprozesse auf ein bestimmtes Anforderungsprofil hin angepasst werden. Arbeiten in Labor und Betriebsversuche werden durch Topographie- und Oberflächenmessungen unterstützt, mit denen die Werkstoffoberfläche erfasst wird. Die eingesetzten Methoden helfen, Prozessfehler im Walz- oder Beschichtungsprozess aufzuzeigen.

Anlagentechnik

FEM Simulation

FEM Simulation

Bei vielen Arbeiten steht die optimierte Nutzung / Instandhaltung von Anlagen oder Produktionsmitteln im Fokus. Durch Analyse und Bewertung einzelner Anlagenteile können diese auf die Anforderungen bei der Bearbeitung neuer innovativer Materialien angepasst werden. Des Weiteren werden Korrosion- und Verschleißmechanismen an den Anlagen und den Umformwerkzeugen analysiert, und mit zielgerichteten Maßnahmen minimiert. Hierbei kann beispielsweise eine FEM-Simulation der mechanischen und thermischen Einflüsse auf die Integrität der Arbeitswalzen helfen, Bereiche mit besonders hohen Belastungen zu identifizieren, zu quantifizieren und geeignete Maßnahmen wie z.B. Verschleißschutzbeschichtungen gezielt zu applizieren.

Andere Beispiele sind hier die Optimierung von Absaugeinrichtungen im Stahlwerk oder die Entwicklung der Formschlussbiegetechnik zur Ablösung des Streckbiegerichtens oder des Biegedressierens als Maßnahme zur Prozesskettenverkürzung im Walzwerk.

Unterdrückung der Staubbildung

Staubentwicklung während der LKW-Entladung

Staubentwicklung während der LKW-Entladung

Ein großer Teil der Staubbelastung bei der Eisen- und Stahlerzeugung ist auf den Transport und den Umschlag des in den Sinteranlagen eingesetzten und erzeugten Materials zurückzuführen. Daher befasst sich das BFI im Rahmen eines internationalen Forschungsvorhabens (siehe PreventSecDust) mit den Mechanismen der Staubentstehung sowie der Bewertung von vorhandenen und der Entwicklung neuartiger Methoden der Staubunterdrückung, z. B. durch Besprühen mit speziell entwickelten Bindemitteln

Automatisierung der Prozesse

Modellbasierte Prozessführung

Modellbasierte Prozessführung

Zur Prozessoptimierung werden modellbasierte Prozessführungs- und regelungskonzepte entwickelt und on-line implementiert. Dazu gehört zum einen die on-line Beobachtung des aktuellen Prozesszustands mit der Berechnung nicht kontinuierlich messbarer Prozessgrößen. Damit werden dem Bediener zusätzliche Informationen über den Behandlungsverlauf zur Verfügung gestellt. Weiterhin wird der Prozess über die Vorgabe von modellbasiert berechneten Sollwerten gesteuert bzw. geregelt (siehe BOFdePhos). Ziel ist dabei das reproduzierbare Erreichen der verfahrenstechnischen Ziele bei minimalem Verbrauch von Energie sowie Einsatzmaterialien und Ressourcen.

Lackschicht Regelung

Lackschicht Regelung

Im Downstream-Bereich liegt der Schwerpunkt bei innovativen, online-fähigen Regelungskonzepten auf der Basis neuster Erkenntnis der Systemtheorie. Beispiele sind hier die Kühlstreckenregelung im Warmwalzwerk, eine automatische Optimierung von Stichplan und Walzenballigkeiten beim Kaltwalzen, die integrierte Dicken- und Planheitsregelung an Sendzimir-Gerüsten oder eine Lackschichtdickenregelungen bei der Beschichtung von Stahlband.

Prozesshilfsmittel (Schmierstoffe, Beschichtungen etc.)

Der Einsatz verbesserter Prozesshilfsmittel kann einen erheblichen Beitrag zur Steigerung der Produktqualität, Verbesserung der Produktivität sowie zur Reduktion des Energiebedarfs leisten. So kann beispielsweise durch einen innovativen Schmier- und Kühlmitteleinsatz (siehe Projekt Rolloilfree) die benötigte Energie beim Umformen verringert und gleichzeitig die Produktqualität erhöht werden. Die Nutzung von Korrosions- und Verschleißschutzschichten (siehe HiPerScale, NanoZunKonLub) verringert den Ausschuss und ermöglicht eine Verlängerung der Wartungsintervalle. Zunächst wird im Labor eine Vorauswahl geeigneter Prozesshilfsmittel unter betriebsnahen Bedingungen getroffen, um anschließend deren Eignung im betrieblichen Einsatz zu demonstrieren.

Modelle

FEM-Simulation Hochofen Gestellverschleiß Modell

FEM-Simulation Hochofen Gestellverschleiß Modell

Eine wesentliche Grundlage für die Prozessoptimierung stellen die unterschiedlichsten Methoden zur mathematischen Modellierung von Prozessen und Anlagen dar: rigorose Modelle (auch als 1st principal models bezeichnet) z.B. auf der Basis gekoppelter Differentialgleichungen, Finite Elemente (FEM) und Finite Volumen Modelle (FVM) oder datenbasierte (z.B. statistische Modelle oder Deep Learning Verfahren) oder semantische Modellierungsverfahren. Für den jeweiligen Anwendungsfall wird das geeignete Verfahren oder Verfahrenskombinationen ausgewählt.

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