Analyse i stålproduktionens værdikæde

Denne artikel fremhæver anvendelsesmuligheder for avanceret analyse (dvs. maskinlæring , matematisk programmering og simulering) i stålproduktionsværdikæden. Stålprodukter spiller en vigtig rolle i vores daglige liv, lige fra ejendomsbyggeri, landbrugsudstyr, bildele og stel, husholdningsapparater og også f.eks. strukturelle komponenter til luftfart.

Stålprodukter er resultatet af en lang og omfattende værdikæde, der starter med den jernmalm, der udvindes i jernmalmminer. De væsentlige trin i jern-til-stål værdikæden er:

Jernpilleproduktion
Råjernsproduktion
Stålproduktion

I denne artikel fokuserer jeg på flade stålprodukter, det vil sige stålspoler, spalteruller eller metalplader til videre forarbejdning i fx bilindustrien. Fladt stålprodukt er fladvalset stål. Flade stålprodukter sendes i form af emballerede spoler, spalte spoler eller metalplader. Omdannelsen fra jernmalm til færdigt produkt (pakkespiraler eller spaltespiraler) er illustreret nedenfor.

Der er mange andre variationer af stålværdikæden og mange andre typer færdige stålprodukter.

Stålværdikæde, fra jernmalm til slutprodukt

Som nævnt er de væsentlige trin i produktionsprocessen for flade stålprodukter jernpelletisering, råjernsstøbning og valset stålproduktion. Disse store trin i stålværdikæden finder sted sekventielt.

Magnetitpelletiseringsproces – fra malm til pellet

Jern pelletisering er processen med at producere magnetit pellets fra jernmalm. Den generelle produktionsproces er illustreret nedenfor.

Jernmalmen, fx i form af stenaffald fra sprængningsoperationer, gennemgår først knusning. Knusning udføres gennem en række sekventielle knusemaskiner. Fin granularitet øges mellem hvert knusningstrin. Den maksimale stenaffaldsstørrelse, der tillades at gå videre til det næste knusetrin, er defineret, og affald cykles i en anden knusningscyklus i et givet trin, indtil dets stenstørrelse er under den definerede maksimalt tilladte størrelse.

Efter knusning reducerer kværne stenstørrelsen yderligere . Det resulterende affald går derefter til en strøelse og blandingsgård, hvor en strøelse og blandingsproces finder sted. Formålet er at lave blandede malmejendomme. Blandede malme er mere bekvemme til produktion, hvilket forbedrer produktionseffektiviteten og reducerer produktionsomkostningerne. Et andet formål med blandingsprocessen er at sikre ensartet malmfoderkvalitet under yderligere malmforarbejdning og forædling. Dette bidrager til en normal, stabil produktion og en ensartet kvalitet.

Efter strøelse og blanding gennemgår malmaffald yderligere formalingstrin . Separatorer anvendes mellem hvert formalingstrin og filtrerer det stadigt finere granulære pulver ved dets magnetiske egenskaber. Urenheder og indhold af magnetisk jernmalm adskilles på denne måde, og renheden øges således efter hvert trin. Til sidst, når formalingen er afsluttet, sendes pulverblandingen til skumflotation . Her fjerner en blanding af vand, kemikalier, der hjælper adskillelsesprocesser, og luftbobler urenheder såsom silikater fra det resulterende slam. I mellemtiden øger magnetisk filtrering og adskillelse mellem flotationsbad renheden trin for trin.

Det resulterende magnetitslamprodukt opbevares i lagertanke , og affaldsslam pumpes ud af systemet til affaldshåndtering i f.eks. tailings. Større affald, såsom groft granulært stenaffald, transporteres til bortskaffelsespladser med lastbiler, jernbaner eller med pram- eller bådtransport.

Det værdifulde magnetitslam, der opbevares i lagertanke, forarbejdes nu til pellets. For det første bruges jordingstromler , også kaldet pelleteringstromler , til at fremstille pellets fra tørret slam. De rå pellets gennemgår derefter forvarmning, kogning og roterende køling . Dette gøres normalt i en ovn .

Slutproduktet af denne proces er magnetitpillen, som opbevares i lukkede lagerområder og senere transporteres med jernbane eller pramtransport.

Råjernsproduktion – fra magnetitpiller til råjernstøbt

Råjern, også kaldet råjernstøbning, råjern, råjern eller smedejern, fremstilles af magnetitpiller. Denne rå form for jern bruges til videre forarbejdning til stål og stållegeringer.

Råjern har et højt kulstofindhold. Det er fremstillet af magnetitpiller og fungerer som mellemvare til videre forarbejdning i stålindustrien. Det fremstilles ved at smelte magnetitpiller i en højovn, som tilføres magnetitpiller (dvs. raffineret jernmalm) og koks (en raffineret form for kul). Det flydende jern støbes til barrer.

Råjern har et kulstofindhold på et sted omkring eller over 4%. Dette gør den meget skør. Da det er skørt, er dets anvendelsesmuligheder begrænset, og det produceres hovedsageligt til nedstrøms stålfremstilling. Det bruges også til sejjernsproduktion, som også har et højt kulstofindhold, men er sejt og dermed mindre skørt.

Stålfremstilling – fra råjern til fladt stålprodukt

Flade stålprodukter sælges i form af spoler, spaltede spoler eller plader. Produktionen starter ved ovnen, fx lysbueovn . Den generelle produktionsproces er opsummeret i nedenstående illustration.

Ovnen bruges til at smelte skrotstål eller råjernpiller til flydende form. Afhængigt af de ønskede materialeegenskaber tilføjes yderligere legeringer. Rustfrit stål indeholder f.eks. krom. Iltforsyning reducerer kulstofindholdet i det flydende stål, og calcium tilsættes for at fjerne sulfider og oxider.

Det flydende stål støbes derefter til fast, men stadig meget varm tilstand, f.eks. i en kontinuerlig strøm, der derefter skæres til plader. Afhængigt af produktionsprogrammet opbevares plader i en pladergård eller videresendes direkte til varmvalsning. Det første scenario kaldes kold opladning, og sidstnævnte kaldes direkte varm opladning. Direkte varmopladning er fordelagtig, da det eliminerer behovet for genopvarmning af plader til varmvalsning. Dette gøres for kolde plader, der hentes i pladergården, og udføres i en genopvarmningsovn forud for varmvalsningsprocessen.

Varmvalseværket ruller plader ned i tykkelse. Under hele valseprocessen oplever valseværkets valser kraftigt slid. Normalt rulles plader således i et kisteformet pladerulningsprogram. Her rulles plader med små bredder først, og pladebredden øges plade for plade indtil et vist punkt. Derefter falder pladebredderne igen. Dette skyldes rulleslid, hvilket gør det muligt for rullerne at varme op (lavere til højere pladebredder) og derefter stabilisere rullevarmen ud over et bestemt punkt (faldende pladebredder). På grund af den store slitage udskiftes valseværket dog hyppigt. Disse rulleskift skal planlægges og er et vigtigt håndtag til optimering af tidsplanen sammen med direkte varm opladning.

Efter varmvalsning er pladerne blevet reduceret i tykkelse og er nu længere. I begyndelsen var deres temperatur omkring 2.000C. Afkøling fra sådanne temperaturer er vanskelig at kontrollere og er ikke ensartet. Overfladen af varmvalsede bredbånd er således ru. Formerne er afrundede og ikke perfekte. Det er grunden til, at nogle varmvalsede bredbånd senere bliver overfladebehandlet i bejdsnings- , sandblæsnings-, syrebadnings- og slibelinjer .

Varmvalset stål anvendes f.eks. i bygge- og anlægsarbejder, landbrugsudstyr, metalbygninger, udstansninger og bilrammer. Men andre anvendelser kræver yderligere valsetrin, nemlig koldvalsning.

Koldvalsning reducerer pladetykkelsen yderligere og forbedrer overfladekvaliteten samt stålets styrke. Koldvalsning udføres under omkrystallisationstemperatur. Valseprocessen skaber små fejl og brud i stålet, og ændrer dets struktur. Dette forbedrer stålets mekaniske egenskaber. Det kan også gøre stålet mindre elastisk, hvilket kan behandles med udglødningsprocesser, der giver mulighed for omkrystallisation efter koldvalsning. Sammenfattende skaber dette hårdere, stærkere stål, der også er mere fleksibelt og duktilt og har en glattere, mere jævn og mere defineret overflade. Denne type stål bruges f.eks. i metalmøbler, husholdningsapparater og autodele.

Udover koldvalseværker og udglødningslinjer kan stål koldbehandles i dreje- , slibe- og polerlinjer , ligesom det fx kan trimmes og coates. Til sidst bliver det så, hvis det kræves af kunden, skåret i slidsspoler og pakket. Dette gøres på skære- og pakkelinjer .

Analyse i produktion af magnetitpiller

Simulering er den vigtigste analyseapplikation, som jeg vil påpege til produktion af magnetitpellets. Ved hjælp af simulering modelleres layoutet og processen af eksisterende eller planlagte faciliteter i et virtuelt miljø. Modeller bruges til eksperimenter – med henblik på fx proof of concept, variantsammenligning (f.eks. sammenligning af to layoutvarianter mod hinanden), flaskehalssøgning eller kapacitetsplanlægning. Et lignende eksempel for kulminedrift er blevet delt på SCDA i en anden blog. Se venligst linket nedenfor.

Link : Simulering for åbne minedrift

En simulering har flere fordele sammenlignet med statiske beregninger eller normbaserede estimeringer:

En simulering tager udgangspunkt i systemdynamikken, dvs. den faktiske kæde af hændelser i produktionsanlægget, som de opstår over tid.
En simulering tager hensyn til interaktioner og indbyrdes afhængigheder. F.eks. skal en kran vente på lastbiler, før den kan læsse sin last over på lastbilen.
En simulering tager højde for faktiske procesmodeller og tidsplaner, f.eks. fungerer nogle processer døgnet rundt, mens andre processer opererer i en enkelt- eller dobbeltskiftsmodel.
En simulering tager højde for stokastisk systemadfærd, som den udfolder sig langs tidslinjen. For eksempel maskinfejl, skrotrater, dårlige partier, afvigelser i malmindhold osv.

Når først en verificeret simuleringsmodel er blevet udviklet og kalibreret med faktiske eller formodede data, kan den bruges til at besvare spørgsmål som følger:

Er de tilsigtede kapaciteter tilstrækkelige til dynamisk produktionsudførelse? Er ressourceudnyttelsen effektiv og velafbalanceret?
Er blandingsgården tilstrækkelig stor?
Er der køretøjer nok til interne transporter, fx mellem knusere og/eller kværne? Er der for mange køretøjer?
Er der nok vedligeholdelsesressourceenheder til at sikre produktionsstabilitet i betragtning af blandingsproblemer og afvigelser i malmkvalitet og indhold?

Et andet godt eksempel på anvendt analyse i magnetitpelletisering er matematisk programmering . Den er f.eks. anvendelig til blandingsproblemet i blandegården. Da gården indeholder fint granulært malmaffald med øget, men varierende jernindhold, anvendes matematiske programmer. Disse programmer er optimeringsmodeller, der har til formål at optimere et eller flere mål. Et fælles mål er at opretholde ensartet jernindhold over tid. Dette skyldes, at ensartede indhold reducerer produktionsomkostningerne og sikrer ensartet kvalitet længere nede i kæden.

Fladt produkt stålproduktion og analyse

Et vigtigt analytisk aspekt i produktion af flade stålprodukter er direkte varm opladning . Direkte varm opladning reducerer energiforbruget og dermed de variable produktionsomkostninger, hvilket direkte øger driftsmarginerne. Det er dog kun en brøkdel af plader, der valses i varmvalseværket, der er direkte varmladning. Årsagerne til dette er forskellige operationelle begrænsninger. Nogle af dem er:

Forskellige skiftemodeller på varmtvalseværket og støbejern
Forskellige spidskapaciteter ved varmtvalseværk og støbemaskiner
Uventede kundeordrer, altså ad hoc produktionsordrer
Kisteformet valseprogram ved varmbåndsmølle
Kapacitetsbegrænsninger nedstrøms, f.eks. i buffere, koldbearbejdningslinjer eller andre efterbehandlingslinjer

I betragtning af alt dette løses forskellige planlægningsproblemer i stålvalsning. Først skal der etableres og vedligeholdes en masterproduktionsplan. Den skal tilpasse kundernes efterspørgsel med pladeværftskapacitet (kold opladning) og caster-produktionsplaner (direkte varm opladning). Ydermere skal den afstemmes med alle koblede processer nedstrøms. For det andet skal der etableres og vedligeholdes kortsigtet jobrækkefølge for alle relevante enheder. Tilgangen til dette er kompleks og afhænger af udbyderen. En blanding af optimeringsmodellering og heuristisk simulationsbaseret planlægning kan anvendes, da matematisk planlægning er meget beregningstung.

Et andet problem, som man griber an ved hjælp af analyser, er pladeindkøb fra selve pladeværftet . Baseret på produktionsplanen for varmtvalseværket skal specifikke, nogle gange unikke, plader leveres af pladerværftet lige i rækkefølge. I pladegården stables plader i høje stakke. Det betyder, at en stor mængde af stablebevægelser skal udføres af gårdkranerne. Disse bevægelser er uproduktive bevægelser og har betydelig, negativ indvirkning på gårdens gennemløb. Matematisk optimeringsmodellering anvendes således til at optimere jobsekvenser udført af gårdkranerne. Disse modeller reducerer mængden af uproduktive genstablingsbevægelser og sikrer lige-i-sekvens levering af plader til varmvalseværket.

Afsluttende bemærkninger om analyser i stålproduktion

I denne artikels omfang betragtede jeg følgende værktøjer, metoder og teknikker som eksempler på “analyse” i malm- og stålproduktion:

Diskret hændelsessimulering til materialeflow og processimulering.
Matematisk programmering til fx planlægning og sekventering.

Jeg gav eksempler på sådanne analyseanvendelser inden for pelletering af jernmalm og stålvalsning. Anvendelseseksempler omfatter:

Blanding af jernmalm i blendergårde for reducerede produktionsomkostninger og ensartet inputkvalitet i hele stålværdikæden.
Processimulering af eksisterende produktionsfaciliteter for at opdage flaskehalse i anlægget, fx i internt transportsystem, forarbejdningskapacitet mv.
Planlægning af job til omkostningsreduktion, facilitetsudnyttelse og/eller reduktion af leveringstid.

Der er andre typer analysemetoder og -teknikker, der kan anvendes til jernpellet- og stålproduktion. Dette omfatter sådanne, der kan generaliseres og anvendes i ikke-relaterede industrier. For eksempel prognoseapplikationer til forudsigelig vedligeholdelse og guidet behovsplanlægning. Eller begrænsningsprogrammering til vagtplanlægning for arbejdsstyrker og andre typer af delte ressourcepuljer. Jeg fremhævede i stedet eksempler, der er mere branchespecifikke.

Hvis du er interesseret i at læse flere eksempler på anvendt analyse, i minedrift, aluminiumvalsning eller andre industrier, så er følgende artikler et godt sted for dig at starte: