Analytik in der Stahlindustrie

In diesem Artikel werden Anwendungsfälle von Advanced Analytics (z. B. maschinelles Lernen , mathematische Programmierung und Simulation) in der Wertschöpfungskette der Stahlproduktion beleuchtet. Stahlprodukte spielen eine wichtige Rolle in unserem täglichen Leben und reichen vom Immobilienbau über landwirtschaftliche Geräte, Automobilteile und -rahmen, Haushaltsgeräte bis hin zu Strukturbauteilen für die Luft- und Raumfahrt.

Stahlprodukte sind das Ergebnis einer langen und umfassenden Wertschöpfungskette, beginnend mit dem in Eisenerzminen geförderten Eisenerz. Die wesentlichen Schritte der Eisen-zu-Stahl-Wertschöpfungskette sind:

Herstellung von Eisenpellets
Roheisenproduktion
Stahlproduktion

In diesem Artikel konzentriere ich mich auf Flachstahlprodukte, also Stahlcoils, Spaltcoils oder Blechpakete zur Weiterverarbeitung z. B. in der Automobilindustrie. Flachstahlprodukt ist flachgewalzter Stahl. Flachstahlprodukte werden in Form von verpackten Coils, Spaltcoils oder Blechstapeln geliefert. Die Umwandlung vom Eisenerz zum fertigen Produkt (verpackte Spulen oder Spaltspulen) wird unten dargestellt.

Es gibt viele weitere Variationen der Stahlwertschöpfungskette und viele andere Arten von Stahlendprodukten.

Stahlwertschöpfungskette, vom Eisenerz bis zum Endprodukt

Wie bereits erwähnt, sind die wesentlichen Schritte des Herstellungsprozesses von Flachstahlprodukten das Pelletieren von Eisen, das Gießen von Roheisen und die Herstellung von Walzstahl. Diese Hauptschritte der Stahlwertschöpfungskette erfolgen nacheinander.

Magnetit-Pelletierungsprozess – vom Erz zum Pellet

Beim Eisenpelletisieren handelt es sich um den Prozess der Herstellung von Magnetitpellets aus Eisenerz. Der allgemeine Produktionsprozess ist unten dargestellt.

Das Eisenerz, beispielsweise in Form von Gesteinsschutt aus Sprengarbeiten, wird zunächst zerkleinert. Die Zerkleinerung erfolgt durch eine Reihe aufeinanderfolgender Zerkleinerungsmaschinen. Die Feinkörnigkeit nimmt mit jeder Zerkleinerungsstufe zu. Die maximale Gesteinsschuttgröße, die zur nächsten Zerkleinerungsstufe weitergeleitet werden darf, wird definiert, und der Schutt wird in einer bestimmten Stufe einem weiteren Zerkleinerungszyklus unterzogen, bis seine Gesteinsgröße unter der definierten maximal zulässigen Größe liegt.

Nach dem Zerkleinern zerkleinern Mühlen die Gesteinsgröße weiter. Der entstehende Schutt gelangt dann in einen Einstreu- und Mischhof, wo ein Einstreu- und Mischprozess stattfindet. Der Zweck besteht darin, gemischte Erzeigenschaften herzustellen. Gemischte Erze eignen sich besser für die Produktion, verbessern die Produktionseffizienz und senken die Produktionskosten. Ein weiteres Ziel des Mischprozesses besteht darin, bei der weiteren Erzverarbeitung und -veredelung eine gleichmäßige Qualität der Erzzuführung sicherzustellen. Dies trägt zu einer normalen, stabilen Produktion und einer gleichbleibenden Qualität bei.

Nach dem Einbetten und Mischen werden die Erztrümmer weiteren Mahlstufen unterzogen . Zwischen den einzelnen Mahlstufen werden Separatoren eingesetzt, die das zunehmend feinere, körnige Pulver durch seine magnetischen Eigenschaften filtern. Verunreinigungen und magnetischer Eisenerzgehalt werden auf diese Weise abgetrennt und die Reinheit erhöht sich somit nach jeder Stufe. Sobald das Mahlen abgeschlossen ist, wird die Pulvermischung schließlich zur Schaumflotation weitergeleitet . Dabei entfernt ein Gemisch aus Wasser, trennungsunterstützenden Chemikalien und Luftblasen Verunreinigungen wie Silikate aus dem entstehenden Schlamm. Gleichzeitig erhöht die magnetische Filterung und Trennung zwischen den Flotationsbädern die Reinheit Schritt für Schritt.

Das resultierende Magnetitschlammprodukt wird in Lagertanks gelagert und der Abfallschlamm wird aus dem System gepumpt, um ihn beispielsweise in Abraumhalden zu entsorgen. Größere Abfälle, wie beispielsweise grobkörniger Gesteinsschutt, werden mit LKWs, der Bahn oder per Lastkahn oder Schiff zu den Deponien transportiert.

Der in Lagertanks gelagerte wertvolle Magnetitschlamm wird nun zu Pellets verarbeitet. Zur Herstellung von Pellets aus getrocknetem Schlamm werden zunächst Erdungstrommeln , auch Pelletiertrommeln genannt , eingesetzt. Anschließend werden die Rohpellets vorgewärmt, gekocht und rotierend abgekühlt . Dies geschieht üblicherweise in einem Ofen .

Das Endprodukt dieses Prozesses ist das Magnetitpellet, das in geschlossenen Lagerbereichen gelagert und später per Bahn- oder Binnenschifffahrt transportiert wird.

Roheisenproduktion – vom Magnetitpellet bis zum Roheisenguss

Roheisen, auch Roheisenguss, Roheisen, Roheisen oder Schmiedeeisen genannt, wird aus Magnetitpellets hergestellt. Diese Rohform von Eisen wird zur Weiterverarbeitung zu Stahl und Stahllegierungen verwendet.

Roheisen hat einen hohen Kohlenstoffgehalt. Es wird aus Magnetitpellets hergestellt und dient als Zwischenprodukt für die Weiterverarbeitung in der Stahlindustrie. Es wird durch das Schmelzen von Magnetitpellets in einem Hochofen hergestellt, der mit Magnetitpellets (d. h. raffiniertem Eisenerz) und Koks (einer raffinierten Form von Kohle) beschickt wird. Das flüssige Eisen wird in Barren gegossen.

Roheisen hat einen Kohlenstoffgehalt von etwa 4 % oder mehr. Dadurch wird es sehr spröde. Da es spröde ist, sind seine Einsatzmöglichkeiten begrenzt und es wird hauptsächlich für die nachgelagerte Stahlherstellung hergestellt. Es wird auch zur Herstellung von Sphäroguss verwendet, der ebenfalls einen hohen Kohlenstoffgehalt aufweist, aber duktil und daher weniger spröde ist.

Stahlherstellung – vom Roheisen zum Flachstahlprodukt

Flachstahlprodukte werden in Form von Coils, Spaltbunden oder Blechpaketen verkauft. Die Produktion beginnt am Ofen, zB Elektrolichtbogenofen . Der allgemeine Produktionsprozess ist in der folgenden Abbildung zusammengefasst.

Verfahren zur Herstellung von Flachstahl

Der Ofen wird verwendet, um Stahlschrott oder Roheisenpellets in flüssige Form zu schmelzen. Abhängig von den gewünschten Materialeigenschaften werden weitere Legierungen hinzugefügt. Edelstahl enthält z. B. Chrom. Durch die Sauerstoffzufuhr wird der Kohlenstoffgehalt des flüssigen Stahls verringert, und Kalzium wird hinzugefügt, um Sulfide und Oxide zu entfernen.

Der flüssige Stahl wird dann in einen festen, aber noch sehr heißen Zustand gegossen, beispielsweise in einem kontinuierlichen Strahl, der dann in Brammen geschnitten wird. Je nach Produktionsprogramm werden die Brammen auf einem Brammenlager gelagert oder direkt dem Warmwalzen zugeführt. Das erste Szenario wird als Kaltladen bezeichnet, das zweite als direktes Heißladen. Die direkte Warmbeschickung ist von Vorteil, da sie das erneute Erhitzen der Brammen zum Warmwalzen überflüssig macht. Dies geschieht für kalte Brammen, die vom Brammenlager bezogen werden, und wird vor dem Warmwalzen in einem Aufwärmofen durchgeführt.

Das Warmwalzwerk walzt Brammen in der Dicke herunter. Während des Walzprozesses unterliegen die Walzen des Walzwerks einem starken Verschleiß. Üblicherweise werden Brammen dabei in einem sargförmigen Brammenwalzprogramm gewalzt. Hierbei werden zunächst Brammen mit geringer Breite gewalzt, wobei die Brammenbreite bis zu einem bestimmten Punkt von Bramme zu Bramme zunimmt. Danach nehmen die Plattenbreiten wieder ab. Dies geschieht nicht aus Gründen des Walzenverschleißes, da sich die Walzen erwärmen können (von geringeren zu größeren Brammenbreiten) und sich dann die Walzenwärme über einen bestimmten Punkt hinaus stabilisieren kann (verringernde Brammenbreiten). Aufgrund der starken Abnutzung werden die Walzen des Walzwerks dennoch häufig ausgetauscht. Diese Rollenwechsel müssen geplant werden und sind neben der direkten Heißbeladung ein wichtiger Hebel zur Zeitplanoptimierung.

Nach dem Warmwalzen wurde die Dicke der Brammen verringert und sie sind jetzt länger. Zu Beginn betrug ihre Temperatur etwa 2.000 °C. Die Abkühlung bei solchen Temperaturen ist schwer zu kontrollieren und erfolgt nicht gleichmäßig. Die Oberfläche warmgewalzter Coils ist daher rau. Die Formen sind abgerundet und nicht perfekt. Aus diesem Grund werden einige warmgewalzte Coils später z. B. in Beiz- , Sandstrahl-, Säurebad- und Schleifanlagen oberflächenbehandelt .

Warmgewalzter Stahl wird beispielsweise im Immobilienbau, bei landwirtschaftlichen Geräten, Metallgebäuden, Stanzteilen und Automobilrahmen verwendet. Aber auch andere Anwendungen erfordern zusätzliche Walzschritte, nämlich das Kaltwalzen.

Durch Kaltwalzen wird die Blechdicke weiter reduziert und die Oberflächenqualität sowie die Festigkeit des Stahls verbessert. Das Kaltwalzen erfolgt unterhalb der Rekristallisationstemperatur. Durch den Walzvorgang entstehen kleine Fehler und Brüche im Stahl und verändern dessen Struktur. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften des Stahls verbessert. Dadurch kann der Stahl auch weniger elastisch werden, was mit Glühprozessen behandelt werden kann, die eine Rekristallisation nach Kaltwalzläufen ermöglichen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dadurch härterer, festerer Stahl entsteht, der gleichzeitig flexibler und duktiler ist und eine glattere, gleichmäßigere und definiertere Oberfläche aufweist. Diese Art von Stahl wird beispielsweise in Metallmöbeln, Haushaltsgeräten und Automobilteilen verwendet.

Neben Kaltwalzwerken und Glühanlagen kann Stahl auch in Dreh- , Schleif- und Polieranlagen kaltbehandelt sowie beispielsweise besäumt und beschichtet werden. Anschließend wird es, wenn vom Kunden gewünscht, in Spaltrollen geschnitten und verpackt. Dies geschieht auf Schneide- und Verpackungslinien .

Analytik bei der Herstellung von Magnetitpellets

Simulation ist die wichtigste Analyseanwendung, die ich für die Herstellung von Magnetitpellets hervorheben möchte. Mittels Simulation werden Layout und Prozess bestehender oder geplanter Anlagen in einer virtuellen Umgebung modelliert. Modelle werden für Experimente eingesetzt – mit dem Ziel z. B. Proof of Concept, Variantenvergleich (z. B. Vergleich zweier Layoutvarianten), Engpasssuche oder Kapazitätsplanung. Ein ähnliches Beispiel für den Kohlebergbau wurde auf SCDA in einem anderen Blog veröffentlicht. Bitte beachten Sie den Link unten.

Link : Simulation für den Tagebau

Eine Simulation hat im Vergleich zur statischen Berechnung oder normbasierten Schätzungen mehrere Vorteile:

Eine Simulation berücksichtigt die Systemdynamik, also die tatsächliche Abfolge von Ereignissen in der Produktionsanlage, wie sie über die Zeit ablaufen.
Eine Simulation berücksichtigt Wechselwirkungen und gegenseitige Abhängigkeiten. Beispielsweise muss ein Kran auf LKWs warten, bevor er seine Ladung auf den LKW entladen kann.
Eine Simulation berücksichtigt tatsächliche Prozessmodelle und Zeitpläne, z. B. einige Prozesse laufen rund um die Uhr, während andere Prozesse in einem Ein- oder Zweischichtmodell laufen.
Eine Simulation berücksichtigt das stochastische Systemverhalten, während es sich entlang der Zeitachse entfaltet. Zum Beispiel Maschinenausfälle, Ausschussraten, schlechte Chargen, Abweichungen im Erzgehalt usw.

Sobald ein verifiziertes Simulationsmodell entwickelt und mit tatsächlichen oder angenommenen Daten kalibriert wurde, kann es zur Beantwortung folgender Fragen verwendet werden:

Reichen die vorgesehenen Kapazitäten für eine dynamische Produktionsabwicklung aus? Ist die Ressourcennutzung effizient und ausgewogen?
Ist der Mischplatz ausreichend groß?
Gibt es genügend Fahrzeuge für innerbetriebliche Transporte, z. B. zwischen Brechern und/oder Mühlen? Gibt es zu viele Fahrzeuge?
Gibt es genügend Wartungsressourceneinheiten, um die Produktionsstabilität unter Berücksichtigung von Mischungsproblemen und Abweichungen in der Erzqualität und im Erzgehalt sicherzustellen?

Ein weiteres gutes Beispiel für angewandte Analytik bei der Pelletierung von Magnetit ist die mathematische Programmierung . Es ist beispielsweise auf das Mischproblem im Mischhof anwendbar. Da der Hof feinkörnigen Erzschutt mit erhöhtem, aber variierendem Eisengehalt enthält, werden mathematische Programme angewendet. Bei diesen Programmen handelt es sich um Optimierungsmodelle, die auf die Optimierung eines oder mehrerer Ziele abzielen. Ein gemeinsames Ziel besteht darin, über einen längeren Zeitraum einen gleichmäßigen Eisengehalt aufrechtzuerhalten. Denn einheitliche Inhaltsstoffe senken die Produktionskosten und sorgen im weiteren Verlauf für eine gleichbleibende Qualität.

Produktion und Analytik von Flachstahl

Ein wichtiger analytischer Aspekt bei der Herstellung von Flachstahlprodukten ist die direkte Heißbeschickung . Durch die direkte Heißbeladung werden der Energieverbrauch und damit die variablen Produktionskosten gesenkt, was sich direkt auf die Betriebsmargen auswirkt. Allerdings wird nur ein Bruchteil der im Warmwalzwerk gewalzten Brammen direkt warmchargiert. Die Gründe hierfür liegen in verschiedenen betrieblichen Zwängen. Einige von ihnen sind:

Unterschiedliche Schichtmodelle im Warmwalzwerk und in den Gießereien
Unterschiedliche Spitzendurchsatzkapazitäten im Warmwalzwerk und in den Gießanlagen
Unerwartete Kundenaufträge, also Ad-hoc-Produktionsaufträge
Sargförmiges Walzprogramm in der Warmbandstraße
Kapazitätsengpässe nachgelagert, z. B. in Puffern, Kaltveredelungslinien oder anderen Nachbearbeitungslinien

Vor diesem Hintergrund werden verschiedene Terminprobleme beim Stahlwalzen gelöst. Zunächst muss ein Master-Produktionsplan erstellt und eingehalten werden. Es muss die Kundennachfrage mit der Brammenlagerkapazität (Kaltbeschickung) und den Produktionsplänen der Gießanlagen (direkte Warmbeschickung) in Einklang bringen. Darüber hinaus muss es auf alle nachgelagerten gekoppelten Prozesse abgestimmt sein. Zweitens muss eine kurzfristige Arbeitsabfolge für alle relevanten Einheiten etabliert und aufrechterhalten werden. Die Vorgehensweise hierfür ist komplex und abhängig vom Anbieter. Da die mathematische Planung sehr rechenintensiv ist, kann eine Mischung aus Optimierungsmodellierung und heuristischer, auf Simulationen basierender Planung angewendet werden.

Ein weiteres Problem, das mithilfe von Analysen angegangen wird, ist die Beschaffung der Brammen aus dem Brammenlager selbst. Basierend auf dem Produktionsplan des Warmwalzwerks müssen bestimmte, manchmal einzigartige Brammen just-in-sequence vom Brammenlager geliefert werden. Im Plattenhof werden Platten in hohen Stapeln gestapelt. Dies bedeutet, dass eine große Anzahl an Umstapelbewegungen von den Hofkränen durchgeführt werden muss. Diese Bewegungen sind unproduktive Bewegungen und haben erhebliche negative Auswirkungen auf den Hofdurchsatz. Daher wird mathematische Optimierungsmodellierung angewendet, um die Arbeitsabläufe der Hofkräne zu optimieren. Diese Modelle reduzieren die Anzahl unproduktiver Umstapelbewegungen und sorgen für eine Just-in-Sequenz-Lieferung der Brammen an das Warmwalzwerk.

Abschließende Bemerkungen zur Analytik in der Stahlproduktion

Im Rahmen dieses Artikels habe ich die folgenden Werkzeuge, Methoden und Techniken als Beispiele für „Analytik“ in der Erz- und Stahlproduktion betrachtet:

Ereignisdiskrete Simulation zur Materialfluss- und Prozesssimulation.
Mathematische Programmierung für z. B. Zeitplanung und Sequenzierung.

Ich habe Beispiele für solche Analyseanwendungen beim Pelletieren von Eisenerz und beim Walzen von Stahl bereitgestellt. Anwendungsbeispiele sind:

Mischen von Eisenerz in Mischanlagen für reduzierte Produktionskosten und einheitliche Inputqualität in der gesamten Stahlwertschöpfungskette.
Prozesssimulation bestehender Produktionsanlagen zur Erkennung von Engpässen in der Anlage, z. B. im internen Transportsystem, Verarbeitungskapazitäten etc.
Planung von Aufträgen zur Kostenreduzierung, Anlagenauslastung und/oder Reduzierung der Durchlaufzeit.

Es gibt andere Arten von Analysemethoden und -techniken, die auf die Eisenpellets- und Stahlproduktion angewendet werden können. Dazu gehören solche, die verallgemeinerbar sind und in nicht verwandten Branchen angewendet werden. Zum Beispiel Prognoseanwendungen für vorausschauende Wartung und geführte Bedarfsplanung. Oder Einschränkungsprogrammierung für die Schichtplanung für Arbeitskräfte und andere Arten gemeinsam genutzter Ressourcenpools. Stattdessen habe ich Beispiele hervorgehoben, die eher branchenspezifisch sind.

Wenn Sie daran interessiert sind, weitere Beispiele angewandter Analytik aus dem Bergbau, der Aluminiumwalzindustrie oder anderen Branchen zu lesen, dann sind die folgenden Artikel ein guter Ausgangspunkt für Sie: