Simuleringsprogram säkrar kvaliteten vid stålproduktion

Genom ett simuleringsprogram som tagits fram av forskare på MAI och SSAB kan stål med hög kvalitet produceras . Programmet ser till att de järnframställningsskänkar som används under produktionen, har rätt temperatur vilket påverkar stålets kvalitet.
Termisk övervakning av järnframställningskänkar under produktion är viktig då den energi som lagras i skänken påverkar det smälta stålet. En kall skänk tar en del värmeenergi från det smälta stålet under perioden mellan tappning och gjutning. Samtidigt ökar temperaturen i stålet i gjutningsfasen, vilket har en direkt inverkan på kvaliteten på den slutliga produkten. Det är därför viktigt att ha god kontroll över temperaturen i produktionsprocessen. 

Samarbete mellan MAI och SSAB

Tidigare i ett gemensamt projekt mellan Fredrik Berntsson och Patrik Wikström (SSAB), har en matematisk modell för värmeöverföringen i en standardiserad skänk utvecklats. Den matematiska modellen har implementerats som en simuleringskod som gör det möjligt att beräkna det termiska tillståndet i skänken under produktionen. Inmatningen till modellen kommer från SSAB:s produktionsövervakningssystem, det vill säga den tid som skänken tillbringar i olika konfigurationer. Simuleringsprogrammet har körts på SSAB, Luleå, sedan senhösten 2021.

Vissa fysiska parametrar svåra att uppskatta

Ett problem under utvecklingen av modellen var att vissa fysiska parametrar i modellen är svåra att uppskatta, bland annat exakta värmeledningsförmågan hos vissa använda material och ett par värmeöverföringskoefficienter. För att verifiera modellens noggrannhet har en särskild skänk förberetts. Testskänken har flera termoelement inbyggda. Bilden nedan visar hur en av termoelementen sätts in i skänken. Vi ser också testskänken i slutet av en gjutningscykel. Skänken byggdes under våren 2022 och temperaturdata samlades in under flera produktionscykler. Totalt sett har temperaturmätningar gjorts under lite mer än nio dagar fram till skänken togs ur produktion för att byggas om.

Gjutning av termoelement som används vid produktion av stål.

Mätningar används för att verifiera modellen

I det aktuella projektet har mätningarna använts för att verifiera modellens noggrannhet. Vi har också försökt hitta optimala parametrar, som passar data i minsta kvadraters mening, genom att implementera en Gauss-Newton typ av algoritm. Resultaten från parameteranpassningen visar att att de flesta fysiska parametrarna i modellen för skänken i huvudsak var korrekta. En typ av isoleringsmaterial hade dock en helt felaktig värmeledningsförmåga. Med vissa av de fysiska parametrarna justerade, förutsäger  simuleringsprogramvaran de korrekta temperaturerna.  På bilden nedan ser vi både de uppmätta och simulerade temperaturerna i skänkens vägg under 172-180 timmar från det att skänken först sattes in i ugnen (svart=mätning och blå=simulering). Termoelementet var placerad cirka 10 cm från det inre där det smälta stålet hålls. Observera att den enda indata till simuleringskoden är produktionssystemet som registrerar skänkens konfiguration, till exempel tomt, fullt, med eller utan utan lock och så vidare var femte minut.

Simulation versus data.

Använda simuleringen i produktionsplaneringen

Eftersom simuleringsprogrammet kan förutsäga ett framtida termiskt tillstånd för skänken, inklusive temperaturen på det smälta stålet, kan vi i nästa steg mer aktivt använda simuleringsresultaten i produktionsplaneringen. Tanken är att välja stålets temperatur under tappningsfasen på ett sådant sätt att den önskade temperaturen uppnås under gjutningsfasen, med tanke på det aktuella tillståndet i skänken och den detaljerade tidsplanen för nästa produktionscykel.

Fabrik som producerar stål.

Kontakt Visa/dölj innehåll

Organisation Visa/dölj innehåll