TU Wien und voestalpine verbessern Stahlproduktion

Mit gewaltigen Kräften und extremen Temperaturen hat man es in der Stahlindustrie zu tun. Tonnenschwere Stahlbänder und mächtige Walzen müssen so gesteuert werden, dass die Dicke des Endprodukts auf Bruchteile eines Millimeters genau passt. Kein Mensch kann eine solche Stahlproduktionsanlage per Hand regeln.

Zuverlässig hohe Produktqualität und Genauigkeit ist nur möglich, wenn man den Produktionsablauf permanent mit Sensoren beobachtet, mit Hilfe mathematischer Modelle kontrolliert und in Echtzeit automatisch steuert. Solche Regelungssysteme werden am Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik (ACIN) der TU Wien entwickelt.

Gefördert vom Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft (BMWFW) wird nun am 9. Mai 2014 an der TU Wien in Zusammenarbeit mit der voestalpine Stahl GmbH ein neues Christian Doppler Labor für modellbasierte Prozessregelung in der Stahlindustrie eröffnet.

„Im internationalen Wettstreit der Ideen sind CD-Labors wichtiger denn je, weil sie neues Wissen marktfähig und somit für Unternehmen nutzbar machen. Das sichert Wachstum, Wettbewerbsfähigkeit und Arbeitsplätze am Standort Österreich“, unterstreicht Wissenschafts-, Forschungs- und Wirtschaftsminister Dr. Reinhold Mitterlehner die Bedeutung des Förderprogramms.

Ressourceneinsatz, Energiebedarf und CO2-Ausstoß minimieren

„In den letzten Jahren gab es bedeutende Fortschritte in der Regelungstheorie, viele der neuen Erkenntnisse wurden in der Stahlindustrie aber bisher noch nicht umgesetzt“, sagt Prof. Andreas Kugi, Vorstand des ACIN an der TU Wien und Leiter des neuen CD Labors. Das liegt einerseits an der Komplexität der Herstellungsprozesse, andererseits aber auch an den extremen Bedingungen in der Anlage: Hitze, Staub und Dampf, große Kräften und Vibrationen sowie starke elektromagnetische Felder erschweren dort oft den Einsatz von Sensoren und Aktuatoren.

Die voestalpine will nun mit Hilfe der TU Wien neue Erkenntnisse aus der Regelungstechnik nutzen: In dem neuen Christian Doppler Labor (CD-Labor) an der TU Wien wird das Team von Andreas Kugi in den nächsten Jahren basierend auf physikalischen Grundprinzipien die Arbeitsprozesse in der Warmbreitbandstraße und der Feuerverzinkungsanlage der voestalpine mathematisch beschreiben.

Was am Ende zählt, ist allerdings nicht eine physikalisch möglichst detaillierte Berechnung und Simulation des Prozesses. Entscheidend ist, ein mathematisches Modell zu finden, das den Prozess gut beschreibt und gleichzeitig einfach genug ist, um in Echtzeit zur Steuerung des Prozesses verwendet werden zu können. Eine Computersimulation, die die Kräfte oder den Temperaturverlauf nach stundenlanger Rechenarbeit hochpräzise berechnet, wäre nutzlos, wenn bereits innerhalb von Sekundenbruchteilen steuernd eingegriffen werden muss.

Walzen, verzinken, experimentieren

Eines der großen Themen, die im neuen CD Labor untersucht werden sollen, ist die Steuerung, Regelung, Diagnose und Prozessoptimierung von Warmbreitbandstraßen. Dort werden mit großen Walzen die Bleche auf die gewünschte Dicke ausgewalzt. Die Position der vielen verschiedenen Walzen, der Zug des Stahlbandes, die Temperatur – viele Parameter müssen dabei ständig aufeinander abgestimmt werden. „Beim Warmwalzen sind mehr als 50 Aktoren im Einsatz, die optimal miteinander interagieren müssen“, erklärt Prof. Andreas Kugi. Kräfte im Meganewton-Bereich treten hier auf, das entspricht der Gewichtskraft von hunderten Tonnen. Gleichzeitig muss mit einer Genauigkeit von Zehntelmillimetern gearbeitet werden.

Optimierungspotenzial gibt es auch bei der Feuerverzinkung: Das Stahlband wird in einem Bad mit flüssigem Zink überzogen, überschüssiges Zink wird mit einem hochpräzisen Druckluftstrahl entfernt. Dem Kunden wird eine Mindestdicke der Zink-Schicht garantiert – das Ziel ist diesen Wert möglichst genau zu erreichen. Eine unnötig dicke Zinkschicht kostet Geld und Ressourcen und belastet letztlich die Umwelt. „Wir glauben, dass man mit optimaler Steuerung rund 5% Zink sparen kann, das entspricht ca. einem halben Kilogramm Zink pro produziertem Auto“, meint Andreas Kugi. Wichtig dabei ist, dass das Stahlband im Bereich des Druckluftstrahls in genau der richtigen Position gehalten wird, also komplett eben ist und nicht vibriert.

Die TU Wien wird die voestalpine auch bei der Entwicklung von experimentellen Simulatoren unterstützen: Um bestimmte Prozesse noch besser zu verstehen, werden spezielle Geräte gebaut, in denen man verschiedene Produktionsparameter testen und so die Verfahren gezielt weiterentwickeln kann. Im CD Labor sollen die zugehörigen mathematischen Modelle und die dafür benötigten Steuerungen und Regelungen entwickelt werden.

Über Christian Doppler Labors:

In Christian Doppler Labors wird anwendungsorientierte Grundlagenforschung auf hohem Niveau betrieben, hervorragende WissenschafterInnen kooperieren dazu mit innovativen Unternehmen. Für die Förderung dieser Zusammenarbeit gilt die Christian Doppler Forschungsgesellschaft international als Best-Practice-Beispiel. Christian Doppler Labors werden von der öffentlichen Hand und den beteiligten Unternehmen gemeinsam finanziert, wichtigster öffentlicher Fördergeber ist das Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft (BMWFW).

Rückfragehinweis:
Prof. Andreas Kugi
Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik
Technische Universität Wien
Gußhausstr. 25-29, 1040 Wien
T: +43-1-58801-37614
andreas.kugi@tuwien.ac.at

http://www.tuwien.ac.at/dle/pr/aktuelles/downloads/2014/stahlproduktion/ weitere Fotos