Projekt. Avslutat. Avdelning/Institution FoU

Forskningsprogram 30117-1 Ugnsstyrning och överordnad processanalys Total kostnad 3 4 400 000 kr Universitet/Högskola/Företag Jernkontoret Projekt Tidplan, förväntade delrapporter Avslutat 2011-06-30 Adress Box 1721, 111 87 STOCKHOLM Avslutat Avdelning/Institution FoU Fullständigt namn och E-post till forskningsledare/kontaktperson Alena Nordqvist ; alena.nordqvist@jernkontoret.se Slutrapport, namn och förlag Ugnsstyrning och överordnad processanalys, Slutrapport T051-45 Pågående Sammanfattning Uppnådda huvudresultat Projektets övergripande mål var att minska energianvändningen vid varm- och kallbearbetning genom förbättrad ugnsstyrning och överordnad processanalys bestående av 5 delområden: Användarvänlighet i STEELTEMP 2D FOCS uppgradering till STEELTEMP 2D Styrning av satsvisa ugnar Överordnad processanalys Multivariat styrning Användarvänlighet i STEELTEMP 2D Denna deluppgift innefattar vidareutveckling av användarvänligheten i STEELTEMP 2D. Användargränssnittet uppfattas ofta som svårhanterat och inriktingen inom denna uppgift var att nå ett enklare och mer intuitivt gränssnitt. Tydligare felutskrifter har åstadkommits både i STEELTEMP 2D och i FOCS-systemet. Denna förbättring skall medföra ytterligare ökning av programmets användning och spridning av uppnådda forskningsresultat inom industrin. De huvudsakliga resultaten inom detta området är tvåfaldigt. För att möjliggöra optimal värmning av ett ämne på dess väg genom omvärmningsugnen krävs en ideal uppvärmningskurva. Den ideala kurvan bestäms normalt vid intrimningen av FOCS-systemet, baserat på tidigare erfarenhet. Genom att på ett optimalt sätt ta fram nya måltemperaturer och tillhörande värmningskurvor erhålls en effektivare värmning sett ur ett energiförbrukningsperspektiv. Ett verktyg för framtagning av framkopplingsbörvärden och ideala värmningskurvor är framtaget i syfte att optimera värmningen i valsverkens omvärmningsugnar. Verktyget har inom projektet designats och implementerats i indatageneratorn STEELGEN 2D. Funktionaliteten finns i den enkla värmningsmodellen och ger möjlighet för användaren att ta fram optimala måltemperaturer och värmningskurvor. Metoden har tillämpats vid försöksverk SSAB:s bandverksugn 302. De nya framkopplingsbörvärdena och ideala kurvor har inom projektet inte implementerats i realtidssystemet FOCS av säkerhets- och kvalitetsskäl. Främst är det SSAB:s

höghållfasta material som befaras påverkas negativt kvalitetsmässigt genom förändring av befintliga inställningar. I en tidigare version av FOCS-RF används fasta värden på rökgassammansättningen i ugnens olika zoner vid beräkningen av gas- och väggstrålningen till ämnena i ugnen. Rökgassammansättningen väljs med hänsyn till bränslets kemiska analys, luftbränslekvot och syrgasberikningen. I ett fall då syrgasberikningen varieras beroende på produktionstakten i ugnen kommer rökgassammansättningen att variera kraftigt. I detta fall måste rökgasflödet i varje zon räknas ut. I den nya versionen av FOCS-RF beräknas rökgasflödet i varje zon utifrån bränslets kemiska analys, flöden av fyra olika bränslen, förbränningsluften och syrgasen till ugnens reglerzoner. Först beräknas rökgasflödet i utjämningszonen och sedan adderas successivt flödet från de andra zonerna fram till avgasavdraget i ugnens inmatningsända. Den nya funktionaliteten för beräkningar av rökgassammansättning är införd i FOCS-RF inom Prevas uppgradering av SSAB:s FOCS-system. Temperaturberäkningarna har inom projektet kvalitetssäkrats mot fiktiva lådprov i simuleringsmiljö. I samband med installation av nya styrsystemet vid SSAB har ett antal kvalitetssäkringar gjorts för båda ugnarna 301 och 302. Lådprov har även utförts med syrgasberikning för kalibrering av beräkningsprogrammet. Rökgassammansättningsberäkningarna är testade i normal drift och infördes on-line i och med driftsättningen av det nya FOCS-systemet. Potentiellt har noggrannare specificering av randvillkor en stor möjlighet att i slutändan spara energi av storleksordningen som angetts (1 %). För att användaren själv skall kunna uppdatera ovan beskrivna processnära ändringar och införa andra sådana ändringar i FOCS-RF samt i STEELTEMP 2D och kunna kvalitetssäkra dessa ändringar med detta program har användargenererad kod införts för randvillkor med hjälp av DLL:er i STEELTEMP 2D. FOCS-RF uppgradering till STEELTEMP 2D I ugnsstyrsystemet FOCS-RF har en ny värmningsmodell framtagits, baserad på STEELTEMP 2D, som kan hantera alla förekommande värmningsfall i valsverkens omvärmningsugnar för billets, blooms, slabs och rundämnen. Detta minskar kostnaderna för kalibrering av värmningsmodellen och kostnaderna för underhåll av systemet. För att beskriva inverkan av värmeöverföringen till ämnet av det på ämnets yta bildade glödskalet, införes en yttre växande region med glödskal på ämnets yta. Den nya värmningsmodellen är kvalitetssäkrad mot STEELTEMP 2D vid stationär simulering av värmningsförlopp i trådverksugnen vid Ovako Wire Oy AB, Dalsbruk. Med hjälp av fortsatta lådprov har kalibrering av den nya värmningsmodellen utförts. Under 2008/2009 uppgraderades Ovako Dalsbruks FOCS-RF system med den 2-dimensionella beräkningskärnan, framtagen inom projektet. Härvid gjordes en första intrimning av ideala kurvor, utjämningskrav och dragningstemperatur. Det visade sig att ämnena värmdes onödigt varmt, och ett intrimningsarbete, vilket inte ännu är helt klart, påbörjades. Det tar tid att optimera för en låg bränsleförbrukning eftersom man inte vill riskera negativa kvalitetsavvikelser och måste därför gå varsamt fram. Bränsleförbrukningen har minskat med 1-3 kg olja/ton, vilket motsvarar en minskning med 3 9 %. Egentligen är minskning än större då Ovako Dalsbruk har ökat andelen högkolhaltigt stål mot tidigare. Högkolhaltigt stål måste värmas för högre valsningstemperatur och därmed används fler brännare i de tidigare zonerna, vilket medför en ökad bränsleförbrukning. FOCS har hjälpt Ovako att hålla kontinuerlig produktion också med högkolhaltigt stål. Före FOCS krävdes pauser då och då för påvärmning. Nu kan produktionen vara igång hela tiden utan uppvärmningspauser. Även en kvalitetsförbättring i slutprodukten kan ses efter FOCS-system installerades, speciellt i de mera krävande högkolhaltiga stålen. Styrning av satsvisa ugnar Styrning av satsugnar sker många gånger utan egentlig kunskap om götens/slabsens/plåtarnas temperatur. Tabellstyrning förekommer ibland. Dessa begränsningar har överbryggats genom att vidareutveckla koden i STEELTEMP 2D och införa chargering och värmning av göt i olika

konfigurationer. Ett nytt ugnsstyrsystem, FOCS-PF (Pit Furnace), med en värmningsmodell, baserad på STEELTEMP 2D, har framtagits, som kan hantera värmning av fyra eller sex göt stående i två rader mitt emot varandra i en gropugn. Detta leder till en bättre prediktion av värmningstiden, noggrannare dragningstemperaturer på göten och möjlighet att styra värmningen under iakttagande av restriktioner på temperaturgradienter och yttemperaturer, vilket leder till bättre värmningskvalité, produktivitet och en lägre energiförbrukning. En ny version av FOCS-PF har framtagits för simulering av värmning av ämnen i gropugn #2 och #3 vid Outokumpu Stainless AB, Degerfors. Värmningsmodellen har kvalitetssäkrats mot fiktiva lådprov utförda i maj och juni 2010 i OSABs gropugn # 2, Degerfors. Värmningsmodellen har vidare kalibrerats mot termoelementförsök utförda vid värmning av fyra kallchargerade ämnen i gropugnarna. Den nya versionen av värmningsmodellen är nu implementerad i ett överordnat PC-baserat ugnssystem för styrning av ämnenas värmning i gropugn #2 och #3. Energibesparingar på 7 % har konstaterats vid värmning med den nya temperaturmodellen. Överordnad processanalys Inom detta delprojekt avsågs att modellera tillverkningskedjan från stålanalys till färdig grovplåt vid Outokumpu Stainless AB, Degerfors. Genom att sammanställa data från hela tillverkningsprocessen, förväntades produktfel ge sig till känna i ett tidigt skede. Åtgärder skulle då kunna utföras för att undvika upptäckt fel och sålunda motverka dess negativa effekter. Sammanställningen av data har åstadkommits genom att information från ett flertal databaser sammanförts för varje individuell plåt. Informationen kom från stålanalysen, omvärmningen och valsverket. Data analyserades därefter statistiskt för att finna orsaker till varför en del plåtar inte uppfyller kravställningen med avseende på exempelvis ytsprickor. I en första ansats studerades data från ett mindre delsystem, nämligen omvärmningsugnen och valsverket. Hypotesen var att plåtar som krävt mer eller mindre valskraft än vad som beräknats ur dragningstemperaturen borde ha missat sin måltemperatur motsvarande. Dessa samband borde ha varit möjliga att upptäcka i insamlat data. I analysen framkom dock inga samband annat än de mest självklara. När data från hela tillverkningskedjan fanns tillgängligt, delades plåtarna upp i grupper med ytsprickor samt utan ytsprickor. Modelleringsarbete utfördes för att skapa en uppfattning om hur en felfri plåt skulle se ut. Den framtagna modellen kunde sedan kontrolleras mot data från plåtar med ytsprickor för att upptäcka orsaker till sprickorna. Inte heller här nåddes framgång. Kvaliteten på data är av största vikt när det gäller att använda statistiska analysmetoder för att hitta eftersökta samband. Denna kunde dessvärre inte säkerställas i detta sammanhang, vilket i sin tur påverkade projektresultatet. Data från termoelementen i steghärdsugnen i Degerfors samlades in för analys. Genom att gruppera ihop samvarierande termoelement i zonerna och tillämpa statistiska metoder på dessa kunde modeller byggas som beskriver temperaturernas samvariation under normal drift. Utgående från dessa kan sedan onormala tillstånd upptäckas och åtgärdas i ett tidigt skede. Ett termoelement som går sönder upptäcks omedelbart, medan mer smygande fel såsom temperaturdrift kan upptäckas inom rimlig tidsrymd. Detta gör att termoelement kan bytas i tid och därför inte påverka värmningen i ugnen nämnvärt. Under tiden fram till ett byte kan dessutom ett mätvärde estimerat av den statistiska modellen användas för beräkningar och styrning. Resultaten från termoelementövervakningen har implementerats i ett realtidssystem som kallas för TESS (Temperature Estimation and Supervision System). Systemet används i steghärdugnen i Degerfors, glödgningsugnen vid KBR, Outokumpu Stainless i Avesta, samt i stegbalksugnarna på SSAB i Borlänge. I ett verk av SSABs storlek uppskattas en energibesparing med hjälp av TESS till 4 GWh/år. Multivariat styrning av glödgningsugnar Detta delprojekt avsåg att ta fram ett modellbaserat multivariat styrsystem för glödgningsprocessen av stål. Målet var att använda statistiska modeller för att beskriva glödgningsprocessen och därmed kunna förutses dess beteendeför en begränsad tidsrymd. Störningar i den kontinuerliga

temperaturregleringen (t.ex. i form av ändringar i bandets tjocklek eller hastighet) skulle kompenseras genom framkopplade ändringar via styrsignalerna (bränslepådragen eller hastigheten). En marknadsundersökning av programvaror innehållande verktyg för att lösa multivariata reglerproblem utfördes med syftet att hitta ett kvalitetssäkert alternativ till reglerproblemet för glödgningsugnen på Outokumpu i Avesta. Ett antal programvaror utvärderades utifrån vissa kriterier som ansågs måste uppfyllas. Dessa innefattade bl.a. krav på prediktionsmodell, systemidentifiering, regulatordesign och regulatorimplementering. Två av de undersökta programvarorna, Connoisseur och ArchitectMV/ControlMV, ansågs uppfylla de uppsatta kriterierna i marknadsundersökningen. Dessa innehåller alla de funktionaliteter som krävs för att designa och implementera ett multivariat styrsystem av glödgningsugnen. Av dessa två programvaror ansågs ArchitectMV vara det bästa alternativet för implementering av styrsystemet då det hade ett mer genomarbetat användargränssnitt. Tolkning av dessa i förhållande till forskningens syfte/mål Delprojekten med fokus på energibesparingar med hjälp av vidareutveckling och uppgradering av FOCS och SteelTemp, d.v.s. FOCS-RF och FOCS-PF, har genomförts och implementerats i drift på försöksverken med mycket goda resultat. Rökgassammansättningsberäkningarna är testade i normal drift och infördes on-line på SSAB EMEA i Borlänge i och med driftsättningen av ett nytt FOCSsystem. Potentiellt har noggrannare specificering av randvillkor en stor möjlighet att i slutändan spara energi av storleksordningen som angetts (1 %). Under 2008/2009 uppgraderades Ovako Dalsbruks FOCS-RF system. Då startade en intrimning av ideala kurvor, utjämningskrav och dragningstemperatur. Bränsleförbrukningen har minskat med 3 9 % och minskningen kommer att fortsätta. En nya versionen av värmningsmodellen är implementerad i ett överordnat PC-baserat ugnssystem för styrning av ämnenas värmning i gropugn #2 och #3 hos Outokumpu Stainless i Degerfors. Energibesparingar på 7 % har konstaterats vid värmning med den nya temperaturmodellen. Det delprojekt som innefattade överordnad analys av tillverkningsprocessen i Degerfors kom inte ända fram till implementeringsskedet, men skapade ändå en hel del insikter om vad som krävs i form av datakvalitet och klassificering för att nå målet. En viktig produkt av detta delprojekt är dock termoelementövervakningssystemet, TESS, som rönt stort intresse i stålbranschen och redan används i flera ugnar hos de deltagande företagen: steghärdugnen i Degerfors, glödgningsugnen vid KBR, Outokumpu Stainless i Avesta, samt i stegbalksugnarna på SSAB i Borlänge. I ett verk av SSABs storlek uppskattas en energibesparing med hjälp av TESS till 4 GWh/år. Modellbaserad styrning av glödgningsugns-processen vid KBR, Outokumpu i Avesta, kommer utifrån delprojektets resultat uppgraderas för att åstadkomma ytterligare energibesparingar. Detta genomförs efter projektslut. Energibesparingen i varje delprojekt redovisas mot de i projektets början uppsatta målen i Tabell 1. Tabell 1 Uppnådd energibesparing i delprojekten Uppnådd energibesparing Beräknad energibesparing Användarvänlighet i STEELTEMP Har ej tillämpats 2D 10-12 GWh/år FOCS-RF uppgradering till STEELTEMP 2D 8.9 GWh (6.5%) Styrning av satsvisa ugnar 0.8 GWh/år (7%) (2.1 GWh/år vid full kapacitet) 4-6 GWh/år (10%) Överordnad processanalys 4 GWh/år 6 GWh/år Multivariat styrning av glödgningsugnar Har ej tillämpats 6 GWh/år

Projektpresentation Problemställning För att uppnå lönsamhet och konkurrenskraft i stålindustrin krävs en ständig förbättring av produktkvalité och materialutbyte samt minskning av driftskostnaderna, varav energikostnaderna upptar en allt större del. Därtill krävs att nya avancerade stålsorter utvecklas och kan tillverkas med hög precision även vid driftsstörningar. För att klara dessa höga krav måste styrsystemen för anläggningarna få en ökad funktionalitet och ge ökad träffsäkerhet i samtliga processteg. Särskilt viktigt är att kunna värma stålmaterial med hög temperaturprecision, även vid omställningar och störningar i produktionen. Överordnad processanalys ger genom analyser av hela tillverkningskedjan bättre utnyttjande av produktionsutrustningen i och med att produktfel upptäcks tidigare. Sådan analys ger även en djupare förståelse för hur processtyrsystemen ska anpassas för att ytterligare minska produktfel orsakade av processavvikelser. Överordnad processanalys förväntas få en bred framtida användning inom den svenska stålindustrin. Intensiva utvecklingsinsatser har genomförts inom tidigare program och systemen har anpassats till ett stort antal ämnesvärmningsugnar inom den nordiska stålindustrin för att nå upp till de ökande kraven på funktionalitet i takt med att datorkapaciteten har ökat. Inom projektet Stålindustrins Värmnings-, Bearbetnings- och Materialpaket 1999-2003, delfinansierat av Energimyndigheten, visade Effektiv energianvändning i ämnesvärmningsugnar genom förbättrad styrning på en minskad energianvändning med 5 %. Dessutom har delprojektet Intelligent larmhantering för ugnar visat på goda möjligheter att prediktera processavvikelser och ge information om vad som orsakar dessa. Kunskapen som tagits fram i dessa båda satsningar har legat till grund för detta projekt. Forskningsbehovet omfattar vidareutveckling av användarvänligheten i STEELTEMP för att nå ett enklare och mer intuitivt gränssnitt. Programmet har använts för framtagning av nya måltemperaturer och tillhörande ideala värmningskurvor för optimeringen av värmningen med ugnsstyrsystemet FOCS i valsverken. Vidare finns behov av att ta fram ett överordnat ugnsstyrsystem för gropugnar, baserat på STEELTEMP, med vars hjälp tider för värmning av göten i ugnen kan predikteras, Ett första steg att blanda fysikalisk och statistisk modellering kommer att utföras i ett projekt innehållande multivariat reglering av glödgningsugnar. Multivariata modeller kommer även att användas för identifiering av processavvikelser längs hela kedjan värmning valsning glödgning färdig produkt och relatera dessa processavvikelser till kvalitén på den valsade produkten. Syfte och mål Projektets mål har varit att för kontinuerliga ugnar införa en ny värmningsmodell i ugnsstyrsystemet FOCS-RF baserad på STEELTEMP 2D. Vidare skulle ett nytt verktyg för framtagning av nya måltemperaturer och ideala värmningskurvor för optimeringen av värmningen med FOCS-RF att utvecklas. Detta uppskattades ge en minskad energianvändning motsvarande 10-12 GWh/år olja och gasol. För satsvisa gropugnar skulle minst ett demonstrationsprojekt vara klart vid projektavslut och ge en minskad användning av olja och gasol med 4-6 GWh/år. För kontinuerliga glödgningsugnar, skulle också ett demonstrationsverk att vara klart vid projektavslut och ge en minskad användning av olja och gasol med 6 GWh/år. För det multivariata kvalitetsprojektet var tiden för genomförande lika med projekttiden och det skulle finnas ett försöksverk klart vid projektavslut, vilket motsvarar

en minskad användning av olja och gasol med 6 GWh/år. Totalt motsvarar det en minskad energianvändning med 26-30 GWh/år av gasol och olja under projektperioden. Förväntad nytta med forskningen i relation till Energimyndighetens uppdrag att ställa om energisystemet. Projektets övergripande mål var att minska energianvändningen vid varm- och kallbearbetning genom förbättrad ugnsstyrning och överordnad processanalys inom den svenska stålindustrin med 110 GWh per år. Genom ett ökat utbyte med 0,2 % få en minskad energianvändning av kol och koks med 64 GWh/år genom överordnad processanalys. Genom förbättrad ugnsstyrning, effektivisering av ugnar och multivariat reglering skulle den direkta energianvändningen av olja och gas i processen att minska med 46 GWh/år. Minskningen av koldioxidutsläpp beräknades bli 25 kton per år.