Digitalisierung Industrie 4.0 Nachhaltigkeit : Digitalisierung als Wegbereiter für die Dekarbonisierung der Stahlproduktion

Stahl ist aufgrund seiner Eigenschaften bis heute einer der wichtigsten technischen Werkstoffe. Gleichzeitig ist Stahl auch einer der größten industriellen CO₂-Emittenten, der allein im Jahr 2021 rund acht Prozent der weltweiten Kohlenstoffemissionen ausmachte.

Die derzeitige Energiekrise verstärkt den Bedarf an optimierten Produktionsmanagement­lösungen für Metallerzeuger noch weiter.

Als Antwort darauf bietet PSI Metals eine Software an, mit der Metallproduzenten ihre Prozesse und ihren Energieverbrauch effizient optimieren und damit die Kohlenstoff­emissionen reduzieren können. Viele globale Hersteller nutzen diese Lösung als Teil ihrer Digitalisierungs- und Dekarbonisierungsstrategie.

Schmelzen und Gießsequenzen bilden die Grundlage für die Online- und reaktive Planung der Schmelzen und der Zuordnung der Produktionsmittel im Schmelzbetrieb. Diese Gießsequenzen werden aus den Planungssystemen übernommen und im Schedule Execution Management in der Produktion verwaltet. Auf Basis dieser Eingaben erstellt der Online Heat Scheduler (OHS) einen detaillierten Arbeitsplan für alle geplanten Schmelzen. Dieser enthält alle erforderlichen Behandlungs- und Transportschritte, deren Dauer und die Zuordnung der erforderlichen Produktionsanlagen und Betriebsmittel. Auf Grundlage dieser Zeitpläne werden Energie- und Rohstoffbedarfsprognosen berechnet und berücksichtigt.

OHS reagiert automatisch auf alle Änderungen und Verzögerungen während der Produktion, um die Lieferung der Läufe einer Sequenz an die Gießerei zum gewünschten Zeitpunkt zu gewährleisten.

Während der Produktion kann ein unvorhergesehener Ausfall zu einer Unterbrechung der Abläufe und zu einem höheren Energieverbrauch führen, wodurch die CO₂-Emissionen steigen. OHS wurde entwickelt, um die kontinuierliche Versorgung der Gießanlagen zu verbessern und Gießunterbrechungen zu verhindern. Ein mathematisches Modell optimiert die Navigation aller Schmelzen durch die Anlagen des Schmelzbetriebs. Sie zeigt dann die jeweiligen Restriktionen im Hinblick auf die Durchsatzoptimierung und die Engpasskoordination auf. Der Produktionsleiter kann die Verfügbarkeit von Pfannen und Linien bzw. Anlagen einsehen. 

Darüber hinaus können geplante

• Wartungsarbeiten und Anlagenprobleme,
• Roheisen-, DRI- oder Sauerstoffverfügbarkeit,
• Energiebedarfsprognosen
• einschließlich der aktuellen Energiesituation

angezeigt und berücksichtigt werden.

Die Prozesse in künftigen Hybridstahlwerken werden komplexer, was die Vorhersage von Roheisen, Schrott, direktreduziertem Eisen (DRI) und Energie betrifft. Die Ergebnisse dieser Stahlwerksoptimierung sind Einsparungen bei den Produktions- und Materialkosten sowie eine Erhöhung der Dekarbonisierungsziele der Stahlhersteller. Einige globale Stahlhersteller haben den Arbeitsschutz erfolgreich in ihre Stahlwerke integriert.

Neben dem Druck, die Stahlproduktion zu dekarbonisieren, zeigen aktuelle Studien, dass 14 Prozent des potenziellen Wertes von Stahlunternehmen gefährdet sind, wenn keine aktiven Maßnahmen zur Dekarbonisierung der Branche ergriffen werden. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit einer Optimierung des grünen Schmelzbetriebs, die sich an gezielten KPIs (Key Performance Indicator) orientiert.

Hierfür bietet PSImetals OHS, das auf der Service Platform (SP) verfügbar ist, Funktionen, die Stahlhersteller dabei unterstützen, ein grünes, KPI-gesteuertes Stahlwerk zu realisieren.

Auf diese Weise lässt sich die Direkteinsatzrate erhöhen, der Medienverbrauch prognostizieren und diese Prognosen können Energiemanagementsystemen und Versorgungsunternehmen zur Verfügung gestellt werden. Um die Kunden bestmöglich zu unterstützen, verfügt PSImetals OHS SP über eine eigenständige Service-Architektur über PSIbus-Standardschnittstellen, die eine vereinfachte Integration in bestehende IT-Landschaften ermöglicht.

Unternehmen sind auf Daten und KPIs angewiesen, um ihre strategischen Produktions- und Geschäftsziele zu erreichen. PSIqualicision wurde entwickelt, um die Prozessqualität durch intelligente Datenerfassung, Analyse und Abgleich von Ziel- und Kriterienkonflikten zu sichern und zu optimieren.

Die KI-basierte Entscheidungsunterstützung von OHS/PSIqualicision umfasst drei einfache Arbeitsschritte, die zur Optimierung der Prozessqualität strukturiert sind. Dazu gehören zunächst

• die automatische Analyse der Eingaben und die Festlegung von Einschränkungen und Geschäftszielen,
• dann die Ausführung des Solvers, die Analyse und der Abgleich der KPIs mit Qualicision AI und schließlich
• die Iteration, der Vergleich und die Freigabe des Qualicision AI-basierten Szenario-Managements.

Szenario-Management bedeutet, dass der Anlagenführer verschiedene Szenarien simulieren kann, um ein Problem zu lösen. Dies könnte in Form von zusätzlichen Nacharbeitsschritten, einer Änderung der Reihenfolge der Schmelzen oder einer Verkürzung der Behandlungs-, Transport- oder Pufferzeiten erfolgen. Szenarien können auch verglichen werden, um die richtige Lösung zu finden.

Zur Steigerung des Geschäftswachstums und der Vorteile der Dekarbonisierung werden die strategischen Geschäfts- und Produktionsziele an einem bestimmten KPI-Ziel gemessen. Automatisierte Auswertungen der Prozessrohdaten dienen der Erstellung von qualitativen Labeln für die Optimierung. Dazu wird das KPI-orientierte Qualitative Labeln mittels Qualicision verwendet. Darüber hinaus analysiert es Geschäftsprozesse nach inkompatiblen KPIs und unsymmetrischen Zielbeziehungen und verbessert gleichzeitig die Lernsensitivitätsanalyse der einstellbaren KPI-Präferenzen.

Für OHS erleichtert der KI-Solver den Umgang mit Engpassanlagen, da er eine multikriterielle Überwachung und Optimierung ermöglicht. Die Lösung bietet eine Kombination von Vorteilen, die eine höhere Effizienz bei der Schmelzdisposition gewährleisten.

So kann zum Beispiel die Abstichzeit bis zum Gießen optimiert werden. Ein zuverlässiges Zeitmanagement ermöglicht letztlich auch niedrigere Abstichtemperaturen und damit erhebliche Energie- und CO₂-Einsparungen.

Aber was tun, im Falle von plötzlichen Produktionsstörungen? Hierfür wird auch die Lockerung "harter" Randbedingungen berücksichtigt, bei der der Scheduler mögliche Verspätungen bei der Übergabe an die Gießanlage anzeigt. So hat der Betreiber jederzeit einen transparenten Überblick über die aktuelle und zukünftige Planungssituation und genügend Zeit, um Störungen und Zeitverluste zu kompensieren.

Dekarbonisierung und Digitalisierung sind der Schlüssel zu einigen Herausforderungen der Branche. Obwohl Software den Stahlherstellungsprozess nicht verändern kann, trägt die Digitalisierung des Prozesses zur Dekarbonisierung bei und reduziert gleichzeitig die Ressourcen- und Produktionskosten.