Simulacija in optimizacija procesov ulivanja, valjanja in toplotne obdelave za konkurenčno proizvodnjo vrhunskih jekel

Podjetje Štore Steel izdeluje jeklene palice za uporabo v kovaški industriji, proizvodnji vzmeti in strojegradnji. Osnovni proizvodi so vroče valjane palice in palice preoblikovane v hladnem. Proizvodi so izdelani po naročilu, v majhnih serijah in s pogoji kakovosti in dobave prilagojenimi kupčevim zahtevam. Jeklo iz podjetja Štore Steel se pretežno izvaža na zahtevne tuje trge in uporablja v visokotehnoloških izdelkih. Vsebina projekta se navezuje na naše predhodne raziskave v okviru projektov L2-5387 (2002-2005) - Modeliranje in optimizacija za konkurenčno kontinuirno ulivanje ter L2-9508 (2006-2009) - Modeliranje mikrostrukture za kontinuirno ulivanje jekel z vrhunsko kvaliteto ter spremljajoče mednarodne projekte 5. in 6. OP EU. Na podlagi pridobljenega znanja smo vrhunsko opremili in avtomatizirali napravo za kontinuirno ulivanje gredic ter razvili modele za izračun mikrostrukture jekla v odvisnosti od procesnih parametrov. V okviru tega projekta, ki ga spremljajo projekti 7. OP EU, bomo vzpostavili numerični model na več merilih celotnega procesa izdelave jeklenih polizdelkov v podjetju Štore Steel. Obravnavali bomo procesne korake kontinuirnega ulivanja, vročega valjanja in toplotne obdelave. Končni cilj tovrstnega modeliranja je predikcija lastnosti polizdelkov v odvisnosti od procesnih parametrov posameznih korakov. To bomo dosegli na podlagi sklopljenih fizikalnih modelov relacij med procesnimi parametri in makrostrukturo izdelka, med makrostrukturo in mikrostrukturo izdelka ter med mikrostrukturo in lastnostmi izdelka. Makroskopski modeli bodo temeljili na mehaniki kontinuuma in sklopljenih enačbah ohranitve mase, energije, gibalne količine in sestavin v Eulerjevem sistemu. Mikroskopski modeli bodo temeljili na Lagrangeovem gibanju reprezentativnega dela mikrostrukture skozi temperaturno, deformacijsko, koncentracijsko in hitrostno polje celotnega procesa. Mikrostrukturni modeli bodo temeljili na stohastičnih celičnih avtomatih. Modele bomo ovrednotili z uporabo naših izvirnih brezmrežnih numeričnih metod, za katere smo dobili številna priznanja. Fizikalno modeliranje razvoja mikrostrukture skozi procesne korake bomo dopolnili, nadomestili in/ali umerili z metodami računske inteligence (nevronske mreže, genetsko programiranje) v primerih, ko fizikalni modeli še ne obstajajo, so računsko prezahtevni ali dajejo nezadovoljive rezultate. Učenje nevronskih mrež bo potekalo na podlagi eksperimentalnih rezultatov ali fizikalnih modelov. Avtomatsko optimizacijo procesa bomo vzpostavili v direktni in inverzni smeri. Pri direktni smeri bomo iskali mikrostrukturo kot funkcijo kombinacije procesnih korakov, pri inverzni smeri pa bomo iskali takšne procesne korake, ki bodo dajali zahtevano mikrostrukturo. Proces bomo optimirali na podlagi minimizacije dveh uteženih kriterijskih funkcij: makroskopske, ki bo upoštevala produktivnost procesa, zasedenost strojev in porabo energentov ter hladilnih sredstev, ter mikroskopske, ki bo upoštevala lastnosti izdelka kot funkcijo mikrostrukture. Optimalne lastnosti procesa in izdelka bomo iskali z evolucijskimi algoritmi. Pričakovani učinki predlaganega projekta so: izboljšana kakovost, povečane možnosti ter produktivnost izdelave širokega spektra izdelkov, izboljšano znanje za hitrejši odziv na zahteve trga po vedno večji kakovosti in produktivnosti, nadomeščanje klasičnega razvoja novih izdelkov in procesnih poti (ki temelji pretežno na izkušnjah in poskušanju) z razvojem na osnovi simulacij, lažje definiranje razvojnih in raziskovalnih strategij, hitrejši razvoj in uporaba znanja, izboljšano izobraževanje, večja fleksibilnost proizvodnje in modifikacije opreme, večja fleksibilnost pri nadzoru procesov ter nadzoru kakovosti. Rezultate projekta bomo tako kot v predhodnih projektih objavili v revijah z najvišjim faktorjem vpliva. V okviru projekta bomo v Sloveniji organizirali mednarodno konferenco o modeliranju v jeklarski industriji.

Rezultati projekta, ki ne posegajo v razvite konkurenčne prednosti sofinancerja, so bili objavljeni v vrhunski znanstveni literaturi. Obseg publikacij je bistveno večji kot pri naših predhodnih aplikativnih projektih, za katere so recenzenti že ocenili, da so znanstveni rezultati izjemni za takšen tip projekta. Znanstveni rezultati projekta se zrcalijo predvsem v inovativnem večnivojskem simulacijskem orodju za napovedovanje rasti in sprememb mikrostrukture, v katerem smo prvič združili matematični koncept točkovnih avtomatov in novo generacijo adaptivnih brezmrežnih numeričnih metod za modeliranje termomehanike procesiranja jekel. Prav tako je povsem nov concept integracije fizikalnih modelov in modelov na podlagi umetne inteligence za modeliranje skozi proces. Povsem nov je tudi koncept večkriterijske optimizacija glede na produktivnost, kakovost in ekologijo. Vodja projekta je v povezavi s tematiko predlaganih raziskav v začetku letu 2014 uredil posebno številko revije EABE na temo uporabe brezmrežnih metod v industriji ter posebno številko revije Advances in Materials Science and Engineering na temo simulacij in optimizacij v tehnologiji materialov. Iz projekta je izšlo razgibano mednarodno sodelovanje in izobraževanje, ki je povezalo Air University, Islamabad, Pakistan, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Kitajska, in University of Parthenope, Napoli, Italija, z Univerzo v Novi Gorici na širšem področju, obravnavanem v projektu. V okviru projekta je leta 2010 doktoriral dr. Robert Vertnik s tematiko simulacij turbulentnega toka pri kontinuirnem ulivanju jekla. Njegova doktorska disertacija je bila proglašena za najboljšo v letu 2010 v Srednji Evropi s strani European Committee on Computational Methods in Engineering and Sciences (ECCOMAS). V letu 2011 sta doktorirala dr. Agnieszka Zuzanna Lorbiecka s tematiko stohastičnega modeliranja mikrostrukture ter dr. Gregor Kosec s temo adaptivnih brezmrežnih metod za probleme strjevanja. Leta 2012 je magistriral mag. Štefan Trčko s tematiko modeliranja skozi proces na podlagi nevronskih mrež. V letu 2013 je doktoriral dr. Arsim Bytyqui s tematiko popisa mikrostrukture z nevronskimi mrežami. V letu 2014 bo predvidoma doktoriral Umut Hanoglu s tematiko večnivojskega modeliranja vročega valjanja in mag. Qingguo Liu s tematiko popisa mikromehanike na podlagi robnih brezmrežnih metod, vse povezano s projektom. Člana projektne skupine sta dobila nagrado prestižne založbe Emerald: Outstanding Paper of 2013, za delo KOSEC, Gregor, ŠARLER, Božidar. Solution of a low Prandtl number natural convection benchmark by a local meshless method, International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, vol. 23, 2013, 189-204. [COBISS.SI-ID 2599419]. Opisana originalna metoda se uporablja v razvitem simulacijskem sistemu.

Slovenci imamo pri izdelavi in predelavi materialov izjemno bogato tradicijo, na katero smo lahko zelo ponosni. Prvi plavž je pod gorovjem Jelovica omenjen že leta 1422. Za začetek industrijske proizvodnje jekla v naših krajih štejemo leto 1869, ko je bila ustanovljena Kranjska industrijska družba. Odkritje postopka izdelave feromangana je tej družbi zagotovilo pionirsko mesto v zgodovini jeklarstva. Za to odkritje je podjetje prejelo več priznanj in nagrad na svetovni razstavi na Dunaju. Prav na isti razstavi je leta 1894 naš fizik Jožef Stefan predstavil prve analitične modele strjevanja. Zaradi izjemne pomembnosti proizvodnje kovin ima računalniško modeliranje tovrstnih procesov izjemno težo doma in v tujini. Industrijski naročnik tega projekta sistematično vlaga v razvoj domačega znanja na področju modeliranja procesov že od začetka devetdesetih let. Razlog za omenjena vlaganja so relativno majhne proizvodne kapacitete ter ulivanje velikega števila različnih visokokakovostnih zlitin. Za izdelavo in predelavo omenjenih izdelkov je potrebnega veliko lastnega znanja. Slovenska metalurška industrija je v letu 2013 na razvite tuje trge skupaj izvozila za več kot milijardo EUR izdelkov, ki so vsi posredno ali neposredno povezani z obravnavanimi procesi tega projekta. Od teh procesov je v Sloveniji odvisnih 10000 delovnih mest. Tako imata razvoj numeričnih simulacijskih sistemov in z njo povezana avtomatizacija proizvodnje izjemno težo. Cilji opisanega razvoja so boljše razumevanje in vpogled v te procese, boljši vpliv nanje in izboljšana organiziranost proizvodnje. Opisane raziskave so prispevale k večji ekonomičnosti in varnosti proizvodnje, izboljšani kakovosti proizvodov in hitrejšemu ter cenejšemu razvoju izdelave novih materialov in formatov. Pri tem se je izkazalo, da je uporaba simulacijskih sistemov v povprečju za več odstotkov izboljšala produktivnost procesa in kakovost izdelkov ter omogočila samostojen razvoj več novih jekel. Potencialne koristi rezultatov projekta ne bodo imela samo podjetja, ki so vezana na kontinuirno ulivanje, vroče valjanje in toplotno obdelavo, temveč vsa tista podjetja, ki pri svojem proizvodnem procesu obvladujejo za Slovenijo številne kritične tehnologije, povezane s faznimi prehodi. Na določeni stopnji izdelave in obdelave skoraj vsakega predmeta, ki ga izdela človek, uporabljamo termomehansko obdelavo. Tako avtomatizacija in optimizacija tovrstnih procesov na podlagi modelske podpore predstavljata danes ključ do sodobne izdelave in predelave kovin, keramike, polimerov, kompozitnih materialov, elektronskih komponent in nanomaterialov. Konkretno bomo razviti koncept termomehanskih simulacij kmalu uporabili še v aluminijskih podjetjih IMPOL (polkontinuirno ulivanje), HIDRIA (tlačno ulivanje), v jeklarni METAL RAVNE (ulivanje težkih ingotov, pretaljevanje pod žlindro) itd. Pri razvoju tega raziskovalnega področja v Sloveniji pa vidimo možnosti ne samo v krepitvi sodelovanja z domačimi proizvajalci jekla in aluminija, temveč tudi v sodelovanju z multinacionalnimi globalnimi proizvajalci jeklarske in aluminijske procesne opreme, ki je bilo pravkar vzpostavljeno.