FIMECC mullisti teräksen kehittämisen: Simulointimallin voima on sen yksinkertaisuudessa

Teräs on aikamme tärkein käyttömetalli, ja uusia teräslaatuja kehitetään jatkuvasti. Teräslaatujen tuotekehitys on nopeutunut huomattavasti uuden laskennallisesti tehokkaan SteelConverterSimulator -simulointiohjelman avulla. Uusi teräskonvertterimalli säästää energiaa, aikaa, raaka-aineita ja ympäristöä. Mallin voima on sen tukevassa fysikaalisessa perustassa ja riittävässä yksinkertaisuudessa. Vastaavaa simulointityökalua ei ole julkaistu missään muualla maailmassa.

Terästä tuotetaan maailmassa vuosittain noin 1300 miljoonaa tonnia. Erilaisia teräslaatuja on tuhansia ja niiden ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa käyttötarkoituksen mukaan. Teräs voi olla esimerkiksi erittäin lujaa, haponkestävää, ruostumatonta, kulutusta kestävää tai hyvin hitsattavaa.

– Uuden teräslaadun tie markkinoille on usein pitkä, mutta yksinkertaisen simulointimallin avulla sen koostumusta voi suunnitella lähes pelinomaisesti, ilman fyysistä kokeilua tuotantolaitoksessa, toteaa idean isä, tutkija Mika Järvinen Aalto-yliopiston Energiatekniikan laitokselta.

Normaalisti yhden sulatuksen teko 150 tonnin teräskonvertterilla kestää tunnin verran. Käsittelyn aikana hiilidioksidia ja kuonaa syntyy noin 10 000 kilogrammaa kutakin. Simulointimallin laskenta-aika on vain noin 30 sekuntia – sen käyttö on jopa 120 kertaa nopeampaa eri vaihtoehtojen testaamiseen kuin reaaliprosessi, ja lisäksi päästötöntä.

– Tehokkaan mallinnuksen avulla saadaan nopeasti selville mitä teräksen koostumukselle voidaan luonnonlakien puitteissa tehdä ja miten siihen päästään mahdollisimman pienillä materiaalikuluilla, Järvinen toteaa.

Tuotekehitystä ilman hakuammuntaa

Laskennallisesti tehokkaan teräskonvertterimallin lähtökohta on yksinkertainen: lasketaan tarkasti vain ne alueet, joissa olennaiset ilmiöt tapahtuvat. Ensin selvitettiin yhden kaasukuplan ympärillä tapahtuvat ilmiöt. Tässä syntynyt osaaminen siirrettiin todellisen prosessin reaktiovyöhykkeelle käyttäen moduuliajattelua.

– AOD-prosessissa käytetyt moduulit ovat kuplien nousualueen tulppavirtausreaktori sekä terässulan ja kuonan kuvaamiseen käytetyt tankkireaktorit, kertoo Järvinen.

Malli pohjautuu luonnonlakeihin ja monet sen antamista suureista pystytään mittaamaan. Fysikaalisen perustan ansiosta "hihavakioiden" määrä on minimoitu. Mallia on vertailtu laajasti teollisuuden prosessien kanssa ja sen antama tulos vastaa hyvin todellisuutta. Mallin käyttäminen on tehokasta selkeän käyttöliittymän ansiosta. Jatkossa mallia on tarkoitus laajentaa lisäämällä omat moduulit esim. pintapuhallukselle.

– Laskenta-aika on radikaalisti lyhyempi kuin muilla mallinnustavoilla, joten tulokset saadaan nopeammin kuin reaaliprosessista. Siten mallia voi käyttää konvertterien ja reaktoreiden on-line
-ohjauksessa, kertoo professori Timo Fabritius Oulun yliopiston Terästutkimuskeskuksesta.

Nopeaa ja päästötöntä

Suomalaisen terästeollisuuden mennessä kohti yhä haastavampien teräslaatujen valmistusta, malli auttaa oikean toimintatavan valinnassa. Kun säästetään kokeellisia prosesseja ja käytetään simulointia, säästetään kulujen lisäksi myös ympäristöä.

– Mitä pienemmillä yksikköpäästöillä valmistamme terästä Suomessa, sen todennäköisemmin tekniikka kiinnostaa myös ulkomailla, toteaa FIMECCin toimitusjohtaja Harri Kulmala.

Teräskonvertterimalli kuuluu FIMECCin ELEMET-ohjelman AMME-hankkeeseen ja siinä ovat mukana mm. Outokumpu, Rautaruukki, Oulun yliopisto, Aalto-yliopisto ja VTT. Outokumpu on jo käyttänyt mallia hyvin tuloksin. Tulevaisuudessa sitä voidaan soveltaa metallurgian lisäksi myös kemianteollisuudessa.

Lisätietoja:

Toimitusjohtaja Harri Kulmala, FIMECC Oy, puh. 040 840 6380, harri.kulmala@fimecc.com

Professori, TkT Timo Fabritius, Terästutkimuskeskus, Oulun yliopisto, puh. 040 554 6683, timo.fabritius@oulu.fi

Tutkija (Post doc), TkT Mika Järvinen, Energiatekniikan laitos, Aalto-yliopisto, puh. 09 4702 3657, mika.jarvinen@aalto.fi

Lehdistökuvia: http://www.fimecc.com/fi/index.php/Medialle

FIMECC Oy on metallituote- ja koneenrakennusalan strategisen huippuosaamisen keskittymä (SHOK). FIMECCin tutkimusvolyymi on 240 miljoonaa euroa, ohjelmissamme on mukana yli 120 organisaatiota. Jo kahden vuoden ohjelmatoiminnan jälkeen FIMECC on julkaissut yli 20 tieteellistä ja teollista tulosta. FIMECC Oy on innovaatioyritys, joka yhdistää teollisuuden näkemyksen tulevaisuuden kilpailukyvyn lähteistä ja tutkimuslaitosten tutkimusosaamisen. Tekes on sitoutunut FIMECCin toimintaan sekä toiminnan kehittämiseen ja rahoittaa FIMECCin tutkimusohjelmia. www.fimecc.com

Avainsanat: