title: Model-based evaluation of different control strategies
title: For the vacuum oxygen decarburization process
titleType: Subtitle
Creators: name: Mayer, Michael
Publisher: name: FH CAMPUS 02 (CAMPUS 02 Fachhochschule der Wirtschaft)
Year: 2023
Subjects: subject: 004 Datenverarbeitung; Informatik

description: Die Bedeutung von Edelstahl- und Spezialstahlprodukten hat in den letzten Jahrzehnten erheblich zugenommen, da sich ihre Verwendung von speziellen Nischenanwendungen zu einem Massenprodukt verlagert hat. Das Vakuum-Sauerstoff-Entkohlungsverfahren, engl. Vacuum Oxygen Decarburization (VOD), spielt eine wichtige Rolle in der Edelstahlproduktion. Um die für Edelstahl notwendigen niedrigen Kohlenstoffraten unter Berücksichtigung des hohen Chromgehalts zu erreichen, wird Sauerstoff bei reduzierten Druckverhältnissen aufgeblasen. Obwohl die Berechnung der benötigten Sauerstoffmenge bekannt ist, sind die Blaspläne für den VOD Prozess selbst in der Praxis verschieden. Daraus resultiert die Frage nach einem möglichen konsistenten und optimierten Behandlungsplan. Diese Masterarbeit befasst sich mit dem zugrundeliegenden Optimierungsproblem unter Verwendung eines mehrfach validierten VOD-Prozesssimulationsmodells. In einem ersten Schritt wird das Optimierungsproblem durch die Untersuchung des bestehenden Prozessmodells definiert. Für die Definition ist es notwendig, den Prozessfluss des Modells Schritt für Schritt in mathematische Formulierungen zu transformieren. Anschließend werden in einer Variablenstudie die Einflüsse der Sauerstoffblasrate, der Spülgasrate und des Systemdrucks auf das Ergebnis des Modells bewertet. Auf Basis der Ergebnisse der Variablenstudie wird ein Optimierungsalgorithmus implementiert, um verbesserte Blaspläne in Bezug auf das gegebene Optimierungskriterium zu erzeugen: minimale Chromoxidation. Abschließend sind die Ergebnisse durch Simulationen und Tests generierter Blaspläne mit dem vorhandenen Modell dargestellt. Diese Tests zeigen eine deutliche Verbesserung hinsichtlich des Optimierungskriteriums. Darüber hinaus demonstrieren die Ergebnisse sowohl numerisch als auch graphisch, dass der neu entwickelte Algorithmus verbesserte Blaspläne generiert.
description: The importance of stainless and special steel products has increased substantially in recent decades, as their use has shifted from niche special applications to widespread popular function. Clearly, the vacuum oxygen decarburization (VOD) process plays a major role in stainless steel production. In order to achieve extremely low carbon ratios in the presence of high chromium content, oxygen is blown under reduced pressure conditions. Despite the well-known determination of the required amount of oxygen, the operation practice itself seems to vary in the field. This gives rise to the question of the existence of a consistent optimized control strategy. The present master’s thesis addresses the existing optimization problem by using a multiple-validated VOD process simulation model. As a first step, the optimization problem is defined by the examination of the existing model. Thus, the process model flow is step by step transformed into mathematical terms. Subsequently, a variable study is carried out evaluating the influences of the oxygen blowing rate, stirring gas rate and the system pressure on the result of the model. Based on the findings, an optimization algorithm is then implemented to generate enhanced control strategies with respect to the given optimization criterion: minimize chromium oxidation. Finally, the results are demonstrated by simulations and tests of generated control strategies with the existing model. These tests clearly show an improvement regarding the optimization criterion. Moreover, the results demonstrate numerically and visually, that the newly developed algorithm generates enhanced control strategies.