Optimierung der Branntkalk-Produktion

Optimierung der Branntkalk-Produktion

Tata Steel ist einer der weltweit führenden Stahlproduzenten. Das Unternehmen ist in 26 Ländern tätig, verfügt über eine Produktionskapazität von 34 Mio. Tonnen Stahl pro Jahr und erwirtschaftete im Jahr 2021 einen Umsatz von 21,2 Mrd. US-Dollar.

Als erster Stahlhersteller Indiens erhielt Tata Steel die auf der ISO 14024 basierende CII-Green-Pro-Zertifizierung und ist damit für gute Umweltpraktiken in seinen industriellen Aktivitäten zertifiziert. Die Ingenieure des Unternehmens arbeiteten an der Effizienzsteigerung in einer Kalkstein-Verarbeitungsanlage und identifizierten Einsparpotenziale mithilfe von Simulationsmodellen. Das Ergebnis war ein verringerter Maschineneinsatz und niedrigere Kosten.

Problemstellung

Kalk ist im Stahlherstellungsprozess nach dem Linz-Donawitz-(LD)-Verfahren ein bedeutendes Schmelzmittel. Das LD-Verfahren erfordert eine strenge Qualitätskontrolle und eine ständige Versorgung mit Kalk zur Bindung der Schlacke, weshalb Tata Steel seine Kalkwerke kontinuierlich betreibt.

Der Konzern vermutete jedoch, dass Effizienzsteigerungen möglich waren, und startete ein Projekt zur Prozessoptimierung in einem seiner Kalkwerke. Die betreffende Anlage verfügte über neun Brennöfen für die Kalzinierung von Kalkstein zur Herstellung von Branntkalk. Die Prozesse entlang des gesamten Kalksteinförderkreislaufs wurden dafür von der Ankunft des Kalksteins bis zum Brennvorgang im Kalkbrennofen analysiert.

Der Förderkreislauf für Kalkstein

Der Förderkreislauf für Kalkstein

In dem Werk wurde Kalkstein (Calciumcarbonat) per Kipplore abgeladen, mit Förderbändern zur Primärsiebanlage befördert und durchlief das Doppeldecksiebverfahren. Nach dem Sieben wurde das Material in Lagerbehälter und anschließend in Vorratssilos umgefüllt.

Von dort ging es erneut durch ein Eindeck-Sieb, um anschließend in Wiegebehälter umgefüllt zu werden. Die Brennöfen werden dann mittels Containerschaufel von oben mit dem Material beschickt.

Die Ingenieure gingen davon aus, dass der Zufuhrkreislauf nicht ausreichend ausgelastet ist und ein Dauerbetrieb unnötig war. Ziel war es daher, die Kalksteinrückgewinnung zu optimieren und besser zu planen, um die Auslastung des Beschickungskreislaufs zu maximieren und dessen Betriebsstunden zu reduzieren.

Lösung

Die Ingenieure von Tata Steel entwickelten ein Modell, um verschiedene Was-wäre-wenn-Szenarien zu testen und die Auslastung des Kalksteinbeschickungskreislaufs zu verstehen.

Das Modell wurde unter Verwendung der AnyLogic-Flüssigkeitsbibliothek entwickelt

Das Modell wurde unter Verwendung der AnyLogic-Flüssigkeitsbibliothek entwickelt (zum Vergrößern anklicken)

Szenario 1

Die aktuelle Produktionsrate am Standort wurde aus den Anlagendaten zunächst berechnet und in das Simulationsmodell eingegeben, was mehrere Erkenntnisse lieferte. Die derzeitige Produktionsrate ließe sich problemlos mit nur einer einzigen Förderschicht bewältigen. Alle Lagerbehälter wären zu 20 % bis 100 % ausgelastet und es würde ausreichen, den Umlauf vom Lagerplatz zu den Lagerbehältern täglich nur in einer Schicht zu betreiben.

Simulationsschema für das Szenario 1

Simulationsschema für das Szenario 1 (zum Vergrößern anklicken)

Szenario 2

Das Ziel des nächsten Simulationsexperiments war es, Engpässe in der Anlage zu finden. Dank der Modellierung in AnyLogic konnte die Kapazität von Behälter 2 und die Dosierwaagen 3 und 4 als Bottlenecks des Zuführkreislaufs identifiziert werden.

Simulationsergebnisse für das Szenario 2

Simulationsergebnisse für das Szenario 2 (zum Vergrößern anklicken)

Szenario 3

Die Entwickler des Modells wollten auch die maximal mögliche Produktion unter Berücksichtigung der Kreislaufbeschränkungen und der Auslastung der Vorratsbehälter ermitteln.

Da weitere Vorratsbehälter verfügbar waren, konnten die Bestände von Lagerplatz 2 auf diese übertragen werden, sodass Lagerplatz 2 kein Hindernis mehr darstellte. Dazu war es jedoch erforderlich, dass die Vorratsbehälter zu Schichtbeginn freie Kapazitäten haben. Das Resultat war eine Produktionssteigerung, allerdings reichte das Fassungsvermögen der Vorratsbehälter nur für eine Auslastung von sechs Betriebsstunden. Danach mussten sie wieder befüllt werden.

Simulationsergebnisse für das Szenario 3

Simulationsergebnisse für das Szenario 3 (zum Vergrößern anklicken)

Szenario 4

Durch die Analyse der Pufferlagerbestände mithilfe des Modells konnte das Werk die Sicherheitsbestände ermitteln, die in Lager 2, 3 und 4 vorgehalten werden mussten.

Für die Öfen 1–6 entfiel die Restriktion für Lagerplatz 2, wenn das Unternehmen einen Vorratsbehälter mit einer Mindestkapazität von 400 Tonnen für den Anfangsvorrat nutzte. In einem solchen Fall würde es möglich sein, die volle Produktionskapazität der Öfen 1–6 zu nutzen.

Für die Produktion der Öfen 7–9 konnte ein ausreichender Puffer für das Fahren von zwei Schichten angelegt werden. Jedoch reichte der Mindestbestand in den Behältern nicht für den Betrieb der Öfen 1–6 über diese Zeit, sollte es zu irgendeinem Ausfall kommen.

Szenario 5

Die Ingenieure von Tata Steel überprüften den Zeitplan, um die Pufferbestände im Kreislauf zu verstehen und ausreichende Puffermengen zu bestimmen. So entwickelten sie die optimale Strategie für den täglichen Produktionsbetrieb.

Übersicht über die Prozesse und ihre Kapazitäten in drei Schichten

Übersicht über die Prozesse und ihre Kapazitäten in drei Schichten

Der Materialtransfer vom Lagerplatz zum Vorratsbehälter konnte in zwei Zeiträumen von acht und sechs Stunden erfolgen. Dadurch könnte dieser Kreislauf zehn Stunden am Tag abgeschaltet werden, um Strom zu sparen.

Ergebnisse

Die Simulation mit AnyLogic half Tata Steel, die Auslastung des Zuführungskreislaufs zu maximieren. Mithilfe der Modellierung führten sie fünf Experimente durch und entwickelten geeignete Betriebspläne für die Anlage, mit denen die Maschinenlaufzeiten und die Stromkosten gesenkt werden konnten. Anschließend berechneten die Spezialisten die Energieeinsparungen sowie die Kosteneinsparungen pro Tag.

Übersicht über den Stromverbrauch der Maschinen und die Einsparungen

Übersicht über den Stromverbrauch der Maschinen und die Einsparungen

Sehen Sie sich hier das Video zu dieser Fallstudie an, die von Tata Steel auf der AnyLogic Conference 2021 vorgestellt wurde.


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