Industrie 4.0 Langstahl-Qualität in der Produktion vorhersagen

Autor / Redakteur: Joachim Graefe / Stéphane Itasse

Qualitätsrisiken ausschließen, bevor Mängel entstehen. Kunden eine Null-Fehler-Qualität bieten. Einzelne Stahlkomponenten bis zu ihrer Entstehung rückverfolgen und alle qualitätsrelevanten Prozessparameter nachvollziehen: Das sind die Zukunftstrends im Bereich sicherheitskritischer Bauteile.

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Schon vor dem Stranggießen wird die Qualität des Materials erfasst; die Daten werden zur Qualitätssicherung über die ganze Prozesskette ausgewertet.
Schon vor dem Stranggießen wird die Qualität des Materials erfasst; die Daten werden zur Qualitätssicherung über die ganze Prozesskette ausgewertet.
(Bild: Swiss Steel)

Um die steigenden Anforderungen der OEMs zu erfüllen, müssen die Zulieferer ihre Prozesse digitalisieren. Als einer der ersten Langstahlhersteller weltweit setzt die Schmolz + Bickenbach Gruppe Predictive Quality Management in allen Bereichen am Produktionsstandort Emmenbrücke (Schweiz) ein: vom Schrotteinsatz über das Stahl- und Walzwerk bis zum Blankstahlziehen des Walzdrahtes.

Lückenlose Rückverfolgbarkeit auch von Stahlherstellern gefordert

Der Trend zu lückenloser Rückverfolgbarkeit einzelner Komponenten ist in der Automobilindustrie längst Gegenwart. Sie ist eine wichtige Voraussetzung für die Einhaltung von Qualitätsversprechen und für detaillierte Klärungen im Schadensfall. Dieser Anspruch macht auch vor Materialzulieferern nicht Halt. Mit der IATF (International Automotive Task Force) 16949 führt die Arbeitsgruppe führender Automobilhersteller bis Mitte 2018 einen neuen globalen Standard für Qualitätsmanagementmethoden ein. Die damit verbundenen höheren Anforderungen sind richtungsweisend für die Entwicklungen in der branchenübergreifenden Qualitätssicherung. Der Fokus liegt auf der kontinuierlichen Verbesserung und vorausschauenden Fehlervermeidung im Produktionsprozess und in der Lieferkette. Damit die Einhaltung der Normen sowie die Erfüllung spezifischer Kundenanforderungen nachgewiesen werden kann, liegt die Zukunft des Qualitätsmanagements in der Prozessdigitalisierung.

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In der Stahlindustrie werden softwarebasierte Produktqualitätsanalysen zur Abbildung der Wertschöpfungskette bislang nur vereinzelt in der Flachstahlproduktion eingesetzt. Die Prozesslogik in der Herstellung von der Bramme zum Band ist vergleichsweise einfach, ebenso wie die Zuordnung der Prozessdaten zum einzelnen Flachstahlprodukt. Ungleich höher ist die Datenkomplexität in Stahlwerken, in denen Stabstähle produziert werden. Beispiele für die Datenkomplexität sind die über 200 produzierten Stahlgüten, zahlreiche Abmessungsvarianten, mehrere Fertigungslinien, unter anderem im Warmwalzwerk, sowie produkt- und kundenspezifische Prozessparameter auf dem Weg vom Schrott zum Blankstahl. Dies ist der Status quo beim Langstahlhersteller Swiss Steel, der seinen Walzdraht als Vormaterial an sein Schwesterunternehmen, den Blankstahlproduzenten Steeltec, liefert. Die beiden Unternehmen der Schmolz + Bickenbach Gruppe arbeiten in der kundenspezifischen Entwicklung von Spezialstählen zusammen. Wichtige Absatzmärkte sind unter anderem die Automobilindustrie und der Maschinenbau.

Predictive Quality bei der Langstahlerzeugung

Der Spezialstahlkonzern investiert kontinuierlich in neue Technik, darunter Industrie-4.0-Anwendungen.Gemeinsam mit Met-Con, der Beratungsgesellschaft für metallurgische Prozesse der SMS Group, wurden die Potenziale der Wertschöpfungskette bei Swiss Steel und Steeltec evaluiert. In einem Pilotprojekt implementiert nun der Stahlkonzern bis Mitte 2018 das regelbasierte Qualitätsentscheidungssystem PQA (Produktqualitätsanalyse). In den Stahlproduktions- und Verarbeitungswerken im schweizerischen Emmenbrücke integriert das PQA-System Inselanwendungen, die bis jetzt nur einzelne Prozessschritte analysiert haben. Zusammenhänge zwischen Ergebnissen im Labor und an der Walzstraße waren so beispielsweise nicht erkennbar. Qualitätsentscheidungen konnten demnach bisher zwar innerhalb einer Wertschöpfungsstufe, aber nicht prozessübergreifend getroffen werden.

Mit Industrie 4.0 von „Big Data“ zu „Smart Data“ in der Stahlherstellung

Visualisieren, auswerten, optimieren – nach diesem Prinzip funktionieren regelbasierte Qualitätsentscheidungssysteme des Digital Manufacturing. Durch die Datenverknüpfung über die gesamte Wertschöpfungskette werden alle Prüf- und Prozessdaten für die Datenanalyse, die vorausschauende Qualitätssicherung und die Prozessoptimierung nutzbar.

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Dadurch eröffnen sich auch Potenziale in der kundenspezifischen Werkstoffentwicklung. Zu den qualitätsrelevanten Prozessparametern zählen die chemische Zusammensetzung des Werkstoffs, die Temperatur beim Gießen, thermomechanische Einflussfaktoren beim Walzen, die Walzgeschwindigkeit sowie die Temperatur und die Querschnittsverminderung beim Blankstahlziehen. Die technische Kausalität der Datenanalytik im PQA-Softwarepaket stellen die Werkstoff- und Prozessingenieure der Schmolz +
Bickenbach Gruppe her. Darüber hinaus speist der Stahlproduzent Erfahrungswerte aus Wissensdatenbanken ein, die in Entwicklungspartnerschaften gesammelt wurden.

Qualitätsverbesserungen durch Mensch-Maschine-Interaktion

Für die Implementierung installiert Met-Con das PQA-System im Rechenzentrum am schweizerischen Werk in Emmenbrücke. Für eine Datenerfassung über die gesamte Wertschöpfungskette wurden sämtliche Datenquellen berücksichtigt, Sensorsignale überprüft und bei Bedarf weitere Detektoren installiert. Definierte Qualitätsregeln und Arbeitsanweisungen bilden die Voraussetzung für ein durchgängig systemgestütztes Qualitätsmanagementsystem und eine erfolgreiche Mensch-Maschine-Interaktion. Qualitätsrelevante Prozessschritte, die eine Bewertung vom Anlagenbediener erfordern, sind mit einem Ampelsystem ausgestattet.

Auf Basis von Systemempfehlungen und der Kompetenz des Fachpersonals wird das Material für den nächsten Arbeitsschritt freigegeben.

Durch die Visualisierung von Werks- und Prozessbedingungen profitieren Swiss Steel und Steeltec von zusätzlichen Erkenntnissen über die Zusammenhänge dieser Parameter mit der Produktqualität. Dadurch steigt die Flexibilität in der Fertigung: So ist es möglich, Regeln anzupassen und einzelne Prozessschritte in Echtzeit zu beeinflussen. Beispielsweise kann die Walztemperatur variiert werden, wenn es für eine bestimmte Stahlgüte oder ein kundenspezifisches Stahlprodukt erforderlich ist.

Ziele der Umstellung auf Digital Manufacturing sind die Steigerung der Effizienz der Prozesse und die Reduktion der Qualitätskosten. Durch die digitale Dokumentation der losbezogenen Prozessparametrierung wird für Gespräche mit Abnehmern zudem Transparenz erreicht.

Lückenlose Materialverfolgbarkeit dank Industrie 4.0

PQA begleitet jeden einzelnen Knüppel. Zunächst wird die Qualität des Vormaterials erfasst, bevor dieses im 80-t-Elektrolichtbogenofen geschmolzen wird. Ebenso werden die Legierungszugaben zur Beeinflussung der Werkstoffeigenschaften erfasst. Der flüssige Stahl nimmt anschließend den Weg durch vier parallele Stranggusslinien. Durch die Software ist es bei Qualitätsabweichungen am Knüppel möglich, Rückschlüsse zu ziehen. Tritt am Anfang eines Knüppels beispielsweise ein Mangel auf, können die Parameter der Stranggießanlage angepasst werden. So werden der Qualitätsausschuss und die Notwendigkeit einer Nachbearbeitung im Stahlwerk reduziert.

Die Knüppel bilden das Vormaterial, aus dem im Walzwerk der Walzdraht erzeugt wird. Die Steuerung von Temperatur und Abkühlung beim Walzen spielt eine entscheidende Rolle bei der Einstellung der Stahleigenschaften. Durch eine Markierung der Knüppel bereits in der Stranggießanlage und die digitale Datenerfassung ist die Rückverfolgbarkeit gegeben. Das gilt auch für die Walzdrahtfertigung im Warmwalzwerk, bei der die Drähte nach dem Walzen zu Drahtcoils gepresst werden.

Bei der Implementierung von PQA kann Met-Con auf die bereits 2016 automatisierte Technik im Walzwerk aufsetzen. Durch die Datenanalyse des Coil­handlings wurde dieser Prozessschritt bereits elektronisch dokumentiert. Die Daten des Vormaterials für das Blankstahlziehen erfasst Steeltec automatisch über die Drahtcoilnummern.

Die Synergien innerhalb des Stahlkonzerns zahlen sich aus: In einer verketteten Produktionsanlage durchläuft der Walzdraht von Swiss Steel bei Steeltec automatisiert die Prozesse vom Ziehen oder Schälen sowie Richten und Sägen bis zur Qualitätsprüfung und zur Endenbearbeitung.

Auf Grundlage der Ergebnisse und Erfahrungswerte wird die Software nach Implementierung gegebenenfalls in weiteren Werken der Schmolz + Bickenbach Gruppe eingesetzt.

* Dr. Joachim Graefe ist Vice President Technical Development & Program Office bei der Schmolz + Bickenbach Gruppe in 6005 Luzern (Schweiz)

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