Termomekaanisesti kontrolloidun virtuaalivalssauksen ja kelajäähtymisen mallinnus

Raudan- ja teräksen tuotannon päästöt ovat globaalisti jopa yhdeksän prosenttia koko maailman kasvihuonepäästöistä. Teräksen tuotanto onkin suurien muutosten edessä tulevien vuosikymmenien aikana siirryttäessä vähäpäästöisempiin tuotantomenetelmiin. Modernit teräksen kuumanauhan suoravalssauslinjat perustuvat valokaariuuniteknologiaan, mikä vaatii suuret sulatuskoot poissulkien yksittäisten testinauhojen valssaamisen. Uusien teräslaatujen kehittämiseksi jatkossakin, kokeelliset testivalssaukset täytyy enenevissä määrin korvata monifysikaalisilla ilmiöpohjaisilla prosessia ja teräksen tuotannossa esiintyviä ilmiöitä kuvaavilla matemaattisilla malleilla.
Teräksen valssausta on tutkittu ja mallinnettu erilaisilla menetelmillä jo yli vuosisadan ajan. Vanhimmat perusteoriat, joita edelleen hyödynnetään ovat myös tuolta ajalta. Vuosien saatossa teräksen valssauksessa esiintyvien ilmiöiden malleja on yhdistetty ja entistä tarkempia malleja kehitetty. Usein kuitenkin mallit jättävät huomiotta itse valssausprosessin, kuten valssausautomaation tuomat muutokset teräsnauhan reunaehtoihin. Näiden merkitys on huomattava jopa useita minuutteja kestävän valssausprosessin aikana.
Tämän väitöstyön tavoitteena oli kehittää virtuaaliset ilmiöpohjaiset prosessimallit nauhavalssauksesta, kelauksesta sekä kelajäähtymisestä. Erityisesti huomioitiin itse prosessin aiheuttamia reunaehtoja teräsnauhan valmistukseen. Täten nauhavalssaus mallinnettiin elementtimenetelmän avulla implementoiden virtuaalinen valssausautomaatio kontrolloimaan valssaussimulaatiota. Näin kyettiin luomaan simuloidulle teräsnauhalle mahdollisimman tarkasti todelliseen valssausprosessiin verrattavissa olevat prosessiolosuhteet ja reunaehdot. Valssaussimulaatiosta kehitettiin myös interaktiivinen. Elementtimenetelmämalliin sijoitetut anturit mittasivat valssaussimulaation muuttuvia parametrejä välittäen datan virtuaaliselle valssausautomaatiolle, joka kontrolloi ja säätää valssaimen toimintaa tarvittaessa.
Kelajäähtyminen on erittäin tärkeä prosessi monifaasiteräksille. Näiden teräslaatujen lopullinen mikrorakenne muodostuu kelajäähtymisen aikana ja on täten riippuvainen kelan eri alueiden jäähtymisnopeuksista. Kelajäähtymisen simulointiin kehitetyssä elementtimenetelmämallissa huomioitiin 36-vaiheinen kelakuljetuspolku kelaimelta kelakentälle. Vain huomioimalla kaikki oleellisimmat kelan lämmönsiirtymiseen vaikuttavat lämmönsiirtomekanismit ja reunaehdot, kyettiin tuottamaan todellista kelan jäähtymistä vastaavat jäähtymisnopeudet faasimuutoksien laskemiseksi. Tarkan lämpötilamallin ja kytketyn faasimuutosmallin avulla kyettiin selittämään kylmävalssausprosessin paksuusvaihtelut monifaasiteräksille. Kelakuljetuksen aiheuttamat jäähtymisnopeuserot kelan ylä- ja alaosien välillä johtivat faasiosuuseroihin ja täten myös lujuuseroihin aiheuttaen ongelmia paksuuden hallinnassa nopeassa kylmävalssausprosessissa.