Modeling of a thermo-mechanically controlled virtual finishing rolling mill and coil cooling processes

Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in Martti Ahtisaari auditorium (L2), Linnanmaa, on 31 January 2025, at 12 noon

Abstract

Emissions from iron and steel production account for up to nine percent of total greenhouse gas emissions globally. Consequently, steel production is facing significant changes in the coming decades as it transitions to lower-emission production methods. Modern hot strip rolling lines for steel are based on electric arc furnace technology, which requires large melting sizes and excludes the rolling of individual test strips. To continue the development of new steel grades, experimental test strips increasingly need to be replaced with multi-physical, phenomenon-based mathematical models that describe the processes and phenomena in steel production.

The oldest foundational rolling theories have been researched and modeled using various methods for over a century. However, these models often overlook the rolling process itself, such as changes in the boundary conditions of the steel strip brought about by rolling automation. The aim of this thesis was to develop virtual phenomenon-based process models of finishing rolling, coiling, and coil cooling. Special attention was given to the boundary conditions caused by the process itself in the production of the steel strip. Therefore, finishing rolling was modeled using the finite element method by implementing virtual rolling automation. This enabled the creation of process conditions and boundary conditions for the simulated steel strip. The rolling simulation was also developed to be interactive utilizing sensors placed in the finite element method model.

Coil cooling is a crucial process for multiphase steels. The final microstructure of these steel grades forms during coil cooling and is thus dependent on the cooling rates of different areas of the coil. A 36-stage coil conveyance was considered in the finite element method model. Only by accounting for the most significant boundary conditions affecting the heat transfer of the coil could cooling rates corresponding to the actual coil cooling be produced for the calculation of phase transformations. Using an accurate coupled temperature and a phase transformation model, the thickness variations in the cold rolling process for multiphase steels could be explained. The differences in cooling rates of the coil caused by coil conveyance led to differences in strength, creating issues in thickness control during the cold rolling process.Tiivistelmä

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.

Vanhimmat valssauksen perusteoriat, joita edelleen hyödynnetään, on kehitetty jo yli vuosisadan ajan. Usein kuitenkin mallit jättävät huomiotta itse valssausprosessin, kuten valssausautomaation tuomat muutokset teräsnauhan reunaehtoihin. 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 todellista prosessia vastaavat prosessiolosuhteet ja reunaehdot. Valssaussimulaatiosta kehitettiin myös interaktiivinen, jossa malliin sijoitetut anturit mittasivat simulaation muuttuvia parametrejä välittäen datan virtuaaliselle valssausautomaatiolle, joka 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. Näin kyettiin tuottamaan todellista kelan jäähtymistä vastaavat jäähtymisnopeudet faasimuutoksien laskemiseksi. Tarkan lämpötilamallin ja kytketyn faasimuutosmallin avulla kyettiin selittämään kylmävalssausprosessin paksuusvaihtelut monifaasiteräksille. Kelakuljetuksen tuottamat jäähtymisnopeuserot kelassa johtivat faasiosuuseroihin aiheuttaen ongelmia paksuuden hallinnassa kylmävalssausprosessissa.