Verbesserte Prozessführung durch moderne Regelungskonzepte in der Stahlproduktion

Stahl ist das Rückgrat produzierender Industrien – von der Automobilbranche bis zum Bauwesen. Damit jedes Produkt höchsten Qualitätsanforderungen entspricht, ist ein Schritt besonders entscheidend: die präzise Wärmebehandlung des Stahls.

Für Stahlbänder in einer kontinuierlichen Bandbehandlungsanlage bedeutet das im Detail: Im Heizbereich wird das Band zunächst auf eine definierte Temperatur erwärmt und für eine bestimmte Zeit auf dieser gehalten. Dadurch findet im Material eine Phasenumwandlung zu Austenit statt. Im anschließenden Kühlbereich wird das Band gezielt abgekühlt, um die gewünschte Mikrostruktur (Phasenzusammensetzung) im Band durch die sogenannten Austenitzersetzung einzustellen. Da die Mikrostruktur entscheidend für die mechanischen Materialeigenschaften des Stahlbandes ist, stellt die Kühlung einen entscheidenden Prozessschritt für die Qualität und Leistungsfähigkeit der Stahlprodukte.

Modernes Regelungskonzept

Im Rahmen einer erfolgreichen Zusammenarbeit haben Expert:innen vom Austrian Institute of Technology (AIT), der TU Wien und der voestalpine am Standort Linz ein modernes Regelungskonzept für die Bandtemperatur im Kühlbereich umgesetzt: die nichtlineare modellprädiktive Regelung (NMPC) der Phasenanteile im Material. Gegenüber dem Stand der Technik in der Prozessautomatisierung von Stahlbändern ermöglicht diese NMPC eine maßgebliche Steigerung der Genauigkeit bei der Temperaturführung. Unter dem Titel „Nonlinear model predictive temperature control of a cooling process for steel strips undergoing phase transformation” wurde das Regelungskonzept sowie die Ergebnisse der Umsetzung in der Fachzeitschrift „Control Engineering Practice“ veröffentlicht.

Echtzeitfähiges mathematisches Modell

Die neue optimierungsbasierte Prozessführung verbindet tiefgehendes Prozesswissen mit modernsten Algorithmen der Regelungstechnik und setzt damit neue Maßstäbe in der Prozessautomatisierung in der Stahlproduktion. Die Basis ist ein echtzeitfähiges mathematisches Modell, das sowohl die Temperaturentwicklung als auch die Phasenumwandlungen im Stahlband berücksichtigt. Mit Hilfe eines maßgeschneiderten Algorithmus berechnet der Regler in Echtzeit optimale Stellgrößen wie die Gebläsedrehzahlen für die Kühlung, um die Temperatur des Stahlbandes präzise entlang vorgegebener Sollwertwerte zu führen.

Die Ergebnisse auf einen Blick

• Höhere Qualität und Zuverlässigkeit: 51 % weniger Temperaturabweichungen – für höchste Präzision und verlässliche Produktqualität.
• Homogenere Ergebnisse: 25 % verbesserte Temperaturverteilung – ein wichtiger Faktor für weniger Schwankungen und mehr Prozessstabilität.
• Zukunftssichere Produktion: intelligente Echtzeitregelung von Phasenanteilen im Material für höchste Qualitätsanforderungen der Industrie.

Wettbewerbsvorteil durch Innovation

Die Ergebnisse sprechen für sich: An einer Produktionslinie in Linz hat das neue modellprädiktive Regelungskonzept seine Leistungsfähigkeit bereits eindrucksvoll bewiesen. Es setzt neue Maßstäbe in industriellen Wärmebehandlungsprozessen und ist ein wichtiger Beitrag in der intelligenten und nachhaltigen Stahlproduktion. Darüber hinaus stellen die Ergebnisse eine solide Basis für weitere Forschungsarbeiten hin zur direkten Regelung der Mikrostruktur und Stahlqualität dar.

Wir gratulieren den Autoren Martin Niederer (AIT) und Andreas Kugi (AIT) sowie ihren Kolleg:innen der voestalpine und TU Wien zu diesem großen Erfolg und freuen uns auf die weiteren Entwicklungen in diesem spannenden Forschungsfeld.

Wissenschaftliche Publikation:
M. Niederer, P. Zeman, S. Sannes, H. Seyrkammer, G. Helekal, A. Kugi, and A. Steinboeck: Nonlinear model predictive temperature control of a cooling process for steel strips undergoing phase transformations; Control Engineering Practice, Volume 165, 106512, 2025.
https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2025.106512