Enhancing the sustainability of steelmaking through the optimization of ladle operations

Abstract

Steel is a cornerstone of modern society, yet its production remains one of the most energy and emissions-intensive industrial activities worldwide. Achieving the deep decarbonization targets required by 2050 calls for innovative optimization methods to improve efficiency in steelmaking operations. This thesis investigates how the thermal behavior and refractory degradation of steel ladles, a critical vessel in secondary metallurgy, can be integrated into decision-support frameworks to enhance the sustainability of ladle operations. Towards this goal, mixed-integer linear programming and data-driven predictive models were combined to minimize CO2 emissions involved in ladle dispatching and fleet maintenance scheduling to understand optimal operational practices. Finally, a prototype decision-support system was developed, integrating the models to demonstrate their practical applicability. For a leading European steelmaker, the results showed that incorporating the ladle’s thermal balance and refractory degradation is essential for achieving sustainable and cost effective operations in both operational and tactical decision-making. In ladle dispatching,a trade-off between direct (reheating) and indirect (refractory consumption) emissions was identified. The optimal reheating strategy is closely linked to economic performance,with the opportunity to reduce emissions by 25% while unlocking additional savings from carbon levies. In maintenance scheduling, strategically reducing the fleet’s daily production rate and synchronizing ladle maintenance with periods of lower demand proved effective in reducing direct emissions up to 39% by avoiding unnecessary preheating compared to conservative policies. Finally, the prototype decision-support tool demonstrated the challenges for practical implementation, highlighting the data and modeling requirements for successful adoption.This work highlights that while optimization is necessary to improve resource efficiency,the continued reliance on ladle heating underscores the need for additional measures,especially transitioning from natural gas to cleaner fuels. The findings provide methodological advances and practical insights for sustainable ladle fleet management in the steel industry.

Stahl ist ein Grundpfeiler der modernen Gesellschaft, doch seine Herstellung gehört nach wie vor zu den energie- und emissionsintensivsten industriellen Aktivitäten weltweit. Um die bis 2050 geforderten tiefgreifenden Dekarbonisierungsziele zu erreichen, sind innovative Optimierungsmethoden zur Verbesserung der Effizienz in der Stahlherstellung erforderlich. Diese Arbeit untersucht, wie das thermische Verhalten und die Abnutzung der feuerfesten Auskleidung von Stahlpfannen, einem wichtigen Behälter in der Sekundärmetallurgie, in Entscheidungshilfesysteme integriert werden können, um die Nachhaltigkeit des Pfannenbetriebs zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden gemischt-ganzzahlige lineare Programmierung und datengesteuerte Vorhersagemodelle kombiniert, um die CO2-Emissionen im Zusammenhang mit der Einsatzplanung von Pfannen und der Wartungsplanung der Flotte zu minimieren und so optimale Betriebsabläufe zu ermitteln. Schließlich wurde ein Prototyp eines Entscheidungshilfesystems entwickelt, in das die Modelle integriert wurden, um ihre praktische Anwendbarkeit zu demonstrieren.Für einen führenden europäischen Stahlhersteller zeigen die Ergebnisse, dass die Einbeziehung des Wärmehaushalts und der Auskleidungsverschleiß der Pfanne sowohl für die operative als auch für die taktische Entscheidungsfindung von zentraler Bedeutung ist, um einen nachhaltigen und kosteneffizienten Betrieb zu erreichen. Bei der Pfannenverteilung wurde ein Kompromiss zwischen direkten (Wiedererwärmung) und indirekten (Auskleidungsverbrauch) Emissionen festgestellt. Die optimale Wiedererwärmungsstrategie ist eng mit der wirtschaftlichen Leistung verbunden und bietet die Möglichkeit, die Emissionen um 25 % zu reduzieren und gleichzeitig zusätzliche Einsparungen durch Kohlenstoffabgaben zu erzielen. Bei der Wartungsplanung erwies sich die strategische Reduzierung der täglichen Produktionsrate der Flotte und die Synchronisierung der Pfannenwartung mit Zeiten geringerer Nachfrage als wirksam, um die direkten Emissionen um bis zu 39 % zu reduzieren, indem unnötiges Vorheizen im Vergleich zu konservativen Strategien vermieden wurde. Schließlich zeigte das prototypische Entscheidungshilfetool die Herausforderungen für die praktische Umsetzung auf und hob die Daten- und Modellierungsanforderungen für eine erfolgreiche Einführung hervor.Diese Arbeit macht deutlich, dass zwar eine Optimierung zur Verbesserung der Ressourceneffizienz notwendig ist, jedoch durch die fortgesetzte Abhängigkeit von der Pfannenheizung die Notwendigkeit zusätzlicher Emissionsreduktionsmaßnahmen besteht, insbesondere was den Übergang von Erdgas zu saubereren Brennstoffen betrifft. Daher liefern die Ergebnisse methodische Fortschritte und praktische Erkenntnisse für ein nachhaltiges Management des Pfannenbestands in der Stahlindustrie.