MR 0720 - Simulação

Aula 11 - Lógica nebulosa aplicada na determinação dos parâmetros de trabalho de fornos industriais de têmpera contínua

para o aço CK75

Apresentação

CenárioMotivaçãoMetodologiaMetalurgiaFornoGSP - Gerador de Set-point

duração prevista - 55 min

Cenário

Histórico econômicoA Mangels Ind. e Com. Ltda. - Divisão Aços.- Histórico tecnológico;- Processo produtivo;- Produtos.

Histórico Econômico

Recessão econômica 1985 a 2000- Readequação do quadro de funcionários- Eliminação de departamentos de apoio a produção

Plano Collor, início da abertura de mercado

MangelsA Mangels é uma empresa nacional fundada em 1/10/1928 Iniciou suas atividades fabricando baldes. Atualmente formada por 4 divisões: Rodas, Cilindros, Aços, Galvanização

Histórico Tecnológico

1974 acordo de transferência tecnológica com a Hoesch da Alemanha;1978 acordo de transferência tecnológica com a Sandvik da Suécia;1998 acordo de transferência mutua de tecnológica com a Theis dos Estados Unidos;1999 acordo técnico e comercial com a ACME Steel dos Estados Unidos.

FLUXOGRAMA FABRICAÇÃO

Minério de ferro+ carvão Alto forno Aciaria Lingotamento contínuo Laminação a quente

- Tubos- Construção civil

Bobina laminada a quente Laminação a frio Chapas e rolos laminados a frio

- Montadoras- Linha branca- Distribuição

Bobinas laminadas a quente Decapagem Corte circular Relaminação a frio Linhas de acabamento

Produtos relaminados

- Montadoras- Motos- Auto peças- Ferramentas- Embalagem- Construção civil

Usina siderúrgica

Relaminação

Placas

ProcessoDecapagem –remove a camada de oxido (bobina)

Corte circular –divide a bobina em diversos rolos

Processo

Laminação –reduz a espessura

Recozimento –reduz a dureza do material

Processo

Forno de Têmpera Contínua

Produtos

Apresentação

CenárioMotivaçãoMetodologiaMetalurgiaFornoGSP - Gerador de Set-point

Motivação

Processo de Laminação, Recozimento e Têmpera tem forte dependência do operador e/ou do Engenheiro Metalurgista;A Têmpera é o processo que mais agrega valor;A Têmpera está trabalhando no limite da capacidade;

Motivação - TêmperaPossui baixo nível de automação.O ajuste dos parâmetros do processo depende exclusivamente do conhecimento dos Especialistas.Alto índice de repasse do primeiro rolo de uma OP (Ordem de Produção).

Apresentação

CenárioMotivaçãoMetodologiaMetalurgiaFornoGSP - Gerador de Set-point

MetodologiaEstado da arte- consulta aos fabricantes de fornos- consulta aos professores/pesquisadores- consulta bibliografia disponível

Análise do problema- repetibilidade do processo- índice de retrabalho- variáveis do processo- banco de dados existente

Estabelecimento do objetivo do trabalho- repetibilidade- produtividade (incluindo redução do retrabalho)

Modelagem (clássica ou heurística?)- sistema não linear de variáveis distribuídas- grande número de variáveis imponderáveis- tempo disponível restrito- abundância de dados históricos

Apresentação

CenárioMotivaçãoMetodologiaMetalurgiaFornoGSP - Gerador de Set-point

duração prevista - 40 min

Ferro

Estrutura cúbica de corpo centrada (CCC); (a) representação esquemática, (b) vista tridimensional, (c) célula unitária e (d) plano diagonal da célula unitária. Referência [Silva at al.– 88]

Estrutura cúbica de face centrada (CFC) ; (a) representação esquemática, (b) vista tridimensional, (c) célula unitária e (d) plano da face da célula unitária. Referência [Silva at al.– 88]

Aço (Diagrama de fase ferro – cementita)

α: Fe alfa ou ferrita

γ: Fe gama ou austenita

Fe3C: Carboneto de Ferroou cementita

Perlita: Micro-constituinte formado por duas fases: α + Fe3C

α + γ

γ

γ + Fe3C

α + Fe3C

A3

A1

Acm

E

Fe3C

Aços hipereutetóidesAços hipoeutetóides

Aço eutetóide

Fe 0,8 2,1 %C

T (ºC)

α

912

727

Ferro fundido

CFC

CCC

PerlitaAustenita originala 850 ºC.

Aço com 0,5 %C. Fases: ferrita e cementita

Constituintes: Ferrita e perlita.

Aço Hipoeutetóide

Aço com 0,8 %C. Fases: ferrita e cementita

Constituinte: Perlita.

Aço Eutetóide

Aço com 1,2 %C. Fases: ferrita e cementita

Constituintes: Cementita e perlita.

Aço Hipereutetóide

Fe 0,5 0,8 1,2 %C

Perlita

B C D E GF

A

727

tempo

H

γ

γ γ

T( C)

Perlita

Austenita Perlita.

⇒

Curva T T T 727º

Efeito da temperaturae tempo de forno sobreo tamanho de grão

Grão Austenítico

Grão AusteníticoTamanho do grão austenítico pela ASTM(a) e escala de conversão do número de grão ASTM em diâmetro médio equivalente (b) (figura fora de escala) [Silva at al.– 88]

Ciclos de resfriamento

Ciclo de revenimento para uma tempera convencional, levando em conta a espessura da peça

Ciclo de revenimento para a martêmpera, levando em conta a espessura da peça

Ciclo de revenimento para a austêmpera, levando em conta a espessura da peça

Curva TRC do aço ABNT 4140

A presença de elementos de liga dissolvidos na austenita deslocam os campos de formação da Ferrita / Perlita de forma mais acentuada, deixando o campo de formação da bainita mais proeminente

Aço Ligado

Plato e Disco de uma embreagem automotiva

Montagem do plato e disco

Funcionamento da Embreagem

Funcionamento de uma embreagem

Apresentação

CenárioMotivaçãoMetodologiaMetalurgiaFornoGSP - Gerador de Set-point

duração prevista - 28 min

O Forno de Têmpera

Filme

Apresentação

CenárioMotivaçãoMetodologiaMetalurgiaFornoGSP - Gerador de Set-point

duração prevista - 24 min

GSP – Gerador de Set Point

“Defuzzyficação”“Fuzzyficação”(discretização)

Tomada de decisão

(inferência)

Base de Conhecimento

(regras)

Entradas Saída

Variáveis de EntradaVelocidade (m/min)Temp. Austenitização (4)Temp. Chumbo (2)Temp. Revenimento (4)Temp. Placas Grafite (3)espessura e largura da tira (seção transversal)Vazão de gás N2

Tração no material% de redução da espessura no processo de laminaçãopropriedades mecânicas (LE, LR, dureza e % alongamento)Composição química (%C)

Escolheu-se, como variáveis de entrada, a Temperatura da Austenitização e somatória da seção transversal das tiras de aço.

Variáveis de Saídadureza tamanho de grão austeníticoLR limite de resistênciaplanicidade

Estabeleceu-se a velocidade como variável de saída do Sistema Fuzzy

MetodologiaEstado da arte- consulta aos fabricantes de fornos- consulta aos professores/pesquisadores- consulta bibliografia disponível

Análise do problema- repetibilidade do processo- índice de retrabalho- variáveis do processo- banco de dados existente

Estabelecimento do objetivo do trabalho- repetibilidade- produtividade (incluindo redução do retrabalho)

Modelagem (clássica ou heurística?)- sistema não linear de variáveis distribuídas- grande número de variáveis imponderáveis- tempo disponível restrito- abundância de dados históricos

Grão AusteníticoTamanho do grão austenítico pela ASTM(a) e escala de conversão do número de grão ASTM em diâmetro médio equivalente (b) (figura fora de escala) [Silva at al.– 88]

Efeito da temperaturae tempo de forno sobreo tamanho de grão

Grão Austenítico

Escolha das Variáveis E/STemos 24 variáveis de entrada e 4 de saída, desta forma o levantamento das inferências junto aos especialistas ficaria prejudicado. Decidimos analisar o forno em partes e considerar, para este trabalho, aquela que tem maior influência na produtividade, no caso a Austenitização;Fixamos um aço representativo (CK75);Escolhemos a temperatura do último termopar da austenitização.

Variáveis e Valores Lingüísticosx: Temperatura (variável lingüística)T(x): baixa, média e alta (valores da variável lingüística)X: 850 a 950 ºC (universo de discurso)

x: Seção transversal T(x): muito pequena, pequena, média, grande e muito grandeX: 40 a 250 mm2

x: VelocidadeT(x): muito baixa, baixa, média e altaX: 2 a 6 m/s

Fuzzificação - Funções de pertinência

850 900 950

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Temperatura

Gra

u de

per

tinên

cia

baixa média alta

50 100 150 200 250

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Área-seção-transversal

Gra

u de

per

tinân

cia

muitopequena média muitograndepequena grande

2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

velocidade

Gra

u de

per

tinên

cia

média altamuito-baixa baixa

Regras – conhecimento do especialista

VelocidademB – muito baixa M – médiaB – baixa A - alta

Seção Muito

pequena Pequena Média Grande Muito

grande

Baixa M M B B mB

Média A M M B B

Tem

pera

tura

Alta A A M M B

Regras de Inferência e Defuzzificação

Banco de dados (amostra)

OP CLIENTE ESP. (mm) LAR. (mm) T. AUSTE. (ºC) T.ChQ (ºC) T.Ch RES. (ºC) PESO QUENTE (ºC) T.REVE (ºC) VELO.(m/min) DUREZA

386 LuK 0,300 43,000 870,0 260,0 270,0 400,0 525,0 4,2 44626467 LuK 0,400 61,000 900,0 260,0 270,0 425,0 495,0 49712066 LuK 0,400 61,000 880,0 265,0 270,0 420,0 470,0 3,6 49526703 LuK 0,400 58,000 890,0 260,0 270,0 430,0 515,0 5,4 44626466 LuK 0,400 61,000 900,0 270,0 280,0 420,0 495,0 494,028828 LuK 0,500 86,000 920,0 270,0 280,0 430,0 475,0 4,8 49529156 LuK 0,500 75,000 950,0 270,0 270,0 440,0 480,0 4,4 49311399 LuK 0,500 67,000 890,0 270,0 280,0 430,0 565,0 3,8 39011401 LuK 0,500 86,000 890,0 260,0 270,0 430,0 460,0 3,5 49712084 LuK 0,600 52,000 890,0 260,0 270,0 430,0 555,0 3,0 39827179 LuK 0,600 54,000 910,0 270,0 280,0 420,0 465,0 4,0 49127178 LuK 0,600 54,000 900,0 270,0 280,0 430,0 482,0 4,8 49428244 LuK 0,600 54,000 945,0 260,0 270,0 440,0 465,0 4,6 49312111 LuK 0,600 54,000 890,0 260,0 270,0 430,0 460,0 3,5 49810357 LuK 0,600 61,000 900,0 270,0 280,0 430,0 460,0 49610207 LuK 0,600 63,000 890,0 250,0 260,0 420,0 503,0 3,6 45627773 LuK 0,600 63,000 900,0 270,0 275,0 430,0 515,0 3,8 45056367 LuK 0,600 48,000 880,0 260,0 270,0 430,0 465,0 3,6 49810353 LuK 0,600 48,000 900,0 270,0 280,0 430,0 460,0 3,827177 LuK 0,600 48,000 910,0 260,0 270,0 425,0 495,0 4,8 48926708 LuK 0,600 80,000 820,0 260,0 270,0 420,0 477,0 5,0 48929858 LuK 0,600 48,000 900,0 270,0 280,0 430,0 460,0 3,826704 LuK 0,600 44,000 910,0 260,0 270,0 420,0 480,0 4,0 49629375 LuK 0,600 44,000 910,0 260,0 270,0 420,0 460,0 4,4 49127174 LuK 0,600 44,000 910,0 270,0 280,0 420,0 463,0 3,8 494

Banco de Dados x “Fuzzy”

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

79 79 86 86 86 97 110 113 149 250

seção (mm2)

velo

cida

de (m

/min

)

Velocidade "Fuzzy"

Velocidade banco de dados

Teste em Campo

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

62,0 91,0 121,6 130,6 137,6 137,6 137,6 139,9 149,2 176,0 186,0 204,9 205,2

Seção transversal (mm2)

Velo

cida

de (m

/min

)

Velocidade "fuzzy"

Velocidade operador

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

25,80

36,54

47,04

62,00

112,3

670

,4063

,6080

,0080

,2212

0,08

134,4

091

,8014

9,24

180,8

018

0,96

121,9

813

9,48

158,4

016

3,80

64,80

246,9

034

2,00

Área da seção transversal (mm2)

Velo

cida

de (m

/min

)

ESPESSURA(mm)

LARGURA x20(mm)

Vel NTM

Analise da velocidade proposta pela NTM vs. espessura e largura da tira de aço

Analise da velocidade proposta pelo Operador e NTM vs. espessura e largura da tira de aço

0

1

2

3

4

5

6

25,80

36,54

47,04

62,00

112,3

670

,4063

,6080

,0080

,2212

0,08

134,4

091

,8014

9,24

180,8

018

0,96

121,9

813

9,48

158,4

016

3,80

64,80

246,9

034

2,00

Área da seção transversal (mm2)

Velo

cida

de (m

/min

)

ESPESSURA(mm)

LARGURA x20(mm)

Vel NTM Vel OPERADOR

Analise das velocidades (NTM, Ope e Fuzzy) vs. espessura e largura da tira de aço

0

1

2

3

4

5

6

25,80

36,54

47,04

62,00

112,3

670

,4063

,6080

,0080

,2212

0,08

134,4

091

,8014

9,24

180,8

018

0,96

121,9

813

9,48

158,4

016

3,80

64,80

246,9

034

2,00

Area da seção transversal (mm2)

Velo

cida

de (m

/min

)

ESPESSURA(mm)

LARGURA x20(mm)

Vel NTM Vel OPERADOR Vel FUZZY

Sugestões para futuros trabalhos

Criar um sistema Fuzzy que controle o revenimento.

150

Área mm2

150

Temp. Revenimento

850

Temp. Aust.

Fuzzy Logic Controller

Austenitização

Fuzzy Logic Controller

Revenimento

singlesingle

single

single

singlesingle

double

double