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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