Design, implementation and testing of an intelligent knowledge-based system for the supervisory control of a hot rolling mill

This paper describes the design, implementation and testing of an intelligent knowledge-based supervisory control (IKBSC) system for a hot rolling mill process. A novel architecture is used to integrate an expert system with an existing supervisory control system and a new optimization methodology for scheduling the soaking pits in which the material is heated prior to rolling. The resulting IKBSC system was applied to an aluminium hot rolling mill process to improve the shape quality of low-gauge plate and to optimise the use of the soaking pits to reduce energy consumption. The results from the trials demonstrate the advantages to be gained from the IKBSC system that integrates knowledge contained within data, plant and human resources with existing model-based systems. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Finite element analysis of hot rolling in the blooming mill

During this thesis work a coupled thermo-mechanical finite element model (FEM) was builtto simulate hot rolling in the blooming mill at Sandvik Materials Technology (SMT) inSandviken. The blooming mill is the first in a long line of processes that continuously or ingotcast ingots are subjected to before becoming finished products. The aim of this thesis work was twofold. The first was to create a parameterized finiteelement (FE) model of the blooming mill. The commercial FE software package MSCMarc/Mentat was used to create this model and the programing language Python was used toparameterize it. Second, two different pass schedules (A and B) were studied and comparedusing the model. The two pass series were evaluated with focus on their ability to healcentreline porosity, i.e. to close voids in the centre of the ingot. This evaluation was made by studying the hydrostatic stress (σm), the von Mises stress (σeq)and the plastic strain (εp) in the centre of the ingot. From these parameters the stress triaxiality(Tx) and the hydrostatic integration parameter (Gm) were calculated for each pass in bothseries using two different transportation times (30 and 150 s) from the furnace. The relationbetween Gm and an analytical parameter (Δ) was also studied. This parameter is the ratiobetween the mean height of the ingot and the contact length between the rolls and the ingot,which is useful as a rule of thumb to determine the homogeneity or penetration of strain for aspecific pass. The pass series designed with fewer passes (B), many with greater reduction, was shown toachieve better void closure theoretically. It was also shown that a temperature gradient, whichis the result of a longer holding time between the furnace and the blooming mill leads toimproved void closure.

Modeling precipitation and its effect on recrystallization during hot strip rolling of niobium steels

Using a physically based model, the microstructural evolution of Nb microalloyed steels during rolling in SSAB Tunnplåt’s hot strip mill was modeled. The model describes the evolution of dislocation density, the creation and diffusion of vacancies, dynamic and static recovery through climb and glide, subgrain formation and growth, dynamic and static recrystallization and grain growth. Also, the model describes the dissolution and precipitation of particles. The impeding effect on grain growth and recrystallization due to solute drag and particles is accounted for. During hot strip rolling of Nb steels, Nb in solid solution retards recrystallization due to solute drag and at lower temperatures strain-induced precipitation of Nb(C,N) may occur which effectively retard recrystallization. The flow stress behavior during hot rolling was calculated where the mean flow stress values were calculated using both the model and measured mill data. The model showed that solute drag has an essential effect on recrystallization during hot rolling of Nb steels.

An investigation of worn work roll materials used in the finishing stands of the hot strip mill for steel rolling

The surface failure characteristics of different work roll materials, i.e. High Speed Steel, High Chromium Iron and Indefinite Chill Iron, used in the finishing stands of a hot strip mill have been investigated using stereo microscopy, 3D optical profilometry, scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy. The results show that the surface failure mechanisms of work rolls for hot rolling are very complex, involving plastic deformation, abrasive wear, adhesive wear, mechanical and thermal induced cracking, material transfer and oxidation. Despite the differences in chemical composition and microstructure, the tribological response of the different work roll materials was found to be strongly dependent on the material microstructure and especially the presence and distribution of microstructural constituents, such as the different carbide phases and graphite (in the case of Indefinite Chill Iron). Cracking and chipping of the work roll surfaces, both having a negative impact on work roll wear, are strongly influenced by the presence of carbides, carbide networks and graphite in the work roll surface. Consequently, the amount of carbide forming elements as well as the manufacturing process must be controlled in order to obtain an optimised microstructure and a predictable wear rate.

Calucaltion of waste heat from hot rolled steel coils at SSAB and its recovery

Hot rolling process is heat input process. The heat energy in hot rolled steel coils can be utilized. At SSAB Strip Product Borlänge when the hot rolled steel coils came out of the hot rolling mill they are at the temperature range of 500°C to 800°C. Heat energy contained by the one hot rolled steel coil is about 1981Kwh whereas the total heat energy for the year 2008 is 230 GWh/year.The potential of heat is too much but the heat dissipation rate is too slow. Different factors on which heat dissipation rate depends are discussed.Three suggestions are proposed to collect the waste heat from hot rolled steel coils.The 2nd proposal in which water basin is suggested would help not only to collect the waste heat but to decrease in the cooling time.

Mechanics of rolling continuously cast stock

A review of published literature was made to establish the fundamental aspects of rolling and allow an experimental programme to be planned. Simulated hot rolling tests, using pure lead as a model material, were performed on a laboratory mill to obtain data on load and torque when rolling square section stock. Billet metallurgy and consolidation of representative defects was studied when modelling the rolling of continuously cast square stock with a view to determining optimal reduction schedules that would result in a product having properties to the high level found in fully wrought billets manufactured from large ingots. It is difficult to characterize sufficiently the complexity of the porous central region in a continuously cast billet for accurate modelling. However, holes drilled into a lead billet prior to rolling was found to be a good means of assessing central void consolidation in the laboratory. A rolling schedule of 30% (1.429:1) per pass to a total of 60% (2.5:1) will give a homogeneous, fully recrystallized product. To achieve central consolidation, a total reduction of approximately 70% (3.333:1) is necessary. At the reduction necessary to achieve consolidation, full recrystallization is assured. A theoretical analysis using a simplified variational principle with experimentally derived spread data has been developed for a homogeneous material. An upper bound analysis of a single, centrally situated void has been shown to give good predictions of void closure with reduction and the reduction required for void closure for initial void area fractions 0.45%. A limited number of tests in the works has indicated compliance with the results for void closure obtained in the laboratory.

Bond Strength of Multicomponent White Cast Iron Coatings Applied by HVOF Thermal Spray Process

Multicomponent white cast iron is a new alloy that belongs to system Fe-C-Cr-W-Mo-V, and because of its excellent wear resistance it is used in the manufacture of hot rolling mills rolls. To date, this alloy has been processed by casting, powder metallurgy, and spray forming. The high-velocity oxyfuel process is now also considered for the manufacture of components with this alloy. The effects of substrate, preheating temperature, and coating thickness on bond strength of coatings have been determined. Substrates of AISI 1020 steel and of cast iron with preheating of 150 A degrees C and at room temperature were used to apply coatings with 200 and 400 mu m nominal thickness. The bond strength of coatings was measured with the pull-off test method and the failure mode by scanning electron microscopic analysis. Coatings with thickness of 200 mu m and applied on substrates of AISI 1020 steel with preheating presented bond strength of 87 +/- A 4 MPa.

Microstructure and texture assessment of Al-Mn-Fe-Si (3003) aluminum alloy produced by continuous and semicontinuous casting processes

Aluminum sheets are currently produced by the direct-chill process (DC). The need for low-cost aluminum sheets is a challenge for the development of new materials produced by the twin roll caster (TRC) process. It is expected that sheets produced from these different casting procedures will differ in their microstructure. These differences in microstructure and in the crystallographic texture have great impact on sheet mechanical properties and formability. The present study investigated microstructure and evaluated texture of two strips of Al-Mn-Fe-Si (3003) aluminum alloy produced by TRC and by hot-rolling processes. It was possible to notice that the microstructure, morphology, and grain size of the TRC sample were more homogenous than those found in hot-rolled samples. Both strips, obtained by the two processes, showed strong texture gradient across the thickness.

Kuparituotetehtaan tuoterakenteen ja logistisen tehokkuuden kehittäminen

Tässä tutkimuksessa on keskitytty tutkimaan kuparituotetehtaan tuoterakennetta ja tilausten kohdistumispisteitä sekä esittämäänparannusehdotuksia näiden suhteen. Valssaamon prosessivarasto on kokenut huomattavan pienennyksen ja tavoitteena on, että tästä huolimatta tuotantoa pystyttäisiin ohjaamaan vähemmin resurssein, materiaalipulasta kärsimättä ja nopeammin läpimenoajoin. Lisäksi työssä esitetään muita tuotantoprosessiin liittyviä kehitysehdotuksia, jotka tukevat tuotannon virtaviivaistamista ja varastosaldojen vähentämistä. Teoriaosuudessa selitetään Lean-tuotannon toimivuuttavalssaamon kaltaisessa toimintaympäristössä. Teoriaosuudessa on käsitelty Lean-tuotannon lisäksi myös Agile- ja Leagile-teorioita, koska myös näiden teorioidenyhteensopivuus valssaamon tuotantoon on merkittävä. Empiirisessä osassa on kuvattu tuotantoprosessin ja tuoterakenteen nykytila sekä esitetty kehitysehdotuksianäiden kehittämiseen esiteltyjen teorioiden pohjalta. Tutkimuksen perusteella esitetään muutoksia tämänhetkiseen tuoterakenteeseen, koska nykyisen kaltainen tuoterakenne on jäänyt osittain turhaksi varastojen siirryttyä tuotannon alkupäähän. Lisäksi ehdotetaan kuumavalssaussuunnitelmasta luopumista ja kuumavalssaimen ohjaussyklin lyhentämistä vuorokauden mittaiseksi, sekä esitetään, miten tuotantoon tulisi välittää nykyistä tarkempaa tietoa tilauksien valmistumisajankohdista.

Modernisation of bar mill automation

Työn tavoitteena on tankovalssaamon perusautomaation modernisointi Ovako Bar Oy Ab:n Imatran terästehtaalla. Vanha automaatiojärjestelmä on toteutettu 80-luvun puoli-välin tekniikalla käyttämällä Siemens Sicomp MMC 216 moniprosessori-tietokonetta, Siemens Simatic S5 logiikkayksiköitä sekä Siemens Simadyn D DC-käyttöjä. Modernisoinnin tarkoituksena on korvata vanha automaatiojärjestelmä Siemens PCS7 -järjestelmällä siten, että tankovalssaamon automaatiojärjestelmä voidaan liittää osaksi jo aiemmin modernisoituja, nykyisin PCS7 automaatiojärjestelmällä toteutettuja ratkaisu-ja. Valssaamon mekaniikka ei mahdollista tuotannon kasvattamista pelkästään uuden automaatiojärjestelmän avulla, joten modernisointi keskittyy parantamaan järjestelmän luotettavuutta ja helpottamaan ylläpitoa. Projekti päätettiin jakaa kolmeen osaan, jotka voidaan toteuttaa erillisinä osaprojekteina. Tärkein osaprojekti on MMC järjestelmän uusinta. Muut osaprojektit ovat DC-käyttöjen sekä ohjelmoitavien logiikkojen modernisointi. Osaprojektit valittiin siten, että mikä tahansa niistä voidaan toteuttaaerillisenä projektinaan, mikäli kaikkia osia ei voida mo-dernisoida samanaikaisesti budjetin asettamien rajoitusten vuoksi.

Fluoriditasetarkastelu ja päästöjen hallinta ferrokromi- ja terästeollisuudessa

Työn alkuosassa kartoitettiin AvestaPolarit –yhtiöiden Tornion tehtaiden keskeiset fluoridilähteet kuten fluspaatti, valukuonat, valupulverit ja fluorivetyhappo. Valupulverien ja kuonien haihtumis- ja liukoisuuskäyttäytymistä valaistiin kotimaisten ja kansainvälisten tutkimusten avulla. Tutkimustuloksia sovellettiin pääpiirteittäin Tornion tehtaiden tilanteeseen ottamalla huomioon tekijät, jotka saattoivat lieventää tai vahvistaa fluoridien vaikutusta ympäristöön. Yleisesti fluoridien ympäristö- ja terveysvaikutukset arvioitiin vähäisiksi. Työn kokeellisessa osassa määritettiin Tornion tehtaiden ferrokromitehtaan, terässulaton, kuumavalssaamon ja kylmävalssaamon fluoriditaseet. Jokaisen osastojen syötteiden fluoridipitoisuudet selvitettiin tuottajien ilmoittamien tuotekoostumuksien, spesifikaatioiden ja fluoridianalyysien perusteella. Fluoridien kokonaismäärät laskettiin jokaiselle syötteelle ja ne suhteutettiin kunkin osaston vuoden 2001 tuotantotasoon. Tasetarkastelussa suurimpina fluoridisyötteinä nousivat odotetusti esiin terässulaton käyttämä kuonanmuodostaja-aine fluspaatti (CaF2) ja kylmävalssaamon peittaushappo, 70 prosenttinen fluorivetyhappo (HF). Lisäksi muita merkittäviä syötteitä olivat kylmävalssaamon käyttämä kalkkipitoinen sekakuona ja ferrokromitehtaan sulatuskoksi. Tuotoksien eli päästöjen fluoridipitoisuudet saatiin selville päästömittauksin. Jätevesistä otettiin pääosin viikoittaisia kokoomanäytteitä, jotka analysoitiin tehtaan laboratoriossa. Kaasumaiset tuotokset oli määritetty kertamittauksien perusteella. Kiinteiden tuotoksien eli sakkojen ja kuonien fluoridimittaukset suoritettiin 3 sulatuksen kuonanäytteistä ja sakan vuosinäytteestä. Tuotoksista suurimmat ominaispäästökertoimet olivat juuri terässulaton AOD-konvertterin ja senkkauunin kuonilla ja kylmävalssaamon neutraloidulla regenerointisakalla ja neutralointisakoilla. Näistä ei aiheutunut varsinaista päästöä lähiympäristöön, koska sakat ja kuonat loppusijoitetaan tehtaan kaatopaikalle tai niitä käytetään liukenemattomassa muodossa. Tornion tehtaiden fluoridisyötteiden ja -tuotoksien mittausepätarkkuudet vaikuttivat fluoriditaseeseen. Ferrokromitehtaan fluoridisyötteet olivat kokonaismäärältään selvästi suurempia kuin tuotokset. Terässulaton fluoriditaseen tuotokset olivat suurempia kuin syötteet ja kylmävalssaamon syötteet sekä tuotokset olivat karkeasti arvioiden samaa suuruusluokkaa. Kuumavalssaamon fluoridisyötteet ja -tuotokset olivat mitättömiä. Fluoriditaseen epävarmuustekijöitä voidaan vähentää suorittamalla esimerkiksi useita fluoridimittauksia kaasumaisista päästöistä.

A temperature predicting model for manufacturing processes requiring coiling

A model for predicting temperature evolution for automatic controling systems in manufacturing processes requiring the coiling of bars in the transfer table is presented. Although the method is of a general nature, the presentation in this work refers to the manufacturing of steel plates in hot rolling mills. The predicting strategy is based on a mathematical model of the evolution of temperature in a coiling and uncoiling bar and is presented in the form of a parabolic partial differential equation for a shape changing domain. The mathematical model is solved numerically by a space discretization via geometrically adaptive finite elements which accomodate the change in shape of the domain, using a computationally novel treatment of the resulting thermal contact problem due to coiling. Time is discretized according to a Crank-Nicolson scheme. Since the actual physical process takes less time than the time required by the process controlling computer to solve the full mathematical model, a special predictive device was developed, in the form of a set of least squares polynomials, based on the off-line numerical solution of the mathematical model.

Valssien käytettävyys ja kunnossapito terästehtaassa

Valssi on valssauslaitteiston keskeinen komponentti. Valssauksessa aihiota muokataan kuljettamalla sitä kahden valssin muodostaman raon välistä. Valssit altistuvat valssausprosessissa korkealle lämpötilalle ja pintapaineelle. Valsseille asetettavat vaatimukset tiukkenevat tuottavuuden vaatimusten kiristyessä. Valssit, yhtenä valssauslaitteiston komponenteista, muodostavat suuren osan valssauksen kustannuksista, joten valssien käyttöiän pidentämisen avulla voidaan parantaa valssauksen tuottavuutta ja kustannustehokkuutta. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin valssien käytettävyyttä ja kunnossapitoa, sillä näitä asioita kehittämällä on mahdollista saavuttaa valsseille pidempi kestoikä. Tutkimus toteutettiin kirjallisuusselvityksenä, jota täydennettiin valssausta tekevien yritysten haastatteluilla. Tavoitteena oli kerätä saatavissa oleva kirjallinen ja hiljainen tieto yksiin kansiin ja tutkia mahdollisia syy-seuraussuhteita valssien käytettävyyteen vaikuttavien ilmiöiden sekä valssien kulumisen ja vaurioitumisen välillä. Tutkimuksessa havaittiin, että vauriotyypit ovat riippuvaisia valssausprosessista, jolla tarkoitetaan, että kuuma- ja kylmävalssauksessa esiintyy erilaisia vauriotyyppejä. Kuuma- ja kylmävalssauksessa myös valssien kulumiseen vaikuttavat erilaiset ilmiöt. Valssien kulumista ja vaurioita on mahdollista ehkäistä erilaisilla pintakäsittely- ja pinnoitusmenetelmillä. Valssien kunnossapidon toteutusta tutkittaessa havaittiin, että kuluneiden valssien vaihto kunnostettuihin pyritään suorittamaan mahdollisimman nopeasti ja tätä varten on saatavilla kyseiseen tarkoitukseen kehitettyjä laitteistoja. Kuluneet valssit sorvataan ja hiotaan, jotta niiden pinnasta saadaan tasainen ja saavutetaan haluttu halkaisija. Tämän jälkeen pinnoitusmenetelmiä on mahdollista suorittaa uudelleen. Kunnossapitotoimenpiteet tehdään joko yrityksen omalla korjaamolla tai alihankintana toisen yrityksen tiloissa.