Academic literature on the topic 'Metallurgical optimization'

Pour avoir un fonctionnement de l'usine sûr et bénéfique, des données précises et fiables sont nécessaires. D'une manière générale, une information précise mène à de meilleures décisions et, par conséquent, de meilleures actions pour aboutir aux objectifs visés. Dans un environnement industriel, les données souffrent de nombreux problèmes comme les erreurs de mesures (autant aléatoires que systématiques), l'absence de mesure de variables clés du procédé, ainsi que le manque de consistance entre les données et le modèle du procédé. Pour améliorer la performance de l'usine et maximiser les profits, des données et des informations de qualité doivent être appliquées à l'ensemble du contrôle de l'usine, ainsi qu'aux stratégies de gestion et d'affaires. Comme solution, la réconciliation de données est une technique de filtrage qui réduit l'impact des erreurs aléatoires, produit des estimations cohérentes avec un modèle de procédé, et donne également la possibilité d'estimer les variables non mesurées. Le but de ce projet de recherche est de traiter des questions liées au développement, la mise en œuvre et l'application des observateurs de réconciliation de données pour les industries minéralurgiques et métallurgiques. Cette thèse explique d’abord l'importance de régler correctement les propriétés statistiques des incertitudes de modélisation et de mesure pour la réconciliation en régime permanent des données d’usine. Ensuite, elle illustre la façon dont les logiciels commerciaux de réconciliation de données à l'état statique peuvent être adaptés pour faire face à la dynamique des procédés. La thèse propose aussi un nouvel observateur de réconciliation dynamique de données basé sur un sous-modèle de conservation de la masse impliquant la fonction d'autocovariance des défauts d’équilibrage aux nœuds du graphe de l’usine. Pour permettre la mise en œuvre d’un filtre de Kalman pour la réconciliation de données dynamiques, ce travail propose une procédure pour obtenir un modèle causal simple pour un circuit de flottation. Un simulateur dynamique basé sur le bilan de masse du circuit de flottation est développé pour tester des observateurs de réconciliation de données et des stratégies de contrôle automatique. La dernière partie de la thèse évalue la valeur économique des outils de réconciliation de données pour deux applications spécifiques: une d'optimisation en temps réel et l’autre de commande automatique, couplées avec la réconciliation de données. En résumé, cette recherche révèle que les observateurs de réconciliation de données, avec des modèles de procédé appropriés et des matrices d'incertitude correctement réglées, peuvent améliorer la performance de l'usine en boucle ouverte et en boucle fermée par l'estimation des variables mesurées et non mesurées, en atténuant les variations des variables de sortie et des variables manipulées, et par conséquent, en augmentant la rentabilité de l'usine.<br>Pour avoir un fonctionnement de l'usine sûr et bénéfique, des données précises et fiables sont nécessaires. D'une manière générale, une information précise mène à de meilleures décisions et, par conséquent, de meilleures actions pour aboutir aux objectifs visés. Dans un environnement industriel, les données souffrent de nombreux problèmes comme les erreurs de mesures (autant aléatoires que systématiques), l'absence de mesure de variables clés du procédé, ainsi que le manque de consistance entre les données et le modèle du procédé. Pour améliorer la performance de l'usine et maximiser les profits, des données et des informations de qualité doivent être appliquées à l'ensemble du contrôle de l'usine, ainsi qu'aux stratégies de gestion et d'affaires. Comme solution, la réconciliation de données est une technique de filtrage qui réduit l'impact des erreurs aléatoires, produit des estimations cohérentes avec un modèle de procédé, et donne également la possibilité d'estimer les variables non mesurées. Le but de ce projet de recherche est de traiter des questions liées au développement, la mise en œuvre et l'application des observateurs de réconciliation de données pour les industries minéralurgiques et métallurgiques. Cette thèse explique d’abord l'importance de régler correctement les propriétés statistiques des incertitudes de modélisation et de mesure pour la réconciliation en régime permanent des données d’usine. Ensuite, elle illustre la façon dont les logiciels commerciaux de réconciliation de données à l'état statique peuvent être adaptés pour faire face à la dynamique des procédés. La thèse propose aussi un nouvel observateur de réconciliation dynamique de données basé sur un sous-modèle de conservation de la masse impliquant la fonction d'autocovariance des défauts d’équilibrage aux nœuds du graphe de l’usine. Pour permettre la mise en œuvre d’un filtre de Kalman pour la réconciliation de données dynamiques, ce travail propose une procédure pour obtenir un modèle causal simple pour un circuit de flottation. Un simulateur dynamique basé sur le bilan de masse du circuit de flottation est développé pour tester des observateurs de réconciliation de données et des stratégies de contrôle automatique. La dernière partie de la thèse évalue la valeur économique des outils de réconciliation de données pour deux applications spécifiques: une d'optimisation en temps réel et l’autre de commande automatique, couplées avec la réconciliation de données. En résumé, cette recherche révèle que les observateurs de réconciliation de données, avec des modèles de procédé appropriés et des matrices d'incertitude correctement réglées, peuvent améliorer la performance de l'usine en boucle ouverte et en boucle fermée par l'estimation des variables mesurées et non mesurées, en atténuant les variations des variables de sortie et des variables manipulées, et par conséquent, en augmentant la rentabilité de l'usine.<br>To have a beneficial and safe plant operation, accurate and reliable plant data is needed. In a general sense, accurate information leads to better decisions and consequently better actions to achieve the planned objectives. In an industrial environment, data suffers from numerous problems like measurement errors (either random or systematic), unmeasured key process variables, and inconsistency between data and process model. To improve the plant performance and maximize profits, high-quality data must be applied to the plant-wide control, management and business strategies. As a solution, data reconciliation is a filtering technique that reduces impacts of random errors, produces estimates coherent with a process model, and also gives the possibility to estimate unmeasured variables. The aim of this research project is to deal with issues related to development, implementation, and application of data reconciliation observers for the mineral and metallurgical industries. Therefore, the thesis first presents how much it is important to correctly tune the statistical properties of the model and measurement uncertainties for steady-state data reconciliation. Then, it illustrates how steady-state data reconciliation commercial software packages can be used to deal with process dynamics. Afterward, it proposes a new dynamic data reconciliation observer based on a mass conservation sub-model involving a node imbalance autocovariance function. To support the implementation of Kalman filter for dynamic data reconciliation, a procedure to obtain a simple causal model for a flotation circuit is also proposed. Then a mass balance based dynamic simulator of froth flotation circuit is presented for designing and testing data reconciliation observers and process control schemes. As the last part of the thesis, to show the economic value of data reconciliation, two advanced process control and real-time optimization schemes are developed and coupled with data reconciliation. In summary, the study reveals that data reconciliation observers with appropriate process models and correctly tuned uncertainty matrices can improve the open and closed loop performance of the plant by estimating the measured and unmeasured process variables, increasing data and model coherency, attenuating the variations in the output and manipulated variables, and consequently increasing the plant profitability.<br>To have a beneficial and safe plant operation, accurate and reliable plant data is needed. In a general sense, accurate information leads to better decisions and consequently better actions to achieve the planned objectives. In an industrial environment, data suffers from numerous problems like measurement errors (either random or systematic), unmeasured key process variables, and inconsistency between data and process model. To improve the plant performance and maximize profits, high-quality data must be applied to the plant-wide control, management and business strategies. As a solution, data reconciliation is a filtering technique that reduces impacts of random errors, produces estimates coherent with a process model, and also gives the possibility to estimate unmeasured variables. The aim of this research project is to deal with issues related to development, implementation, and application of data reconciliation observers for the mineral and metallurgical industries. Therefore, the thesis first presents how much it is important to correctly tune the statistical properties of the model and measurement uncertainties for steady-state data reconciliation. Then, it illustrates how steady-state data reconciliation commercial software packages can be used to deal with process dynamics. Afterward, it proposes a new dynamic data reconciliation observer based on a mass conservation sub-model involving a node imbalance autocovariance function. To support the implementation of Kalman filter for dynamic data reconciliation, a procedure to obtain a simple causal model for a flotation circuit is also proposed. Then a mass balance based dynamic simulator of froth flotation circuit is presented for designing and testing data reconciliation observers and process control schemes. As the last part of the thesis, to show the economic value of data reconciliation, two advanced process control and real-time optimization schemes are developed and coupled with data reconciliation. In summary, the study reveals that data reconciliation observers with appropriate process models and correctly tuned uncertainty matrices can improve the open and closed loop performance of the plant by estimating the measured and unmeasured process variables, increasing data and model coherency, attenuating the variations in the output and manipulated variables, and consequently increasing the plant profitability.

The research activities described in the present thesis have been oriented to the design and development of components and technological processes aimed at optimizing the performance of plasma sources in advanced in material treatments. Consumables components for high definition plasma arc cutting (PAC) torches were studied and developed. Experimental activities have in particular focussed on the modifications of the emissive insert with respect to the standard electrode configuration, which comprises a press fit hafnium insert in a copper body holder, to improve its durability. Based on a deep analysis of both the scientific and patent literature, different solutions were proposed and tested. First, the behaviour of Hf cathodes when operating at high current levels (250A) in oxidizing atmosphere has been experimentally investigated optimizing, with respect to expected service life, the initial shape of the electrode emissive surface. Moreover, the microstructural modifications of the Hf insert in PAC electrodes were experimentally investigated during first cycles, in order to understand those phenomena occurring on and under the Hf emissive surface and involved in the electrode erosion process. Thereafter, the research activity focussed on producing, characterizing and testing prototypes of composite inserts, combining powders of a high thermal conductibility (Cu, Ag) and high thermionic emissivity (Hf, Zr) materials The complexity of the thermal plasma torch environment required and integrated approach also involving physical modelling. Accordingly, a detailed line-by-line method was developed to compute the net emission coefficient of Ar plasmas at temperatures ranging from 3000 K to 25000 K and pressure ranging from 50 kPa to 200 kPa, for optically thin and partially autoabsorbed plasmas. Finally, prototypal electrodes were studied and realized for a newly developed plasma source, based on the plasma needle concept and devoted to the generation of atmospheric pressure non-thermal plasmas for biomedical applications.<br>L’attività di ricerca svoltasi durante il Dottorato è stata orientata alla progettazione e allo sviluppo di componenti e processi tecnologici innovativi atti ad ottimizzare le prestazioni di sorgenti plasma nel trattamento avanzato di materiali. Sono stati in particolare studiati e sviluppati consumabili di torce al plasma termico per il taglio di materiali metallici (PAC, plasma arc cutting), nell’ambito della cosiddetta alta definizione. L’attività di tipo sperimentale in ambito PAC si è concentrata sulla valutazione e realizzazione di modifiche dell’inserto emettitore, rispetto alla configurazione attuale di elettrodi standard, che prevede un inserto piatto in afnio (Hf) inserito per interferenza in un corpo elettrodo in rame (Cu). Le soluzioni proposte per l’attività di ricerca sono state basate su un’approfondita analisi bibliografica e brevettuale. Il comportamento di inserti in Hf operanti ad alte correnti (250A) in torce PAC è stato sperimentalmente analizzato, ottimizzando la forma iniziale della superficie emittente per incrementarne la vita utile. Sono inoltre state studiate le modificazioni microstrutturali dell’inserto emettitore al fine di comprendere i fenomeni coinvolti nel processo di erosione. Infine, l’attività di ricerca su elettrodi PAC si è concentrata sulla produzione, caratterizzazione e test di inserti compositi prototipali, realizzati unendo polveri ad alta conduttività termica (Cu, Ag) e polvere ad alta emissività termoionica (Hf, Zr). La complessità del sistema torcia ha inoltre richiesto un approccio integrato, che affiancasse attività di simulazione modellistico-computazionale con le valutazioni sperimentali, di natura chimico-fisica e microstrutturale. È stato in questo senso implementato un modello per il calcolo del coefficiente di emissione netto (NEC) del plasma di Argon in funzione di temperatura (1000-25000 K) e pressione (50-200 kPa), per plasmi otticamente sottili o parzialmente auto-assorbiti. Sono infine stati inoltre studiati e realizzati elettrodi prototipali per sorgenti di plasma non termico, finalizzate in particolare ad applicazioni biomedicali, nella configurazione detta plasma needle.

Dans un contexte normatif toujours plus sévère concernant les rejets automobiles polluants, la substitution des aciers par des alliages d’aluminium dans les structures des véhicules est en plein essor. Ce projet de thèse, qui s’inscrit dans un programme de développement de la société Constellium, cible plus précisément les alliages d’aluminium de la série 7xxx (Al-Zn-Mg) qui, malgré leurs propriétés mécaniques élevées, peuvent présenter une sensibilité à la corrosion sous contrainte (CSC) liée au phénomène de fragilisation par l’hydrogène (FPH). La compréhension des mécanismes mis en jeu dans ce type d’endommagement constitue donc une première étape vers une optimisation métallurgique en vue d’une industrialisation future de ces alliages dans le secteur automobile. La première partie de ces travaux est consacrée à l’étude de l’influence de l’état métallurgique de l’alliage 7046 sur son comportement en CSC et à l’identification des mécanismes de dégradation. Un lien direct a pu être mis en évidence entre l’abattement des propriétés mécaniques et les modes de rupture actifs et la quantité d’hydrogène dans l’alliage. Les deux modes d’endommagement observés, intergranulaire-fragile et transgranulaire-fragile, ont respectivement été attribués à un enrichissement en hydrogène aux joints de grains et au piégeage de l’hydrogène au niveau des précipités intragranulaires. Les interactions entre l’hydrogène et les précipités fins d’une part et les dislocations d’autre part, identifiés comme deux hétérogénéités microstructurales critiques vis-à-vis de la FPH, ont été étudiées à une échelle plus locale dans la seconde partie du travail de thèse. Les essais ont été réalisés sur des échantillons modèles, chargés en hydrogène en milieu H2SO4 sous polarisation cathodique et la profondeur de pénétration de l’hydrogène a été évaluée par SKPFM (Scanning Kelvin Probe Force Microscopy). L’ensemble des résultats obtenus met en évidence : 1/ un effet « barrière » des précipités fins et des dislocations sur la diffusion de l’hydrogène en relation avec un abattement des propriétés mécaniques moins important, 2/ un transport possible de l’hydrogène par les dislocations et 3/ l’efficacité du SKPFM pour déterminer précisément des coefficients de diffusion apparents de l’hydrogène. Ces résultats ouvrent ainsi de nouvelles pistes vers la compréhension des mécanismes de CSC dans les alliages Al-Zn-Mg.

Im Bereich der industriellen Metallurgie und Kristallzüchtung treten bei zahlreichen Anwendungen, wo magnetische Wechselfelder zur induktiven Beeinflussung von leitfähigen Werkstoffen eingesetzt werden, auch Strömungen mit freier Oberfläche auf. Das Anwendungsspektrum reicht dabei vom einfachen Aufschmelzen eines Metalls in einem offenen Tiegel bis hin zur vollständigen Levitation. Auch der sogenannte RGS-Prozess, ein substratbasiertes Kristallisationsverfahren zur Herstellung siliziumbasierter Dünnschichtmaterialien, ist dafür ein Beispiel. Um bei solchen Prozessen die Interaktion von Magnetfeld und Strömung zu untersuchen, ist die numerische Simulationen ein wertvolles Hilfsmittel. Für beliebige dreidimensionale Probleme werden entsprechende Berechnungen bisher durch eine externe Kopplung kommerzieller Programme realisiert, die für Magnetfeld und Strömung jeweils unterschiedliche numerische Techniken nutzen. Diese Vorgehensweise ist jedoch im Allgemeinen mit unnötigem Rechenaufwand verbunden. In dieser Arbeit wird ein neu entwickelter Methodenapparat auf Basis der FVM vorgestellt, mit welchem sich diese Art von Berechnungen effizient durchführen lassen. Mit der Implementierung dieser Methoden in foam-extend, einer erweiterten Version der quelloffenen Software OpenFOAM, ist daraus ein leistungsfähiges Werkzeug in Form einer freien Simulationsplattform entstanden, welches sich durch einen modularen Aufbau leicht erweitern lässt. Mit dieser Plattform wurden in foam-extend auch erstmalig dreidimensionale Induktionsprozesse im Frequenzraum gelöst.

Dissertação de Mestrado em Engenharia e Gestão Industrial apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia<br>Esta dissertação teve como base o estágio curricular realizado na Fucoli-Somepal, S.A., empresa que está inserida no setor metalúrgico de Portugal. O trabalho realizado tem como principal objetivo a análise do fluxo de processo da zona das máquinas CNC (Computer Numerical Control) e a implementação de propostas de melhorias, com a finalidade de reduzir os desperdícios e aumentar a eficácia e eficiência dos postos de trabalho.Foram utilizadas ferramentas das metodologias Lean e Kaizen para realizar a análise do processo e propor as melhorias a serem implementadas. A metodologia Lean tem como principal objetivo a identificação e eliminação dos desperdícios, além da melhoria do fluxo do processo para que, cada etapa, acrescente valor ao produto final. Os desperdícios identificados pela metodologia Lean são: sobreprodução, espera, transporte processamento, stock, movimentação e defeitos. A metodologia Kaizen é baseada na maximização da produtividade por meio da redução dos custos. Entre as melhorias efetivadas podem ser citadas: mudança do layout industrial da zona das máquinas CNC, construção do supermercado com as ferramentas para todos os processos, implementação do operador logístico e redução dos tempos nas trocas de ferramentas nas máquinas.As implementações de melhorias possibilitaram: (I) redução de 76% na movimentação do operador e 77% do tempo gasto para maquinar na CNC DMG; (II) redução de 70% na movimentação do operador e 72% do tempo gasto para maquinar na CNC Takumi. A diminuição das atividades de setup realizadas durante as paragens das máquinas CNC, permitiu a redução de 23% do tempo médio gasto na troca de ferramentas.<br>This master thesis is based on the curricular internship at the company Fucoli-Somepal, S.A., which pertain to the metallurgical sector in Portugal. The main objective of this work is to analyze process flow of the Computer Numerical Control (CNC) machine zone. In addition, the implementation of improvement proposals, in order to reduce waste, as well as to increase the efficiency and effectiveness of the workstations, made part of the objectives. Lean and Kaizen methodologies were applied looking forward to performing the process analysis and propose the improvements to be settled. Lean methodology main goal is to identify and eliminate wastes, as well as improving the flows process, so each step adds value to the final product. The wastes identified by Lean methodology are: overproduction, waiting, transporting, inappropriate processing, unnecessary inventory, excess motion and defects. Kaizen methodology is based on maximizing productivity by reducing costs. Among the improvements made are: modification of the CNC machine zone industrial layout; construction of the supermarket with the tools for all processes; implementation of the logistic operator; and reduction of the tools exchange time in the machines.These improvements’ implementations enabled: (I) 76% reduction in operator's displacement and 77% reduction of the time spent for machining on CNC DMG; (II) 70% reduction in operator’s displacement and 72% of the time spent for machining on CNC Takumi. The setup activities diminution, during the stops of the CNC machines, allowed the decrease of 23% of the average time spent in the tools’ exchange.

Im Bereich der industriellen Metallurgie und Kristallzüchtung treten bei zahlreichen Anwendungen, wo magnetische Wechselfelder zur induktiven Beeinflussung von leitfähigen Werkstoffen eingesetzt werden, auch Strömungen mit freier Oberfläche auf. Das Anwendungsspektrum reicht dabei vom einfachen Aufschmelzen eines Metalls in einem offenen Tiegel bis hin zur vollständigen Levitation. Auch der sogenannte RGS-Prozess, ein substratbasiertes Kristallisationsverfahren zur Herstellung siliziumbasierter Dünnschichtmaterialien, ist dafür ein Beispiel. Um bei solchen Prozessen die Interaktion von Magnetfeld und Strömung zu untersuchen, ist die numerische Simulationen ein wertvolles Hilfsmittel. Für beliebige dreidimensionale Probleme werden entsprechende Berechnungen bisher durch eine externe Kopplung kommerzieller Programme realisiert, die für Magnetfeld und Strömung jeweils unterschiedliche numerische Techniken nutzen. Diese Vorgehensweise ist jedoch im Allgemeinen mit unnötigem Rechenaufwand verbunden. In dieser Arbeit wird ein neu entwickelter Methodenapparat auf Basis der FVM vorgestellt, mit welchem sich diese Art von Berechnungen effizient durchführen lassen. Mit der Implementierung dieser Methoden in foam-extend, einer erweiterten Version der quelloffenen Software OpenFOAM, ist daraus ein leistungsfähiges Werkzeug in Form einer freien Simulationsplattform entstanden, welches sich durch einen modularen Aufbau leicht erweitern lässt. Mit dieser Plattform wurden in foam-extend auch erstmalig dreidimensionale Induktionsprozesse im Frequenzraum gelöst.