CC BY
423
ГЕОДЕЗИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ И ВЫВЕРКА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Сергей Георгиевич Могильный
Донецкий национальный технический университет, Украина, 83001, Донецк, ул. Артема, 58, заведующий кафедрой геоинформатики и геодезии, д.т.н., проф., тел. (062)301-07-81, e-mail: [email protected]
Андрей Аркадьевич Шоломицкий
Донецкий национальный технический университет, Украина, 83001, Донецк, ул. Артема, 58, профессор кафедры геоинформатики и геодезии, д.т.н., проф., тел. (062)301-07-81, e-mail: sholomitskij @mail. ru
Иван Семенович Фролов
ООО "Геоинжиниринг", Украина, 83001, Донецк, ул. Постышева, 30, генеральный директор, тел. (062)-3054048, e-mail: [email protected]
Рассмотрена универсальная технология контроля положения и выставки оборудования МНЛЗ, основанная на высокоточных онлайновых геодезических измерениях. Предложена математическая модель технологической оси МНЛЗ, технология оптимальной выставки оборудования машины относительно оси и программное обеспечение, реализующее эту технологию.
Ключевые слова: технологическая ось, модель, машина непрерывного литья
заготовки, электронный тахеометр, геодезические измерения.
GEODETIC MONITORING AND ADJUSTMENT METALLURGICAL EQUIPMENT
Sergey G. Mogilny
Donetsk National Technical University, Ukraine, 83001, Donetsk, st. Artema, 58, Chair of Geoinformatics and Surveying, Dr.Sci.(Eng), prof., tel. (062)301-07-81, e-mail: [email protected]
Andrii A. Sholomytskyi
Donetsk National Technical University, Ukraine, 83001, Donetsk, st. Artema, 58, Professor Department of Geoinformatics and Surveying, Dr.Sci.(Eng), prof., tel. (062)301-07-81, e-mail: [email protected]
Ivan S. Frolov
Ltd. "Geoinzhiniring", Ukraine, 83001, Donetsk, st. Postysheva, 30, Director, тел. (062)-3054048, e-mail: [email protected]
In this paper the authors have considered the universal technology of position control and installation of CCM based on high-precision geodetic online measurements. Also, the authors proposed a mathematical model of technological axis of CCM, the technology of CCM installation and the software to implement the considered technology.
Key words: technological axis, model, continuous casting machine, the total station, survey measurements.
Длина машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), на протяжении которой расположено технологическое оборудование машины, составляет несколько десятков метров. При этом отклонения положения оборудования от проектного положения должны быть не более 0,2..0,4 мм, иначе будут нарушены условия формирования непрерывнолитой заготовки с заданными геометрическими размерами и формой поперечного сечения, а также производительности, стабильности и безопасности процессов непрерывной разливки стали на МНЛЗ. Широко распространенные геодезические методы контроля положения промышленного оборудования не могут обеспечить требуемую точность выставки оборудования МНЛЗ. В связи с этим, необходимо развитие методов контроля положения оборудования с применением современных технологий и инструментов, способных повысить точность выставки и снизить время на выполнение работ.
Методы, инструменты и требования по точности контроля положения и выставки металлургического оборудования, включая МНЛЗ, как правило, регламентированы руководящими положениями по монтажу соответствующего нового оборудования на этапе строительства. Известные отечественные руководящие положения датируются 80 -ми годами прошлого века, разработка которых осуществлялась Министерством монтажных и специальных строительных работ СССР [1 и др.]. Для современных МНЛЗ альтернативой таким положениям выступает проектно-конструкторская документация заводов-изготовителей.
В процессе эксплуатации МНЛЗ, в связи с жесткими и сложными условиями работы (высокая температура, запыленность и влажность), происходит износ рабочих поверхностей и подшипниковых узлов технологического оборудования машины (гильз кристаллизаторов, механизмов качания, роликов зоны вторичного охлаждения и тянуще-правильного агрегата), деформация металлоконструкций и корпусных деталей, разрушение и эрозия фундаментов и установочных плоскостей оборудования. В ходе периодического технического обслуживания и ремонта оборудования МНЛЗ стараются устранить результаты этих явлений. При монтаже отремонтированных узлов и механизмов обязательно осуществляется контроль положения и выставка их относительно рядом расположенного оборудования МНЛЗ с помощью строительных уровней, отвесов и струн, линеек и шаблонов. Результатом всего этого является нарушение положения оборудования относительного технологической оси МНЛЗ с накапливающимися со временем отклонениями. Характерным признаком этого, наряду со снижением производительности, стабильности и безопасности процессов непрерывной разливки стали на МНЛЗ, а также качества получаемой непрерывнолитой заготовки, является наличие большого количество подкладок под установочными поверхностями оборудования машины и снижение межремонтного интервала.
С появлением современных технологий и инструментов геодезических методов контроля положения оборудования, а также электронновычислительных средств, стало возможным решение задач точной выставки
оборудования относительно технологической оси МНЛЗ [3...5]. Разработкой методов контроля положения технологического оборудования МНЛЗ и апробированием на металлургических предприятиях с 2006 г. занимаются сотрудники ГВУЗ "Донецкий национальный технический университет". Для выполнения таких работ был создан онлайновый геодезический измерительный комплекс «Визир 3D». С помощью этого комплекса и разработанной для него технологии геодезического контроля было выставлено оборудования сортовых и слябовых МНЛЗ отечественного и зарубежного производства [6.9,11].
К сожалению авторы не нашли в зарубежной литературе описания методов выполнения высокоточных геодезических работ при выставке промышленного оборудования, известно что для этого используются электронные тахеометры и трекеры [3.5], но по рекламным материалам трудно оценить уровень автоматизации измерений и моделирования.
Цель исследования
Целью настоящей работы является рассмотрение разработанной авторами технологии работ по контролю положения и выставки с заданной точностью оборудования МНЛЗ с помощью геодезических онлайновых измерений, а также разработка методов математического моделирования и оптимальной выставки оборудования МНЛЗ.
Создание высокоточной опорной сети МНЛЗ
В период с декабря 2011 по июнь 2012 г. была выполнена работа по определению фактического положения и выставке в проектное положение МНЛЗ №3, 4 и 5 ЧАО "Металлургический комбинат "Азовсталь". Машины были построены в период с 1973 по 1976 г. по проектам завода "Уралмаш" (ныне ОАО "Уралмашзавод", Екатеринбург, Россия).
Работы по определению фактического положения оборудования МНЛЗ начинались с создания высокоточной геодезической опорной сети машины, от которой впоследствии выполнялись все геодезические измерения.
Опорная геодезическая сеть МНЛЗ создавалась сразу для двух ручьев машины и состояла из 40 опорных точек, закрепленных на опорных конструкциях кислородно-конверторного цеха, где расположены МНЛЗ, шариками диаметром 30 мм и специальными отражательными пленками (рисунок 1). В связи с продолжительным сроком эксплуатации во влажных условиях, репера заложенные во время строительства МНЛЗ сохранились только для МНЛЗ №3. Поэтому первым этапом работы была привязка к наиболее стабильным элементам машины и восстановление системы координат МНЛЗ.
Измерения сети выполнялись онлайновым измерительным комплексом «Визир 3D» [8,9] (рис. 2) по методике обеспечивающей измерение
горизонтальных и вертикальных улов с точностью 1" и длин с точностью 0,2 мм. Для создания сети требовалось от 22 до 28 точек стояния электронного тахеометра, выполненных по технологии "свободной станции". На рисунке 3
показана конфигурация опорной геодезической сети в различных плоскостях. Построенная сеть является пространственной, расположенной в основном на двух уровнях, перепад высот составляет 20 м, в плане размеры сети составляют 35^27 м. Такая конфигурация сети, а также вертикальные колонны и горизонтальные балки, и множество трубопроводов в цехе очень затрудняли передачу координат между двумя уровнями сети. Однако, несмотря на сложные условия измерений, вычисленная ошибка единицы веса для опорных геодезических сетей каждой МНЛЗ составила 1,6", 2,9" и 3,2", соответственно. Средняя среднеквадратическая ошибка определения координат точек опорной геодезической сети составила 0,3 мм. Косвенным критерием высокого качества создания опорной геодезической сети является точность привязки точек стояния тахеометра к существующей сети во время измерения элементов МНЛЗ, которая не превышала 0,3 мм (в среднем 0,1 ..0,2 мм). Такие результаты в сложных условиях измерений получены только благодаря онлайновым методам геодезических измерений комплексом «Визир 3D», который обеспечивает полный контроль измерений и отбраковку некачественных измерений, вызванных вибрацией, перемещением мостовых кранов и сильной запыленностью атмосферы в цехе.
Выставка МНЛЗ в проектное положение
Для МНЛЗ №4 выполнялся комплекс работ по установке стоек под оси рам МНЛЗ. Эти работы были вызваны необходимостью восстановления проектного положения стоек после их ремонта. Проверка положения и установка стоек рам радиального и криволинейного участков машины выполнялись методом последовательных приближений.
Для измерения элементов и моделирования МНЛЗ в комплексе «Визир 3D» имеется модуль «МНЛЗ», который обеспечивает автоматизацию измерений, обработку, моделирование и расчеты для оптимальных корректирующих воздействий.
Рис. 1. Точки опорной сети МНЛЗ №4
Рис. 2. Измерительный комплекс «Визир 3D»
а - в плане, плоскость ХУ б - вид в плоскости 7У
Рис. 3. Опорная геодезическая сеть МНЛЗ
Для расчета платиков под оси рам в этом модуле имеется математическая модель, которая позволяет автоматизировать расчет (рис. 5) с учетом типа крепления платиков, в зависимости от типа МНЛЗ.
В результате выполнения этой работы, стойки установки осей рам были выставлены в проектное положение с точностью 0,5 мм.
Если, до использования предложенной технологии под осями рам были комплекты из 3.5 прокладок, то при использовании предложенной авторами технологии прямых геодезических измерений и аналитического определения толщины платиков - их число сократилось до 1-го (рисунок 6), максимум 2-х, что позволило сделать более жестким крепление рам МНЛЗ.
Рис. 4. Измерение стоек установки рам МНЛЗ
Рис. 5. Интерфейс модуля «МНЛЗ» для расчета платиков под оси рам
Рис. 6. Подкладки под оси рам после ремонта
Теоретические основы оптимальной корректировки МНЛЗ
Слиток, формируемый в кристаллизаторе МНЛЗ, должен перемещаться в зоне вторичного охлаждения по специально рассчитанной траектории (вдоль оси технологического канала (ручья) МНЛЗ), для того чтобы на его поверхности не образовывались складки и трещины, которые в дальнейшем приводят к непоправимому браку заготовки [10].
Траектория перемещения слитка определяется положением 54 роликов зоны вторичного охлаждения МНЛЗ, касательная к которым непрерывная гладкая кривая определяет форму слитка на разных этапах охлаждения. Теоретически ось каждого ролика должна быть выставлена в заданное конструкторами проектное положение. Однако на практике этому препятствует следующее:
• ролики по несколько штук объединены в кассеты, так что отдельный ролик переместить нельзя;
• положение кассеты роликов может быть изменено только по направлению нормали к траектории движения слитка.
В этих условиях рационально принять следующую стратегию оценки геометрии расположения роликов МНЛЗ и их регулировки. По проектным координатам осей роликов рассчитывается теоретическая кривая движения слитка, а по результатам измерения фактического положения вычисляются отклонения и оптимальные значений перемещений роликов при их выставке. Оптимальным следует считать такой план выставки, при котором достаточно переместить минимальное число кассет, так чтобы теоретическая траектория касалась всех роликов МНЛЗ.
Вывод параметров уравнения теоретической кривой траектории основывается на геометрической схеме представленной на рисунке 7.
В проектно-конструкторской документации по МНЛЗ заданы координаты осей и радиусов всех роликов. Первые ролики от кристаллизатора расположены по окружности заданного радиуса Я, таким образом круговая часть траектории составляет дугу угловой величины а (рис. 7). Криволинейная часть траектории начинается с точки а и заканчивается роликом п, с которого начинается горизонтальная часть траектории перемещения заготовки.
Криволинейную часть можно с достаточной точностью описать сплайном второго порядка, т.е. общее уравнение кривой на участках между соседними роликами имеет вид
2
а^х + Ъ^х + с = у,
где а{, ЬI и с - параметры кривой /-того участка; х, у - координаты точки на кривой.
Рис. 7. Схема расчета параметров теоретической кривой траектории перемещения слитка
Если принять, что участок заканчивается на /-том ролике, то для него будет иметь место система уравнений следующего вида:
а/х/-1 + Ъл-1 + с1 - у-1 = 0; 2 а-1х1 -1+Ъ-1- 2 а1х1 -1- Ъ = 0;
< ах + Ъх + с -у> = 0; , / = 1...п,
х1 + г $т(аг^(2агхг- + Ъ)) - х0. = 0; у- + Г- С08(аГ^ (2а;х; + Ъ )) - У0, = 0,
где Х{, у1 и х/-1, у/-1 - координаты точки касания кривой роликов в конечной и начальной точках /-того участка; а{, Ьи и а/-1, Ь{-\ и с/-1 - параметры сплайна на /-том и /-1-вом участках; г/ - радиус /-того ролика; ха.,у0. - координаты оси /того ролика.
Из совместного решения приведенной системы уравнений, составленных для всех участков траектории перемещения заготовки, вычисляются параметры сплайна и координаты точек касания роликов теоретической кривой траектории.
Если некоторый ролик к не касается проектной кривой (рис. 7) то, используя уравнение траектории, вычисляется смещение ролика кк по направлению нормали к кривой. Таким образом, будет обеспечиваться положение роликов, соответствующее проектной траектории движения заготовки в зоне вторичного охлаждения МНЛЗ.
Измерение МНЛЗ
Проверка осевых смещений и наклонов роликов зоны вторичного охлаждения выполнялась с помощью специальной методики измерений. В зависимости от видимости роликов измерения фактического их положения выполнялось двумя способами. Способ с использованием призменной подставки и вешек с поверенными уровнями. На рис. 8. показано как находится верхняя образующая бочки ролика. Для измерений использовались вешки длиной 180, 300 и 500 мм.
Программный модуль «МНЛЗ» позволяет выбрать измерения, выполнить моделирование и выдать результаты измерений в табличном (рис. 9) и графическом виде (рис. 10).
В таблице на рис. 9 обозначены как dH лев и dH прав - оптимальные размеры подкладок под ролики с левой и правой стороны МНЛЗ, которые обеспечивают касание роликов теоретической кривой траектории перемещения слитка. Такая технология выставки роликов МНЛЗ связана с тем, что конструкция машины не позволяет исправить отклонения (вдоль направления перемещения заготовки) более чем на 3.5 мм.
МНЛЗ № 5 производства "Уралмаш" (Ручей N9 6)
Оси рам | Ролики Корректировка | Кристаллизатор | Оптимальная корректировка роликов МНЛЗ
Ролик X пр, ми У пр, мм (Ш лев, ми (IX лев, мм ДУ лев, мм (Ш прав , мм с1Х пр ав , мм ЙУ прав, мм —
35 5519.51 -9152.60 3.46 8.71 -0.90 4.28 12.21 -1.70 —
36 5898.63 -9328.65 7.06 18.13 -0.75 -1.15 -0.87 -1.35
37 6300.48 -9495.19 4.40 13.18 -0.89 1.49 5.18 -0.89
38 6692.96 -9638.53 4.48 14.86 -0.13 2.93 10.86 -0.43
39 7102.30 -9770.20 4.13 13.60 -0.00 -0.35 2.70 -1.30
40 7504.81 -9882.94 0.95 6.41 -0.54 -1.36 3.31 -2.14
41 7911.08 -9981.28 7.58 34.98 -0.48 1.66 11.98 -1.18
42 8320.42 -10065.92 -0.73 0.32 -0.72 -0.75 2.42 -1.12
43 8732.22 -10137.64 -13.40 -82.28 -0.34 -16.87 -98.28 -1.34
44 9145.94 -10197.29 -6.79 -50.46 -0.59 -2.59 -14.16 -0.79
45 9573.06 -10247.03 7.67 64.16 0.57 3.52 28.26 0.37
Рис. 9. Таблица смещений (корректировки положения) роликов МНЛЗ
Рис. 10. Визуализация оптимальных корректирующих воздействий
для роликов МНЛЗ
Опыт использования измерительного комплекса показал, что для выставки роликов МНЛЗ в проектное положение необходимо выполнить до 3 -х приближений.
Визуальное представление результатов корректирующих воздействий (рис. 10) позволяет принять более обоснованное решение, каким образом лучше выполнить управляющее воздействие - подкладкой под оси рамы, или пятироликовой кассеты, или изменением подкладок под двухроликовыми механизмами.
Выводы
При проверке фактического положения МНЛЗ с помощью онлайновой технологии геодезических измерений выявлены следующие моменты.
1. Шаблоны, с помощью которых выставляется оборудование МНЛЗ, собственными силами ПАО "Металлургический комбинат "Азовсталь", деформируются в процессе эксплуатации и имеют отклонения от заданного радиуса до 0,2 мм при длине шаблонов 3,5.4 м. Такие отклонения равносильны изменению радиуса шаблона на 10.15 мм, что приводит к накоплению ошибок при выставке кристаллизатора и роликов зоны вторичного охлаждения МНЛЗ. Как правило, метрологические службы металлургических предприятий не имеют возможности определить фактический радиус таких шаблонов и исправить его самостоятельно.
2. Существующая технология выставки МНЛЗ с помощью криволинейных, радиальных и линейных шаблонов приводит к накоплению ошибок по общей длине технологической оси МНЛЗ. Установлено, что фактические отклонения оборудования на радиальном участке МНЛЗ достигают 20 мм, и увеличиваются
по мере приближения к кристаллизатору, где отклонения от проекта составляют 32.46 мм.
3. Фактические размеры рам и положение механизмов крепления кассет роликов МНЛЗ, после многочисленных ремонтов, отличаются от проектных до ±20 мм, что очень затрудняет выставку машины в проектное положение. В этих условиях необходимо применять технологию оптимальной выставки МНЛЗ.
4. Применение онлайновой технологии геодезических измерений позволило повысить точность выставки роликов МНЛЗ, по результатам контрольных измерений отклонения от проектного положения на криволинейном участке не превышали 1.2 мм. Однако из-за конструктивных особенностей МНЛЗ ЧАО "Металлургический комбинат "Азовсталь", не удалось в полной мере реализовать геодезические методы выставки. Это связано с тем, что две верхние кассеты могут устанавливаться только в собранном виде, поэтому ограничена видимость роликов кассеты - виден только верхний ролик, это приводит к тому, что нижний ролик устанавливается, как и ранее с помощью шаблона. В некоторых случаях верхние кассеты и кристаллизатор полностью выставляются с помощью шаблона и только контролируются геодезическими методами, однако и в этом случае отклонения кристаллизатора от проекта не превышали 7.10 мм, т.е. все равно точность выставки МНЛЗ существенно увеличивается.
5. Применение онлайновой технологии геодезических измерений на горизонтальном участке МНЛЗ показало, что точность выставки значительно повышается (0,1.0,2 мм), а время измерений и выставки сокращается в 2.3 раза, по сравнению с традиционной технологией выставки с помощью нивелира и горизонтального линейного шаблона и уровня.
Эксплуатация МНЛЗ после выставки по рассмотренной методике (для разных МНЛЗ от 9 до 15 месяцев) по данным ЧАО "Металлургический комбинат "Азовсталь" показала следующее:
1. Количество дефектов заготовок сократилось с 3.4 баллов до 1,5.2 (баллы - это интегральная характеристика, которая оценивает число и значимость дефектов).
2. Число замен механизмов сократилось с 10 за 2 недели до 1.2.
3. Отсутствовали случаи выхода из строя роликов зоны вторичного охлаждения МНЛЗ, вызванных неправильной установкой.
4. За счет более правильной установки кристаллизатора, повысилась точность центровки и соосности погружного стакана промежуточного ковша и кристаллизатора МНЛЗ, что способствует снижению числа дефектов, связанных с включением шлака и пузырьков газа в непрерывнолитой слиток.
5. За счет уменьшения числа прокладок под рамами и роликовыми секциями и более правильной выставки конструкция МНЛЗ стала более жесткой и менее подверженной деформациям. Это подтверждается тем, что замена механизмов роликов и кассет выполняется более просто, чем ранее, т.к. отклонения требующие корректировки при установке новых механизмов не превышают 0,5.1 мм.
Эффективность применения данной технологии выставки очевидна, остается открытым вопрос о периодичности проведения работ по высокоточной геодезической выставке оборудования МНЛЗ. Этот вопрос должен решаться практически, накапливая статистику изменения качества заготовок, срока службы роликовых секций, числа ремонтов и контрольной проверкой технического состояния МНЛЗ через определенный период. Такая информация поможет принять обоснованное решение о периодичности выполнения геодезических работ и необходимости создания и оснащения собственной геодезической службы ЧАО "Металлургический комбинат "Азовсталь" приборами, оснасткой и программным обеспечением для выполнения таких работ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ведомственные строительные нормы: ВСН 396-85. Монтаж технологического оборудования сталеплавильных цехов. - М.: Минмонтажспецстрой СССР, 1986. - 30 с.
2. Тимохин О.А. Особенности расчета технологической оси МНЛЗ и ее контроля / Сталь. - 2000. - №2. - С. 16-21.
3. Leica TDRA6000. Product Brochure. Version 01/2009. - Unterentfelden (Switzerland): Hexagon AB, 2009. - S p.
4. Industrial 3D Surveying with Optical Instruments. - Witten (Germany): GLM LasermeBtechnik GmbH, 2007. - 16 p.
5. Laser Tracker use in industrial maintenance: machine and plant engineering. Press Release. - Mannheim (Germany): Automated Precision Deutschland GmbH, 2007. - 3 p.
6. Шоломицкий А.А., Сотников А.Л., Адаменко В.И. Контроль геометрических параметров машины непрерывного литья заготовок / Металлургические процессы и оборудование. - 2007. - №3. - С. 27-30.
7. Сотников А.Л. Контроль соосности оборудования МНЛЗ / Металлургические процессы и оборудование. - 200б. - №1. - С. 24-27.
S. Измерительный комплекс "Визир 3D" на предприятиях Украины: Геодезический контроль и выверка технологического оборудования / С.Г. Могильный, А.А. Шоломицкий, В.Н. Ревуцкий, В.А. Пригаров // Геопрофиль. - 2009. - №3(6). - С. 12-19.
9. Могильный С.Г., Шоломицький А.А., Шморгун Є.І. Трьохкоординатний вимірювальний комплекс "Визир 3D" / Наук. пр. Донец. нац. техн. ун-ту / Редкол.: Мінаєв О.А. (голова) та інші. - Донецьк: ДонНТУ, 2009. - Вип.9(143) - С. 13-25.
10. Машины непрерывного литья заготовок. Теория и расчет / Л.В. Буланов, Л.Г. Корзунин, Е.П. Парфенов и др. - Екатеринбург: Уральский центр ПР и рекламы - "Марат", 2004. - 349 с.
11. Онлайновый геодезический измерительный комплекс «ВИЗИР 3D» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://gis.dgtu.donetsk.ua/software/vizir.html
© С.Г. Могильный, А.А. Шоломицкий, И.С. Фролов, 2013
