Разработка метода формирования параметров долговечности элементов технологического комплекса непрерывного литья заготовок

Во всех промышленно развитых странах металлургия считается одной из важнейших отраслей народного хозяйства. От уровня развития этой офасли зависит прогресс в промышленности, сельском хозяйстве и обороноспособности страны. За последние 50 лет мировое производство стли увеличилось с 200 до 800 млн. т [1]. Если в начале 90-х годов потребление чёрных металлов в России оценивалось в 15−16 млн. т, то уже в ближайшие несколько лег оно может превысить 20 — 22 млн. т [2]. Наиболее существенные изменения произошли в качественном совершенствовании металлопродукции. Такое стало возможным благодаря внедрению в чёрной металлургии прогрессивных ресурсосберегающих технологий, одной из которых является непрерывная разливка. Доля непрерывной разливки в общем объёме разливаемой стали в Российской Федерации на сеюдняшний день составляет примерно 52% [2], тогда как в мире в среднем непрерывным методом разливают около 80% всей выплавляемой стали [3−6]. В наиболее развитых в промышленном отношении странах доля стали, разливаемой непрерывным способом, достигла 100% или приближается к этому уровню. Россия значительно 01 стаёт от этих стран по количеству вводимых в отрасли МНЛЗ несмотря на го, что Российская металлургия имеет значительные успехи в этой области [2].

Метод непрерывной разливки стали берёг своё начало от патента Г. Бессемера, заре1 исмрированного в 1857 г. Впервые в мировой практике производство непрерывно литой стали реализовано в конвертерном цехе Новолипецкого металлургического комбината [7]. За последующие годы развитие МНЛЗ прошло путь 01 конвейерных машин и машин полунепрерывной разливки до техноло1 ических комплексов с качающимися кристаллизаторами вертикального, радиального и криволинейного типов. В последние годы созданы наклонные и горизонтальные МНЛЗ.

Вместе с тем непрерывная разливка стали всё ещё остаётся новым технологическим процессом, а оборудование не в полной мере доработанным, и поэтому многие вопросы ещё до конца не решены. Технологические агрегаты металлургического производства, выпускаемые тяжёлым машиностроением, доводятся до своего работоспособного состояния, как правило, уже в процессе эксплуатации, на что тратится порядка 5−10 лет. Оборудование технологических линий «Машины непрерывного ли-1ья заготовок» в этом отношении не исключение.

Интенсивное развитие непрерывной разливки стали одновременно во многих странах мира привело к большому разнообразию объёмно-планировочных решений по размещению МНЛЗ в С1алеплавильных цехах и компоновке оборудования на самих МНЛЗ. Наиболее прогрессивными особенностями ряда рассмотренных заводов являются выделение непрерывной разливки в самосюятельные отделения и пролёты, подготовка металла перед непрерывной разливкой путём внепечной обработки на соответствующих установках (внепечное вакуумирование или продувка инертными газами), возможность разливки металла методом «плавка на плавку», использование многовалковых тянущеправильных машин, сооружение участков и отделений контроля и отделки литой продукции. В таких цехах эксплуатационная надёжность работы оборудования имеет особенно важное экономическое значение. В силу этого высокую степень использования МНЛЗ и её высокую надёжность, исходя из сроков службы элементов, скомпонованных в группы, необходимо закладывать ещё на стадии проектирования.

Практически все зарубежные МНЛЗ, а также машины стран ближнего зарубежья, включая Россию, сооружаются по индивидуальным проектам. Из зарубежных особый интерес вызывают машины таких фирм, как «Юнайтед Стейтс» (США), «Фёст-Альпине» (Австрия), «Манесман» (Германия), а также машины Японских фирм, где процесс непрерывной разливки стали получил наибольшее развитие [8]. Однако несмотря на высокую слепень стандартизации целого ряда узлов машин, да и машин входящих в агрегаты, в целом, объём новых разработок в каждой из МНЛЗ значителен, что требует большого срока их доводки до стабильно работающего состояния уже во время эксплуатации.

Элементы данных технологических линий продолжают интенсивно развиваться. Так, например, фирма «Фест-Альпине Индустриалангебау» (ФАИ) внесла свой вклад во многие новаторские разработки в этой области, а именно: прямолинейный кристаллизатор, сгибание и выпрямление непрерывного сли1ка в процессе разливки стали, расположение роликов с малым шагом, ускоренное вюричное охлаждение. Это позволило улучшить эксплуатационные свойства типичных элементов современной машины непрерывной разливки стали.

Большой объём современных исследовательских работ посвящён совершенствованию головной час1и МНЛЗ. Это привело к созданию кристаллизатора кассетного типа «Клевер» для машин непрерывной отливки слябов и кристаллизатора «Дайэмоулд», применяемых в машинах для отливки блюмов [5]. Хорошие результаш в последнее время достигнуты с применением гидравлического механизма качания кристаллизатора «Динафлекс» [9, 10]. Основное преимущество применения гидравлического привода заключайся в возможноеIи регулирования в процессе разливки амплитуды частоты и схемы качания, что обеспечивает улучшение качества поверхности и повышение надёжности работы машины непрерывной разливки по причине меньшего числа прорывов. Для удержания непрерывно литого слитка фирма ФАИ разработала и запатентовала сегмент нового поколения «СМАРТ» (система моментального автоматического регулирования толщины), который позволяет автоматически и оперативно изменять юлщину слитка в процессе разливки. Надёжность и ючность сегмеша «СМАРТ» были подтверждены результатами эксплуатации на МНЛЗ завода «Фест-Альпине Шталь Линц» в обычных производственных условиях [5]. К сожалению, повышение надёжности и способности выполнять объём работы отдельных узлов и деталей не может полностью решить задачи повышения эксплуатационной надёжности всего комплекса в целом.

Сопоставление тенденций развития непрерывной разливки стали в ведущих промышленно развитых странах и в нашей стране показывает, что по основным, принципиальным вопросам развития и совершенствования техники и технологии позиции близки. Технические показатели введённых в эксплуатацию на отечественных заводах МНЛЗ, изготовленных различными зарубежными фирмами, обладают одними и теми же недостатками [II]. Конструкция и качество изготовления технологического оборудования не обеспечивают необходимой надёжности и требуемой межремонтной стойкости основных узлов МНЛЗ. Значительные затруднения возникают также из-за неудовлетворительной проработки процесса организации профилактических и ремонтных работ. Поэтому для успешного решения вопросов, связанных с разработкой технологии формирования элементов МНЛЗ повышенной надёжности и плановоре-монтопригодности, специалистам необходимо найти решение по разработке и внедрению принципиально новою подхода, связывающего эги понятия еще на стадии проектирования.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы.

Создание конкуренюспособной продукции — основное условие развития металлургических производств. К наиболее перспективным технологиям получения заготовок в этом производстве относится непрерывная разливка стали. Это связано с целым рядом преимуществ этого способа по сравнению с разливкой в изложницы. Использование непрерывной разливки в сталеплавильном производстве приводит к экономии капиталовложений, так как отпадает необходимость в затратах на сооружение и содержание такого дорогостоящею оборудования, как обжимные станыобеспечивает значительную экономию металла в следствие уменьшения обрези, экономию энер1ии, которая трашлась на подогрев слитков в нагревательных колодцахпозволяет избавиться от загрязнения атмосферы при нагреве слитковприводит к повышению качества металлопродукции и, наконец, улучшает условия труда для обслуживающего персонала. Однако процесс создания комплексов уникального технологического оборудования для непрерывной разливки стали в большинстве случаев исключает этапы полупромышленных и промышленных испытаний и доводка комплексов осуществляется уже в процессе их эксплуатации. Существующее методическое обеспечение не позволяет создавать на стадии проектирования достаточно надёжные металлургические комплексы и производимое сегодня оборудование требует длительного, близкого к сроку окупаемости периода его доводки уже во время эксплуатации. Такое положение дел вызывает ряд значительных и долговременных трудностей, связанных с несанкционированными остановками оборудования во время реализации технологического процесса. В связи с этим создание ме1 одического обеспечения, дающего возможность на стадии проектирования придать изделию все необходимые свойства, является ак! уальной задачей.

Цель и задачи исследования

.

Машина непрерывною литья заготовок (МНЛЗ) относится к технологическим линиям, которые работают в непрерывном режиме. Непрерывность и комплексность — два качества, которые определяют все свойства этой линии. Увеличение производительности современных установок, снижение затрат на эксплуатацию и повышение их надёжности при одновременном улучшении качества непрерывно литых заготовок, определяется межремонтной стойкостью основных узлов машины. Для достижения устойчивого функционирования МНЛЗ в минимальные сроки после её пуска, необходима разработка метода позволяющего формировать машины повышенной надёжности и плановоремонтопригодности (т.е. обеспечивать сроки службы элементов, взаимосвязанные с межремонтным периодом и согласованные с продолжительностью их ремонтно-восстановительных работ) ещё на стадии проектирования, что и является целыо данной работы.

В соответствии с целью работы в ней решены следующие задачи:

— проанализирован характер изменения показателей эксплуатационной надёжности машин непрерывного литья заготовок ОАО &bdquo-НКМК" в течении всею времени их эксплуашции и определён период их доводки после которого машины функционируют стабильно;

— на основе статистического материала получены характеристики бею1казности агрегатов стабильно работающей МНЛЗ и характеристики продолжительности их восстановления;

— показано, что МНЛЗ являются сложными техническими объектами, и разработана методика декомпозиции оборудования МНЛЗ, представленной в виде сложной технической системы (СТС);

— разработана математическая модель, позволяющая оценивать количественно-качественные параметры каждого уровня сложности МНЛЗ, показана адекватность этой модели характеристикам стабильно работающей МНЛЗ;

— используя разработанную модель МНЛЗ, как сложной системы, разработан метод формирования межремонтных периодов эксплуатации агрегатов машины и сроки продолжительности их восстановления.

Методы исследования.

Для дальнейшего усовершенствования металлургического оборудования необходимо учитывать современный уровень его состояния и основные этапы достижения этого уровня. Поэтому хронологически были рассмотрены литературные источники и научные работы с момента применения МНЛЗ в мировой практике по сегодняшний день.

С использованием статистических методов выполнен анализ надёжности и определён период доработки машин непрерывного литья заготовок в условиях электросталеплавильного цеха (ЭСПЦ-2) НКМК. Для этого были собраны статистические данные простоев и отказов машин по различным причинам с момента пуска МНЛЗ. При обработке статистических данных широко использовались методы статистического анализа исходной информации.

Выполнены аналитические исследования, в результате чего разработана математическая модель распределения элементов различного уровня сложности МНЛЗ по качественно характеризуемым группам.

Научная новизна.

Научная новизна заключается в следующем.

1. Выполнены статистические оценки и получен характера изменения эксплуатационной надёжности МНЛЗ как сложной технической системы, по мере доводки процесса её функционирования до устойчивого состояния, а также обоснованы возможности использования теории формирования сложных технических систем для нахождения рациональных параметров элементов МНЛЗ.

2. Разработана меюдика декомпозиции оборудования технологической линии непрерывного литья заготовок, как сложной технической системы, позволяющая вполне доказательно раскладывать МНЛЗ на составляющие её элементы.

3. Разработана математическая модель оптимальных сроков службы и продолжительности восстановления элементов технологической линии, которая даёт возможность оценивать рациональные сочетания параметров элементов МНЛЗ.

4. Разработана методика анализа и синтеза временных параметров процесса функционирования оборудования технологической линии МНЛЗ и алгоритм формирования режимов ремонта и обслуживания агрегатов машины непрерывною литья заютовок.

Практическая ценность данной работы заключается в следующем:

— разработанная на основе теории формирования сложных технических систем методика позволяв получить количественные и структурные оценки МНЛЗ и использовать их на стадии проектирования и доводки технологической линии;

— усыновленная взаимосвязь временных параметров эксплуатации элементов стабильно работающей МНЛЗ позволяет оценить степень устойчивого функционирования сформировавшейся во время эксплуатации структуры МНЛЗ, и наметить мероприятия по её стабилизации;

— показатели надёжности М11ЛЗ могут быть использованы как исходные параметры для конструирования, а распределение сроков службы и продолжительности простоев, элементов технологической линии могу быть применены для создания технологии ремонтно-восстановительных работ;

— предложенный метод формирования МНЛЗ как сложной технической системы, работающей в непрерывном режиме, позволяет обеспечить, рациональную организацию служб ремонта и обслуживания оборудования МНЛЗ, цехов изготовления запасных частей, служб снабжения запчастями, материалами и др., а также совершенствование оборудования, адаптацию его к конкре! ным производственным условиям, повышение его надёжности и плановоремонтопригодноаи.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. На основании анализа литературных источников установлено, что информация, позволяющая создать надёжную технологическую линию МНЛЗ в целом, практически отсутствует. Отсутствуют также рекомендации и методики по организации проведения ремонтных работ вновь созданных МНЛЗ.

2. Степень доводки оборудования МНЛЗ, оцениваемая комплексным показателем надёжности в виде коэффициента технического использования, возрастает медленно и достигает стабильно-высокого уровня только к 8-у году её эксплуатации, что представляет крайне длительный срок для технологических линий такого типа.

3. Характер изменения временных затрат на ремонты и обслуживание МНЛЗ, её простоев по технологическим, механическим, электрическим и прочим причинам продемонстрировал, что процесс доводки оборудования связан, прежде всего, со снижением простоев по механическим причинам основного и вспомогательного оборудования.

4. Подбор вида распределения срока службы агрегатов между отказами показал, что сроки службы между отказами распределены, для агрегатов технологической линии по гамма-закону, для всей МНЛЗ — по экспоненциальному закону, что указывает на тот факт, что машина непрерывного литья заготовок является сложной многоуровневой технической системой.

5. В предложенной модели, распределение элементов МНЛЗ в каждом из уровней сложности, включающем по три ниши, описывается нормальным законом распределения, законом Коши и законом Смирнова, что позволяет, после декомпозиции МНЛЗ определить показатели надёжности её элементов.

6. Разработанная методика декомпозиции и математическая модель уровней сложности МНЛЗ имеют прикладную направленность, что позволило разработать программу формирования временных параметров элементов для решения инженерных задач, связанных с формированием машин непрерывного литья заготовок.

7. Результаты декомпозиции МНЛЗ, как сложной технической системы, указывают на то, что проектирование МНЛЗ должно начинаться с разработки и взаимоувязывания трёх технологий: технологии литья, технологии ремонта и технологии обслуживания.

8. Разработанная модель МНЛЗ как сложной технической системы позволяет получить количественные и структурные её оценки. Это даёт основание рекомендовать данные методические представления для разработки методов анализа и синтеза механического оборудования технологических линий основных типов МНЛЗ.

9. В результате рассмотрения процесса функционирования МНЛЗ как сложной технической системы на основе ценозологических принципов введён качественный параметр, называемый плановоремонтопригодно-стью, объединяющий функции технологии и ремонта.

10. В конечном итоге в диссертации разработан метод формирования элементов машины непрерывного литья заготовок повышенной надёжности и плановоремонтопригодности.

Указатель терминов п/н Термин Определение Источник.

1 Агрегат (От лат. aggrego-присоединяю) — узел машины, обладающий полной взаимозаменяемостью и выполняющий определённые функции в технологическом процессе Словарьсправочник по механизмам А. Ф. Крайнев.

2 Анализ Метод научного исследования путём рассмотрения отдельных сторон, свойств, составных частей чего-нибудь Словарь русского языка С. И. Ожигов.

3 Декомпозиция Деление целого на составляющие по принципу классификационного цикла Савельев А. Н., Тимошенков Ю. Г., Бич Т.А.// Изв. вуз. Чёрная металлургия. 2004. № 6. С. 65.

4 Деталь (Франц. detail) — часть изделия, в которой нет разъёмных и неразъёмных соединений. Словарьсправочник по механизмам А. Ф. Крайнев.

5 Качество Наличие существенных признаков, свойств, особенностей, отличающих один предмет или явление от других Словарь русского языка С. И. Ожигов.

6 Количество Категория, характеризующая предметы и явления, внешнего мира со строны величины, объёма, числа Словарь русского языка С. И. Ожигов.

7 Коэффициент 1ехническо-го использования Отношение математического ожидания интервалов времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к сумме математических ожиданий интервалов времени пребывания объекта в работоспособном состоянии, простоев, обусловленных техническим обслуживанием, и ремонтов за тот же период эксплуатации Надёжность в технике. Термины и определения ГОСТ 27.002 — 83.

8 Математическая модель (от. лат, modulus — мера, образец, норма)-математическая запись, отражающая строение и действие устройств Словарьсправочник по механизмам А. Ф. Крайнев.

9 Машина (франц. machine, лат. machina) — устр., выполняющее механические движения для преобразования энергии, материалов и информации с целью замены или облегчения физического и умственного труда Словарьсправочник по механизмам А. Ф. Крайнев.

10 Механизм Система предназначенная для преобразования движения одного или нескольких твёрдых тел в требуемое движение других тел Словарьсправочник по механизмам А. Ф. Крайнев.

11 Надёжность Свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования Надёжность в технике. Термины и определения ГОСТ 27.002−83.

12 Плановоремонтопригод-ность Параметр реализующий в процессе проектирования объединение функций технологии и ремонтов. Ремонтопригодность, закладываемая в техническое устройство во время его проектирования и имеющая временные параметры их проведения в качестве исходных данных Вновь введённый термин.

13 Работоспособное состояние Состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные Надёжность в технике. Термины и определения ГОСТ 27.002 — 83 функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и конструкторской документации.

14 Работоспособность Способность агрегата выполнять объём работы с определённой вероятностью Известия ВУЗов. Чёрная металлургия. 1991. № 6. С. 7.

15 Ремонтопригодность Свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путём проведения технического обслуживания и ремонтов Надёжность в технике. Термины и определения ГОСТ 27.002−83.

16 Синтез Проектирование системы по заданным его свойствам Словарьсправочник ио механизмам А. Ф. Крайнев.

17 Система (Греч. БуБГета — целое, составленное из частей) совокупность элементов, свойства которых взаимосвязаны, координированы, подчинены общим для заданной совокупности закономерностям Словарьсправочник по механизмам А. Ф. Крайнев.

18 Структура Строение, внутреннее устройство Словарь русского языка С. И. Ожигов.

19 Техносемейсию Группы технопопуляций, количественно-качественные меры которых близки между собой Введение в тех.

20 21 Технород Техновид нику Б. И. Кудрин.

22 Узел Часть механизма или техническое устройство, представляющее собой сложное соединение деталей, отдельных частей Словарь русского языка С. И. Ожигов.

23 Ценоз Глубоко и специфически структурированное пространство, позволяющее путём целенаправленных вычислений групп технических систем выполнять частотный анализ составляющих его элементов Савельев А.Н.// Изв. вуз. Чёрная металлургия. 1991. № 12. С. 79.

24 Элемент Составная часть чего-нибудь Словарь русского языка С. И. Ожигов.