Разработка и внедрение тепловизионных методов контроля объектов пирометаллургии в условиях Крайнего Севера

Норильский горно-металлургический комбинат (НГМК) — один из основных производителей цветных и редких металлов в России. Основа его производства — пирометаллургические агрегаты, важнейшим критерием качества которых является стабильность температурного режима плавок. Оперативный контроль температуры различных узлов агрегатов позволяет не только поддерживать постоянство параметров процесса плавки рудных концентратов, но и своевременно определять опасные отклонения температуры отдельных узлов агрегатов, связанные с появлением дефектов типа нарушения сплошности дымовых труб, эрозии футеровки и других неисправностей, развитие которых, прежде всего проявляется в различных аномалиях теплового поля объектов. Тепловой контроль в силу высокой информативности температуры, как индикатора дефектов, позволяет, успешно эксплуатировать дорогостоящие агрегаты типа печей Ванюкова по фактическому состоянию даже в послересурсный период за счет своевременного контроля процесса развития дефектоскопических ситуаций. Измерение температуры на металлургических предприятиях в настоящее время производится с помощью пирометров излучения и контактных термоэлектрических датчиков, отличающихся высокой локальностью контроля. Они устанавливаются в потенциально опасных зонах агрегатов и не позволяют оперативно контролировать температурные поля объектов. В то же время дефекты могут появляться в точках вне зоны установки пирометров и термопар.

Актуальность темы

Характеризуя уровень пирометаллургических процессов в настоящее время, следует отметить, что зачастую они связаны с эксплуатацией оборудования, выработавшего свой ресурс и обслуживаемого по принципу «фактического состояния». Учитывая интенсивность тепловых режимов, это приводит к необходимости и делает актуальным применение диагностических технологий и мониторинга агрегатов в реальном масштабе времени. Особенно перспективны дистанционные бесконтактные методы тепловизионного контроля и диагностики. Температура в металлургииключевой параметр качества процесса, один из важнейших индикаторов степени развития дефектов в огнеупорных материалах, кессонах, изложницах и других объектах.

В настоящее время контроль температуры в металлургии производится пирометрами, либо контактными термопарными датчиками в ограниченном числе точек объекта. Это не позволяет оперативно выявлять зоны перегрева оборудования, связанные с появлением дефектов различного вида (эрозия и прогары футеровки, пустоты и трещины, локальные изменения теплофизических характеристик газопроницаемости и влагосодержание материалов ограждающих конструкций), координаты появления которых сложно прогнозировать. В то же время современная тепловизионная техника позволяет с высокой степенью достоверности, в реальном времени, дистанционно и бесконтактно получать информацию о распределении температуры по поверхности агрегатов, выявлять различные тепловые аномалии, связанные с отклонением параметров технологических процессов или характеристик материалов от номинальных и своевременно принимать меры по предупреждению аварийных ситуаций.

Тепловизионный мониторинг позволяет продлить сроки эксплуатации и увеличить промежутки между планово-предупредительными ремонтами дорогостоящего оборудования, такого, например, как плавильные печи различного типа, изложницы, конверторы, обжиговые известковые печи, миксеры, формы, кессоны, дымовые трубы, электролизные ванны, энергоустановки различного назначения. Несомненным достоинством тепловизионной технологии контроля является возможность оперативно обнаруживать аварийные утечки из теплопроводов и пульпопроводов, контролировать термическое состояние потери хвостохранилищ, других гидротехнических сооружений горно-металлургического комбината. Существенно, что тепловизионная цифровая аппаратура позволяет оперативно вводить информацию в ПЭВМ и обрабатывать ее по соответствующим алгоритмам в целях прогноза остаточного ресурса агрегатов, накопления базы данных и анализа дефектоскопических ситуаций.

Однако, применение современной тепловизионной техники на Норильском комбинате, расположенном в Заполярье, в зоне вечной мерзлоты и полярной ночи, требует изучения особенностей работы тепловизоров в этих экстремальных условиях. В этой связи актуальным представляется разработка требований к аппаратуре, способной к работе в этих условиях и обоснованный выбор модели тепловизора с характеристиками адекватными условиям эксплуатации на Норильском комбинате, а также разработка и внедрение организационно-методических рекомендаций обеспечивающих их эффективное применение.

Цель работы — разработка эффективного метода тепловизионного контроля процессов и объектов пирометаллургии с учетом реальных условий районов Крайнего Севера и специфики пирометаллургического производства.

Методы исследования. Поставленные задачи решались путем сочетания теоретических и экспериментальных исследований. Теоретические исследования проведены на основе математического моделирования задачи распространения тепла в твердом теле с дефектами типа нарушения сплошности с использованием положений теории инфракрасного излучения, теплофизики, фотометрии, теоретических основ оптико-электронных приборов. При экспериментальном исследовании использованы измерительный тепловизор — РМ 595 и цифровой пирометр — THERMOPOINT 90 фирмы FLIR Systems, аттестованные Росттестом Российской Федерации. Калибровка аппаратуры производилась с помощью поверенного излучателя типа «черное тело» — модель ВВ 400−3 фирмы AGEMA. При обработке результатов измерений применялись специализированные программы для анализа термограмм, в том числе THERMACAM REPORTER и IRwin Research 500 фирмы FLIR Systems.

Научная новизна.

1. Установлены закономерности влияния на дефектоскопическую чувствительность тепловизионного контроля основных отрицательных факторов, характерных для пирометаллургического производства, таких как засветка от посторонних источников излучения, состояние атмосферы, неизотермичность поверхности объекта и флуктуация ее коэффициента излучения.

2. Получена зависимость влияния размеров объектов на погрешность тепловизионного измерения температуры с учетом апертурных характеристик тепловизора.

3. Впервые разработана математическая модель дымовой трубы, позволяющая исследовать влияние дефектов огнеупорных слоев ограждающих конструкций на температурное поле поверхности трубы с учетом внешних условий и технологических факторов.

4. Предложены и обоснованы критерии дефектности кессонов плавильных печей при их контроле активным тепловым методом, учитывающие динамику нагрева и суммарную площадь бракованных элементов.

Практическая ценность.

1. Разработаны и внедрены в практику технической диагностики объектов Норильского комбината организационно-методические рекомендации по применению тепловизионного контроля оборудования.

2. На основе разработанных методик проведено комплексное тепловизионное обследование термического состояния важнейших объектов Норильского комбината, в том числе плавильных печей различных типов, кессонов, изложниц, дымовых труб, электролизных ванн, потерны и плотины хвостохранилищ, теплотрасс, пульпопроводов, разливочных ковшей, миксеров и ряда других объектов.

3. Разработаны рекомендации по дополнительному оснащению тепловизоров цифровой фотокамерой, лазерным дальномером и телевизионным визиром для повышения точности измерения температуры при контроле удаленных объектов, а также их топографической привязки к местности.

4. Применение тепловизионной диагностики позволило продлить ресурс термически нагруженных объектов, своевременно выявлять дефекты оборудования и предотвращать аварийные ситуации, в результате чего получен также и социально-экономический эффект.

Реализация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы рядом предприятий Норильского ГМК (Медный и Никелевый заводы, Надеждинский комбинат, Управление гидротехнической службы) для неразрушающего контроля и тепловизионного мониторинга термически высоконагруженных и работающих в экстремальных условиях дорогостоящих объектов ответственного назначения.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на ежегодных научно-практических конференциях Норильского ГМК, региональных совещаниях по проблемам пирометаллургии (г.Норильск, 1990 г., 1995 г. и 1999 г.), ряде отраслевых семинаров и конференций.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 печатных работ, в том числе одна монография.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть диссертации изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 24 рисунка и 10 таблиц, список использованных источников из 103 наименований и приложения.

1.3. Выводы по главе.

1. В настоящее время в нашей стране и за рубежом накоплен значительный опыт применения тепловизионных приборов в металлургии. Использование тепловизоров особенно эффективно при контроле состояния огнеупорных защитных покрытий агрегатов типа доменных печей, разливочных ковшей, миксеров и дымовых труб. Вместе с тем практически отсутствуют работы посвященные применению тепловизоров в специфических условиях Крайнего Севера.

2. В условиях перехода к эксплуатации термически высоко нагруженных объектов по фактическому состоянию, за пределами ресурсных сроков, необходим переход к количественным методам дефекгометрии. В свою очередь это делает актуальным тщательный квалиметрический анализ достаточно многочисленных коммерческих моделей тепловизоров с учетом особенностей их функционирования в экстремальных климатических условиях Заполярья.

3. Изучение техногенных и природных условий эксплуатации тепловизоров на Норильском комбинате, анализ влияния метрологических характеристик на их дефектоскопическую чувствительность и стабильность и определило содержание задач исследований, проведенных в настоящей работе.

Для достижения сформулированной в обзоре цели в работе поставлены следующие основные задачи.

1. Выявление основных природных и техногенных факторов, влияющих на эффективность применения тепловизионных технологий контроля объектов пирометаллургии на Норильском комбинате.

2. Проведение теоретических и экспериментальных исследований влияния основных отрицательных факторов на работу тепловизионной аппаратуры в условиях Норильского комбината и разработка рекомендации по их устранению и ослаблению.

3. Разработка требований к характеристикам тепловизионной аппаратуры, предполагаемой к использованию в условиях Норильского комбината, и выбор конкретного приборного комплекса на основе квалиметрического анализа коммерческих моделей тепловизоров.

4. Разработка методики оперативного контроля основных характеристик тепловизионной аппаратуры, необходимых для обеспечения.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФЕКТОСКОПИЧЕСКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ТЕПЛОВИЗИОННОЙ АППАРАТУРЫ В ЗАДАЧАХ ТЕПЛОВИЗИОННОГО КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТОВ.

ПИРОМЕТАЛЛУРГИИ.

2.1. Особенности применения тепловизионного контроля в условиях пирометаллургических предприятий Заполярного региона.

Качество выпускаемой продукции в значительной степени зависит от точности контроля и регулирования температуры в технологических процессах изготовления изделий. Температура является также важнейшим параметром, по которому осуществляют контроль качества готовых изделий и их диагностику в процессе эксплуатации. Для измерений температуры наряду с контактными методами и устройствами широкое применение находят бесконтактные методы и приборы на их основе — пирометры и тепловизоры. Они имеют высокие быстродействие, температурное и пространственное разрешения, не вносят искажений в температурное поле объекта. Погрешность лучших пирометров, определяемая обычно по образцовым излучателям типа абсолютно черное тело, не превосходит 0,5%.

Погрешность бесконтактных измерений температуры в реальных условиях может на один-два порядка превосходить ее величину, приведенную в технических данных на прибор. Это связано с тем, что у реальных тел излучательная способность (степень черноты) всегда меньше единицы, а отражательная не равна нулю. Недостаточность сведений об излучательной способности поверхности объекта, ее температурной и временной зависимости является одной из основных причин значительных погрешностей бесконтактных измерений температуры. Кроме того, поскольку отражательная способность поверхности не равна нулю, то всегда имеется погрешность, обусловленная отраженным от контролируемого объекта излучением окружающих его нагретых тел, например стенок нагретой печи, электрической душ, солнца, источников радиационного нагрева [22].

Выходной сигнал с приемника излучения любого пирометрического прибора и тепловизора пропорционален энергетической яркости излучения контролируемого объекта. При наличии постороннего источника излучения яркость объекта, называемая в этом случае эффективной яркостью, равна сумме яркостей его собственного теплового излучения и излучения постороннего источника, отраженного от объекта. Влияние посторонних источников на эффективную яркость контролируемого объекта, на результаты бесконтактных измерений температуры исследовано недостаточно полно.

На выявление малоразмерных дефектов типа трещин футеровки, значительное влияние оказывает апертурная характеристика тепловизора, особенно при характерных для пироагрегатов дистанциях контроля 10 и более метров. Поэтому очень важным является обоснование методических поправок для уменьшения погрешности измерений температуры тепловизором непосредственно в зоне дефекта, а также его геометрической величины. [15] Еще одним фактором, влияющим на работу тепловизора в условиях крайнего севера, особенно при контроле объектов, находящихся в полевых условиях (дымовые трубы, дамбы и плотины хвостохранилшц) является состояние атмосферных условий в момент измерений. [37] На погрешность тепловизионной пирометрии влияет также неизотермичностъ поверхности объекта и флуктуации ее излучательной способности в пределах угла визирования пирометра или мгновенного угла поля зрения тепловизора. В этой связи предложена методика квалиметрического анализа тепловизионных приборов, основанная на количественной оценке информационных, массогабаритных, эргономических, энергетических характеристик, предварительно отображенных с учетом их применения в Заполярье, а также стоимостных (экономических) показателей.

Методика разработана с учетом РД 50−64−84 Госстандарта РФ «Номенклатура показателей качества групп однородной продукции», ГОСТ 16 035–81 «Показатели качества изделий эргономические», ГОСТ 26 782–85 «Дефектоскопы тепловые.

Общие технические требования", а также на основе многолетнего опыта эксплуатации различных моделей тепловизионной и пирометрической аппаратуры на Норильском ГМК и ГОСТ 23 544–80 «Методы экспертной оценки качества изделий» [4].

Предварительный этап оценки уровня качества тепловизоров производился экспертным методом с помощью специалистов комбината, имеющих длительный опыт работы с тепловизорами в реальных условиях. Анализу подвергались тепловизоры фирм ФСИ (СШАбывшая АГЕМА), НЕК (Япония), Пальмир-140 (Рэмитон, США). Эти модели компактные, работают в широком интервале внешних температур (от -20°С), отличаются высокими показателями. Затем по выбранным основным показателям качества оценивалась величина каждого из них для «идеального» прибора и производилась оценка соответствия показателей конкретных моделей. По итогам оценки наилучшее соотношение получено для приборов фирмы ФСИ (АГЕМА).

Последние модели фирмы (Т-1000, Т-570, Т-595) отличаются высокими значениями температурной чувствительности (0,07°С), большим диапазоном измеряемых температур (от -20°С до +1500°С), высоким качеством изображения (512×512 на кадр), устойчивы при работе при низких температурах, имеют легкий металлический ударостойкий корпус из алюминия. Все модели имеют высоко развитое программное обеспечение, большой набор аксессуаров и эргономичны (4 кнопки управления, вызов меню на дисплей, автокалибровка), что и определило наш выбор, несмотря на относительно высокую стоимость приборов (от 70,0 тыс. долл. США до 100,0 тыс. долл. США, в зависимости от комплектации) [49].

На рис. 2.1. ив таблицах 2. Н2.3 приведены сведения об основных областях применения тепловизионного контроля на Норильском комбинате, диагностируемых объектах, их характеристиках и условиях применения тепловизоров.

Рис. 2.1 Основные области применения тепловизионного контроля в горно-метсшлургическом производстве.