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Das Patent betrifft ein Verfahren zur Vorpalettierung von Ausmauerungssteinen von metallurgischen Gefäßen.
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Hintergrund
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Die feuerfeste Zustellung innerhalb metallurgischer Gefäße unterliegt aufgrund der prozessbedingten Belastung einem erheblichen Verschleiß und muss deshalb regelmäßig, vollständig oder teilweise, erneuert werden. Beispielsweise werden Blasstahl-Konverter (BOF/Basic Oxygen Furnace) im Abstand einiger Monate neu zugestellt (ausgemauert). Dies geschieht derzeit im Wesentlichen von Hand, d. h. eine Menge von Ausmauerungssteinen wird, meist auf homogen aufgebauten Paletten, in den Konverter eingefahren und dort von einer Verlegemannschaft von den Paletten aus vermauert. Die Ausmauerung selber besteht aus verschiedenen Steinen, deren Zusammenstellung je nach Anforderung des Gefäßes aus unterschiedlichen Materialien und Formaten zusammengesetzt wird. Auch kann die Ausmauerung aus verschiedenen Schichten bestehen, die jeweils aufeinander folgend gemauert werden. Aus ökonomischen Gründen werden nicht immer alle Schichten erneuert, beispielsweise unterscheidet man bei Blasstahl-Konvertern zwischen Dauer- und Verschleißfutter, wobei ersteres oftmals erhalten wird, während das Verschleißfutter erneuert wird.
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Grundlegend für dieses Verfahren ist das Beobachten des akuten Zustandes der Ausmauerung, d. h. dass der Maurer den nächsten Stein (bzw. die folgenden Steine) aus dem Ausmauerungsplan (dem Sollzustand) und der akut vor ihm liegenden Situation bestimmt. Ungänzen wie beispielsweise Verformungen des Gefäßes werden bauseitig durch Beobachtung erkannt und entsprechend mit dem zur Verfügung stehenden Material ausgeglichen. Dieser Vorgang ist insofern schwierig, als dass der Maurer die Verformungen des Gefäßes mit bloßem Auge nur schlecht bestimmen kann und daher mit den Steinen austesten muss, wie gut sich diese an die Gefäßwandung, bzw., an die dahinter und/oder darunter liegende Steinlage (Dauerfutter) anpassen. Im Zweifelsfall wird hier auch ein schlechterer Zustand akzeptiert, um nicht weitere Zeit bei der Verlegung zu verlieren. Der Vorgang ist zeitraubend und verlangt ebenso Erfahrung, um effizient durchgeführt werden zu können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem der Vorgang der Ausmauerung durch Vorkonfektionierung des Steinmaterials erheblich verbessert und beschleunigt werden kann.
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Prinzip
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Das Verfahren basiert – abgesehen von dem Entfernen der alten Ausmauerung – im Wesentlichen auf drei Schritten, die nacheinander ausgeführt werden. Diese Schritte sind:
- 1. Ausmessen des Gefäßes
- 2. Virtuelle Ausplanung der Gefäßes
- 3. Vorkonfektionieren der Steine basierend auf der virtuellen Ausplanung
- 2. Das Ausmessen des Gefäßes dient der datentechnischen Erfassung der Innenkontur des metallurgischen Gefäßes. Dazu kommen unterschiedlichste Sensoren in Frage, beispielsweise Laserscanner, Stereo-Kamerasysteme, Kamerasysteme in Kombination mit Streifenlichtprojektion, etc.
- Basierend auf den Sensordaten wird ein 3D Modell des Gefäßes, bzw. der Innenkontur des Gefäßes erzeugt. Abhängig vom verwendeten Sensor kann das 3D-Modell unterschiedlich aufgebaut sein, vorzugsweise wird ein Punktwolkenmodell erzeugt, das Punkte in XYZ Koordinaten enthält, die zusammen die Innenkontur abbilden.
- 3. Die Ausplanung des Gefäßes basiert sowohl auf dem vorher erfassten 3D-Modell wie einem groben Ausmauerungsplan, der vorgibt in welchen Bereichen des Gefäßes sich eine bestimmte Steinqualität und -länge befinden soll, ebenso wie einem Plan welche Steine in welcher Menge zur Verfügung stehen.
- Ein computerbasiertes Planungsverfahren wird verwendet um die eigentliche Ausplanung umzusetzen. Eine mögliche Ausgestaltung des Verfahrens ist:
- Im ersten Schritt wird ein virtueller Stein an eine geeignete Startstelle in das ebenso virtuelle Gefäß eingebracht. Der Stein liegt dabei vorteilhafterweise an einer Außenkontur an, beispielsweise an der Stelle, an der normalerweise auch der erste Stein bei einer realen, konventionellen Ausmauerung gesetzt wird. Der Stein liegt an der Kontur an, d. h. er hat keine Überschneidung mit der Wand selbst. Ausgehend von diesem Stein wird eine mögliche Nachbarposition zu diesem ermittelt (beispielaweise „rechts von diesem Stein” oder auch „oberhalb von diesem Stein mit einer Verschiebung von x mm”). Das Verfahren ermittelt anschließend für diese Nachbarposition alle in Frage kommenden Qualitäten, Längen und Keilungen aus dem groben Ausmauerungsplan. Für jede einzelne Kombination aus diesen Eigenschaften wird ein weiterer virtueller Stein erstellt. Diese Menge an Steinen soll als Menge der Kandidaten bezeichnet werden. Für jeden einzelnen Kandidaten wird nun ein Test durchgeführt: Dabei wird der jeweilige Kandidat an den ersten Stein, ebenso wie an die Gefäßkontur und/oder die umliegenden Steine, entsprechend den Bedingungen für die Art der Mauerung (glattes Anlegen, Mörtelfuge, Hinterfüllmasse, etc.) angelegt. Auch bei diesem Anlegeprozess kommt es zu keiner Überschneidung zwischen Stein und Kontur, ebenso zu keiner Überschneidung zwischen dem neuen und einem bereits gesetzten Stein. Anschließend wird die Qualität des Kandidaten bewertet. Die Qualitätsmaßstäbe orientieren sich dabei wieder an den Vorgaben, die auch bei der realen Zustellung verwendet werden. Beispielsweise ist die Qualität des Kandidaten besser, umso mehr er den Vorgaben des groben Ausmauerungsplans entspricht (Längenvorgabe, Qualitätsvorgabe) und seine Keilung derart gestattet ist, dass seine Mittelachse etwa in die Mitte des Gefäßes zielt. Sind alle Kandidaten bewertet, wird der Kandidat mit der höchsten Qualität als Nachbarstein ausgewählt, die anderen Kandidaten werden gelöscht. Das Verfahren wird nun iteriert, nur das man ab diesem Schritt nicht mehr nur vom Startstein, sondern von einem der bisher festgelegten Steine ausgehen kann. Nach entsprechend häufiger Iteration ist die Ausmauerung abgeschlossen, es verbleiben nur kleine Lücken in der Ausmauerung (die bauseitig geschlossen werden).
- Führt das Verfahren so zu keinem befriedigenden Ergebnis, so besteht die Möglichkeit, es durch wenigstens zwei randomisierte Schritte zu erweitern. Zum einen kann der Startstein, insbesondere in seiner Position, variiert werden. Zum anderen kann bei der Qualitätsbewertung der Kandidaten eine Zufallskomponente eingebracht werden, die eine lokal schlechtere Qualität erlaubt, um global zu einer besseren Lösung zu führen. In beiden Fällen wird entsprechend so lange komplett neu gestartet, bis eine befriedigende Lösung berechnet wurde.
- Nachdem des Planungsverfahren abgeschlossen ist und eine virtuelle Gesamtausmauerung ermittelt wurde, wird im nächsten Schritt aufgrund der vorher ermittelten Ausplanung eine Vorkonfektionierung berechnet.
- 4. Eine solche Vorkonfektionierung kann unterschiedlich aussehen, beispielsweise kann sie aus einzelnen Steinen bestehen, die für einen Einzelsteinförderer geeignet sind. In diesem Falle wird aus der virtuell berechneten Ausmauerung eine geeignete Reihenfolge der verwendeten Steine bestimmt, die sich in dieser Form nacheinander effizient verlegen lassen.
- Bei dieser Reihenfolge ist zu beachten, dass Steine, die später auf anderen Steinen zum Liegen kommen sollen, sich innerhalb der Reihenfolge hinter diesen befinden müssen. Ebenso darf sich kein Stein so weit hinten in der Reihenfolge befinden, dass seine Einbringung in die sich aus den vorhergehenden Steinen ergebende Verlegung schwierig bis unmöglich ist. Auch sollte die Reihenfolge so gewählt werden, dass die Steine schnell hintereinander verlegt werden können, beispielsweise sollten in der Ausmauerung benachbarte Steine auch innerhalb der Reihenfolge direkt aufeinander folgen.
- Eine weitere mögliche Vorkonfektionierung besteht in der Zerlegung in Paletten. Beispielsweise kann eine bei einer Konverter-Zustellung auftretetende Ringlage in mehrere Abschnitte unterteilt werden. Die in den Abschnitten befindlichen Steine können dann auf einer geeigneten Palette aufgestapelt werden, vorteilhafterweise in einer Form, die eine schnelle Abstapelung in der für die Zustellung erforderlichen Reihenfolge erlaubt. Die Paletten können dann vorbereitet gehalten werden und im Zuge einer Zustellung auf eine konventionelle Ausmauerungsplattform transportiert werden.
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Das Verfahren kann noch durch weitere Schritte verbessert werden. Beispielsweise kann die eigentliche Vorkonfektionierung automatisiert durch eine geeignete Roboterzelle erfolgen. Ebenso ist es möglich das Verfahren, unter der Annahme, dass sich ein Gefäß auf einer einzelnen Reise nur geringfügig verformt, auf einem älteren Scan des Gefäßes basieren zu lassen und somit eine vollständige Vorkonfektionierung der Steine vorzubereiten, bevor das Gefäß aus dem Betrieb genommen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen noch erläutert werden.
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1 zeigt das Scannen eines metallurgisches Gefäßes 2 (in diesem Fall einen BOF Konverter) mit einem optischen Abstandsmessgerät 1 (in diesem Fall ein Laserscanner). Der Scanner wird durch entsprechende Rotation über mehrere Achsen ausgerichtet, so dass eine vollständige Innenaufnahme des Gefäßes erreicht wird.
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Die 2 und 3 zeigen Visualisierungen von abgeleiteten dreidimensionalen Modellen des metallurgischen Gefäßes. 2 zeigt ein flächenbasiertes Modell, 3 zeigt ein punktbasiertes Modell
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4 zeigt eine beispielhafte Berechnung eines Ringes der Innenausmauerung eines BOF-Konverters. Die Berechnung basiert auf der Kontur, der in 2 und 3 gezeigten Modelle. Die Ringlage umschließt den Innenraum 8 des Gefäßes und besteht aus Steinen unterschiedlicher Länge, Qualität & Keilung. Das Beispiel zeigt neben den eigentlichen Mauerungssteinen (bspw. 6, 7) eine zweite Reihe besonderer Steine 9, sogenannte Hintersteller, und zeigt somit die Anwendung des Verfahrens auf Zustellungen mit mehreren Schichten
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5 zeigt eine vorkonfektionierte Palette. Die Palette besteht aus der eigentlichen Tragepalette 11 und den darauf aufgetürmten Steinen. Die Steine sind heterogen, d. h. sie können in Form (Keilung), Länge und Qualität abweichen. Beispielsweise bestehen die Steine 16 und 15 aus dem selben Material (erkennbar an der Farbe), während Stein 13 ein anderes Material aufweist, ebenso wie Stein 12 ein drittes Material. Die Steine tragen auf ihrer Vorderseite zur einfacheren Verlegung Markierungen oder Aufkleber (16).
