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La métrologie 3D prend en charge le remplacement de fours à arcs électriques des aciéries

[ 01.09.2020 ]

 

Les fours à arcs électriques sont des assemblages complexes, avec des sous-ensembles alignés les uns avec les autres pour assurer les principales fonctions du four: charger les métaux, chauffer pour faire fondre l'acier et verser l'acier fondu dans une poche. Pour ce faire, le four est composé de 2 structures principales: la base basculante et la structure rotative. La base basculante tourne autour d'un axe horizontal pour permettre au four complet de verser le métal fondu dans une poche. La structure rotative est située sur la base basculante et tourne autour d'un axe vertical pour ouvrir la voute du four. La structure rotative supporte également 3 électrodes montées sur 3 colonnes de translation. Ces colonnes translatent de haut en bas pendant le processus de chauffage pour déplacer les électrodes à l'intérieur du four, à travers 3 trous dans la voute du four. Les 3 électrodes doivent, bien sûr, être bien alignées avec le centre du four. Le four lui-même est composé de 3 composants principaux: la coquille inférieure, la virole centrale et la voute. La coquille et la virole sont fixées sur la base basculante et la voute est fixée à la structure rotative, donc lorsque la structure rotative tourne, elle ouvre le four par sa voute pour charger le four avec des métaux.

Quels sont les requis des alignements et les conditions?


(Conditions de mesure difficiles)

Bien sûr, tous les composants doivent être alignés entre eux, mais les principales exigences sont: les 3 parties du four doivent être centrées et nivelées; les 3 électrodes doivent également être centrées avec le four et bien placées les unes par rapport aux autres; la base basculante doit être mise à niveau lorsqu'elle est en position de production; la structure rotative doit être alignée avec le four, et évidemment aucune collision n'est autorisée. Des exigences supplémentaires peuvent être: les colonnes supportant les électrodes doivent être bien situées et nivelées, le bec verseur de la coquille et la porte de chargement sur la virole doivent être localisés précisément, la flexion des structures doit être vérifiée, l'emplacement de toute la structure basculante dans l’aciérie doit être contrôlé.

Dans ces situations, les installations peuvent être très anciennes et aucune référence fiable n'est déjà définie avec précision. Les références doivent être déterminées et définies pour avoir un système de coordonnées fiable pour localiser tous les composants. De plus, l'environnement est vraiment hostile pour les mesures, impliquant des températures élevées ou froides, de la poussière, des vibrations, des flux d'air, de la rouille, très peu de lignes de vue, quelques centimètres de saleté sur les structures, beaucoup de gens travaillant avec des activités telles que du meulage et du soudage, des quarts de travail longs et épuisants, un niveau de sécurité élevé et un temps très court pour effectuer des mesures. Tous ces facteurs peuvent avoir un impact important sur les données mesurées. Heureusement, nos équipes sont expertes dans de telles conditions et prennent toujours en compte les facteurs d'incertitude dans leurs mesures.

Un projet récent entrepris par Amrikart consistait à remplacer les coquilles et viroles de deux fours lors d'un arrêt de maintenance, sans changer ni modifier aucun autre composant. Les nouvelles structures étaient plus grandes et différentes des précédentes, et le besoin était de les aligner précisément dans leur environnement existant. Amrikart possède une expertise élevée en métrologie 3D de haute précision. Ses équipes sont des experts en mesure, alignement, outillage et automatisation.


Quatre étapes pour un processus « bon du premier coup»

L'équipe Amrikart a planifié le remplacement à l'avance, et nous avons pu réaliser le remplacement avec une méthodologie « bon du premier coup», définie en quatre étapes.

(Utilisation d’une ScanStation et d’un laser de poursuite pour numériser et mesurer une nouvelle coque centrale)

La première étape consistait à scanner en 3D tout l'environnement réel (avec l'ancien four) à l'aide d'une station de scan Leica P40. Cet instrument permet de prendre très rapidement beaucoup de données, et est très efficace pour scanner tout un environnement puis effectuer des analyses (collisions par exemple). Les scans ont également été utilisés pour définir toutes les références et fonctionnalités requises pour le nouvel emplacement des coquilles et viroles. Les électrodes et les caractéristiques des structures rotatives et basculantes ont été utilisées comme références pour l'application.


La deuxième étape consistait à scanner en 3D les nouvelles coquilles et viroles, plus grandes. Encore une fois, la station de scan Leica P40 a été utilisée, avec l’ajout de mesures au laser de poursuite Leica AT960 ajoutées à cette étape, pour plus de précision et pour sa capacité de suivi en direct. Ce laser de poursuite est vraiment stable et robuste pour un tel environnement, il est également très rapide à installer et a un temps de préchauffage rapide. Les ingénieurs d'Amrikart l'ont utilisé pour définir des cibles sur les nouvelles coquilles et viroles qui ont été suivis en direct pendant le processus d'alignement pour les positionner au bon emplacement du premier coup.


La troisième étape consistait à simuler l'ajustement des nouvelles coquilles et viroles dans l'environnement actuel du four grâce aux scans 3D fait aux étapes 1 et 2. Même si certaines fonctionnalités n'étaient pas vérifiables, car les structures n’étaient pas visibles lors de leur scan, les techniciens d'Amrikart ont pu, avec la simulation, définir les ajustements à faire pour qu’il n’y ai aucune collision avec l’environnement actuel lors de l’installation des nouvelles coquilles et viroles. Ces ajustements ont pu être déterminés et réalisés avant l’installation des structures, faisant gagner un temps considérable lors de l’installation. Cette simulation était très importante lors des alignements, car elle était régulièrement mise à jour avec l'emplacement réel des nouvelles structures.


La quatrième étape était l'alignement des nouvelles coquilles et viroles. Au cours de cette étape, de nombreuses structures et caractéristiques ont été enlevées, révélant les caractéristiques manquantes précédentes. Ces structures ont alors pu aussi être mesurés et ajoutés à la simulation. L’enlèvement des structures a également supprimé de nombreuses références et fonctionnalités pour l'alignement. La seule façon de vérifier la collision et l'alignement était d'utiliser le modèle simulé. Le laser de poursuite Leica AT960 a été utilisé lors des alignements des coquilles et viroles. Il était possible d'aligner le laser sur les données de numérisation 3D avec des éléments et des cibles communes. Pendant tout le processus d'alignement, le laser a suivi l'emplacement des nouvelles coquilles et viroles en direct et les a guidés a leur emplacement optimal.


La simulation d'assemblage des nouvelles composantes dans l’environnement actuel a été mise à jour en continu avec les valeurs relevées durant l’installation, pour vérifier les collisions avec les structures et l’emplacement des nouvelles coquilles et viroles. L’emplacement optimal n’était pas réalisable en raison de collisions impossibles à retravailler dans les poutres structurelles de la structure basculante, mais il a été possible de déterminer un emplacement de compromis qui répondait à toutes les exigences. Une fois les nouvelles coquilles et viroles localisées au bon endroit, elles ont été fixées en place, et un contrôle final a été effectué avant le remontage de l'ensemble du four. Lors du premier test fonctionnel du four, tout s'est parfaitement bien passé, comme prévu par la simulation.


Sommaire

Ce processus en quatre étapes a permis de minimiser le délai nécessaire à l'ensemble de l'opération de maintenance. Avant les mesures 3D, le processus de remplacement consistait à « positionner les structures et les retravailler jusqu'à ce que ce soit bon », ce qui entraînait une perte de temps énorme dans de nombreuses opérations de démontage et de réassemblage de l'ensemble de la structure, jusqu’à ce que ce soit bon.


L'utilisation de méthodes de mesures 3D, une station de scan, un laser de poursuite, et une simulation d'ajustement ont permis à l'opération complète d'être « bonne du premier coup ». Plusieurs jours ont été gagnés par rapport au processus d'essai-erreur précédent, avec un contrôle qualité supplémentaire garantissant le bon emplacement de toutes les structures avant le remontage final.


L'équipe Amrikart était convaincue que tout se passerait bien au test fonctionnel puisque tout avait été contrôlé avec la métrologie 3D. Lorsque des problèmes de collisions impossibles à retravailler sont survenus, les informations dimensionnelles étaient disponibles pour trouver une alternative viable, guides les structures, et les fixer au bon emplacement. De plus, les données de mesure ont permis de vérifier les autres besoins secondaires. Même après la fin de l'arrêt, Amrikart reste en mesure de planifier les prochaines opérations de maintenance avec des données dimensionnelles à jour. Toutes les données et analyses 3D sont archivées et disponibles pour les prochains remplacements de fours, prévus dans 15 à 20 ans.

Article écrit par Jérémy Arpin-Pont, publié dans sa version anglaise sur Metrology News