Приоткрываем black box и смотрим в доменную печь. Эпизод #1: оценка вышедшего шлака в течение выпуска
Это доменная печь №6 — огромный агрегат высотой порядка 50 метров и диаметром 20 метров. Чтобы приготовить с ее помощью чугун, в печь нужно положить ряд ингредиентов: кокс, железорудное сырье (ЖРС), природный газ, пылеугольное топливо и дутье (специально подготовленную воздушную смесь с повышенным содержанием кислорода).
Рис. 1. Доменная печь №6
Для извлечения из доменной печи целевого продукта в горне нужно пробурить лётку — специальное отверстие, через которое чугун и шлак выйдут наружу. У доменной печи №6 — четыре равномерно распределенных по диаметру лётки. Как и в домашней печи, целевой продукт необходимо «достать» вовремя: ни раньше, ни позже. Чтобы произвести операцию вовремя, за неимением «духового окна» необходимо косвенными методами отслеживать наполненность печи жидкими продуктами плавки — приоткрыть «черный ящик». В этой статье представлено, как мы планируем это сделать — заглянуть в доменную печь, разогретую до ~1500°C — и какие шаги уже предприняли к нашей мечте.
В поиске идеального момента
Как было сказано выше, доставать целевой продукт из печи нужно в определенный момент. Пробуришь лётку слишком рано — получишь мало продукта с высокими удельными затраты на операцию закрытия-открытия лётки и излишними теплопотерями. Слишком поздно — горн переполнится, что может привести к ряду технологических проблем (см. рис. 2):
- Прогар фурм. Горн — это де-факто сосуд. Температура его содержимого колеблется от 1400 до 1600°C (а температура горения и вовсе может достигать 2200°C). Если горячее содержимое горна дойдет до тех элементов конструкции, которые попросту не предназначены для контакта с жидкими продуктами горна при данных температурах, например, фурм, — они сгорят. В экстремальном случае может произойти «вынос» фурм и аварийная остановка печи.
- Нарушение газодинамики. Внутри печи есть так называемая коксовая насадка. При повышенном содержании жидких продуктов в горне создается избыточное давление на коксовую насадку и вышележащие слои ЖРС и кокса (см. структуру слоев на рис. 2), из-за чего нарушаются газовые потоки в печи (печь должна «дышать», а не «задыхаться»). Если насадка «поплывет», весь столб шихты, находящийся внутри шахты, сместится с последующим уменьшением газопроницаемости столба. Итого: дестабилизация процессов внутри доменной печи.
- Избыточные теплопотери. Доменная печь охлаждается с помощью специальных холодильников, расположенных по всему периметру конструкции. При избытке горячей жидкости в горне отвод тепла увеличится. Фактически мы начнем порожняком охлаждать то, что нужно не охлаждать, а выпускать из печи. Итого: излишние затраты энергии на нагрев и последующее охлаждение.
- Повышенный расход вспомогательных материалов. Глина, которой закрывают лётку, — довольно дорогостоящий материал, расходовать ее зря не хотелось бы.
Рис. 2. Элементы доменной печи (рис. на основе иллюстраций «Геердес М., Ченьо Р., Курунов И., Лингардт О., Рикеттс Д. Современный доменный процесс (2015 г.)»).
Чтобы избежать подобных ситуаций и снизить затраты кокса —, а это, между прочим, основная статья расходов доменного производства, на него приходится около 33% — нужно контролировать уровень жидкости в горне. Но как? Температура внутри доменной печи — 1500–2200°C, ее не выдержит ни один датчик! Проверенных способов, которыми можно косвенно измерить уровень жидких продуктов, тоже нет.
По сути, доменная печь — это черный ящик, в который мы загружаем кокс, ЖРС, топливо и дутье, а на выходе извлекаем чугун и шлак. Заглянуть внутрь и посмотреть, сколько в горне жидких продуктов, пора ли бурить лётку или стоит еще подождать, — невозможно.
Рис. 3. Начало выпуска чугуна и шлака из печи
Поэтому на производстве это делается по плану. Похоже на процесс приготовления еды по рецепту: вы выбрали режим приготовления, засыпали ингредиенты, а по истечении установленного времени при поддержке установленного режима получаете продукт… Только в случае с доменным производством не подносите жидкие продукты плавки ко рту! Не всегда режим приготовления может быть угадан с точностью в 100%, но, скорее всего, вы получите неплохой суп.
В доменном производстве примерно то же самое. Доменщики бурят отверстия по расписанию — открывают крышку кастрюли для принятия трапезы — (например, через 60–80 минут на одной стороне печи) либо по острой необходимости, если видят, что что-то идет не по плану — «подгорает», «хочет убежать» и проч. В любом случае делают они это на основании своего производственного опыта, данных по загруженному сырью и параметров вышедшего чугуна и шлака за предыдущие выпуска.
Приоткрыть черный ящик
Мы были бы не мы, если бы не захотели соорудить цифровой сервис, который бы помогал нашим сотрудникам на производстве отслеживать уровень наполненности горна и контролировать расход кокса. Так скажем, помочь нашим дорогим кулинарам в приготовлении.
Отсутствие точных данных о том, сколько жидких продуктов в горне и каков уровень наполненности, влияет на организацию работы печи и расход кокса. Поэтому у нас возникла идея — создать сервис, который будет контролировать уровень жидкости в горне.
Иными словами, мы захотели приоткрыть этот черный ящик. Но как это сделать?
Еще раз посмотрим на доменную печь. Все, что мы туда загружаем, — кокс, железорудное сырье, топливо, дутье — можно измерить. Массу получившегося чугуна тоже можно узнать — например, взвесить ковш или вычислить с помощью уровнемера. Увы, со шлаком такое не прокатит — из доменной печи он уходит по желобам на другую установку. А знать количество шлака необходимо — данные о том, сколько и чего мы загружаем в печь и получаем на выходе из нее, помогли бы нам создать модель, которая бы вычисляла количество шлака и чугуна в горне. В результате — и технологические процессы в норме, и затраты кокса оптимальны.
Как же измерить, сколько шлака выходит из доменной печи?
После выхода из горна шлак температурой порядка 1500°C (!) течет по желобу с непостоянным сечением (!), имея при этом непостоянную скорость (!!!). Сплошные неизвестные. Получается, что измерить количество шлака каким-то прямым способом нереально.
Однако производство — это не просто какие-то разрозненные печи и установки. Тут все взаимосвязано. И побочный продукт уходит из горна не «в мусор», а на установку грануляции шлака. Там шлак, разогретый в горне до 1400–1650°C, встречается со смесью воды и азота (их температура соответствует температуре окружающей среды), охлаждается и измельчается. Из установки выходит грануляционный шлак — он чем-то похож на опилки и используется в строительстве.
Рис. 4. Доменная печь и установки грануляции (синие здания)
Может, у нас получится вычислить количество шлака с помощью параметров установки грануляции шлака? Вот так она выглядит.
Рис. 5. Установка гранулирования шлака
Емкость, куда поступает гранулированный шлак, имеет некий постоянный объем. Казалось бы, количество выходящего шлака из печи мы можем вычислить, зная уровень содержимого этой емкости. Но это произойдет только через час-полтора после начала выдачи продуктов плавки, а нам нужно знать количество шлака в режиме реального времени. Ведь доменной печью мы хотим управлять сейчас, а не через час — после того как наше «блюдо» сгорит или пригорит!
Нам известны следующие параметры производственного процесса, связанные с процессами гранулирования шлака:
- температура поступающего шлака;
- объем и температура поступающей воды;
- температура пара;
- температура гранулированного шлака (приблизительно равна температуре окружающей среды).
На первый взгляд, можно составить некое физическое уравнение, которое поможет нам из всех этих параметров вычислить объем шлака. Казалось бы, школьная физика! Или нет?
- Процессы, происходящие при встрече очень горячего шлака и прохладной воды, нестационарные с точки зрения теплообмена. Просто так, «в лоб» по школьным формулам их рассчитать некорректно.
- Система открыта. Например, мы не можем подсчитать количество исходящего пара. И в целом, когда пробовали составить уравнение теплового баланса, у нас не удалось его свести — не хватало источников данных.
Математика решает
Мы решили не лезть еще дальше в дебри физики и применить современные методы. А именно — наше любимое машинное обучение.
Взяли все параметры, известные на установке грануляции, которые, по нашему мнению, косвенно связаны с объемом шлака, и сказали: «А ну-ка, математика, выведи нам зависимость!».
И математика вывела. Так мы получили цифровой двойник датчика.
Рис. 6. Цифровой двойник «без излишних помпезностей».
Чтобы сотрудники, работающие с доменной печью №6, могли пользоваться этим уравнением, мы «обернули» «сухие математические выкладки«в цифровой сервис. Выглядит он так.
Рис. 7. Сервис контроля и оценки вышедшего шлака в режиме реального времени («цифровой датчик»).
Он в режиме реального времени показывает, сколько шлака выходит из печи. Обратите внимание на два графика — сравнение выхода шлака по одной линии-лётки и с предыдущим выпуском.
С их помощью производственники могут оценить интенсивность выхода шлака, сравнить текущий выход шлака с предыдущими выпусками и понять, соответствует ли количество шлака ожидаемому. Серьезное несоответствие будет сигналом к открытию второй лётки.
Если из печи вышло ожидаемое количество жидких продуктов, доменщик сможет вовремя закрыть лётку, не открывая параллельный выпуск. Таким образом, минимизирован технологический вред производству и экологии (выбросы смеси дутья, природного газа, пылеугольного топлива и их производных через лётку в фильтрационные установки печи), время не потрачено впустую. С газодинамикой печи все в порядке, а значит, перерасхода кокса нет. Дорогостоящая глина для закрытия лётки тоже экономится. Все довольны.
В перспективе этот цифровой сервис поможет нам решить более глобальную задачу и реализовать визуализацию и контроль уровня жидкости в горне. Но об этом — в следующем эпизоде! Если у вас остались какие-либо вопросы, постараюсь ответить на них в комментариях.
