Цифровой помощник металлурга на базе спектрометрии и матбаланса

Цель проекта — создание и внедрение комплексной интеллектуальной системы для повышения эффективности и точности управления процессом конвертирования цветных металлов.

Проект направлен на решение ключевых технологических задач металлургического производства:

• обеспечение объективного контроля хода конвертирования и определения оптимального времени завершения на основе анализа спектральных данных отходящих газов;

• внедрение автоматизированной системы расчёта материального баланса и дозирования флюсующих материалов в реальном времени;

• снижение потерь цветных металлов в шлаке и повышение качества черновой меди.

Итоговая цель — переход от эмпирического управления технологическим процессом к цифровой модели “умного конвертера”, основанной на данных, математическом моделировании и спектрометрии.

В результате реализации проекта создана и внедрена первая в России промышленная система спектрометрического контроля процессов конвертирования цветных металлов. Решение доказало свою эффективность в промышленных условиях и подтвердило возможность использования ультрафиолетовой спектрометрии поглощения для управления процессами конвертирования.

Система обеспечивает автоматическое определение стадии конвертирования, остаточного содержания железа и серы в расплаве, а также расчёт оптимальной подачи флюса на основе данных XRF-анализов.

Технический эффект проекта, подтвержденный на предприятии – снижение потерь по извлечению меди на 0,45%

Экономический эффект оценивается в 150–200 млн рублей в год на одной площадке, при масштабировании – до 20 млн долларов ежегодно.

Проект стал отправной точкой для внедрения технологий оптического бесконтактного контроля и формирования цифровой экосистемы «умного конвертера».

Оборудование:

• промышленные спектрометры УФ-поглощения с разработанными специально для проекта источниками ультрафиолетового излучения;

• XRF-анализаторы для оперативного определения химического состава штейна на печах Ванюковых;

• оптические весы собственной разработки на базе видеокамеры и датчика скорости конвейера, реализующие фотограмметрический принцип измерения массы кварцита;

• локальный edge-вычислитель для обработки спектральных данных и расчета объемов с помощью видеоаналитики

• автоматизированные рабочие места (АРМ) операторов конвертерного и плавильного отделений.

Программное обеспечение:

• цифровая платформа промышленной аналитики с модулями спектрального анализа, расчета материального баланса и видеоаналитики;

• ML-модели, обученные на данных спектрометрии и химического анализа;

• ML-модели для вычисления объема и массы насыпи флюсов на конвейерной ленте;

• интерфейс оператора для визуализации параметров и выдачи технологических рекомендаций в реальном времени.

Проект отличался высокой инженерной и научной сложностью, так как требовал разработки нового метода спектрометрического анализа для условий промышленного производства, а также монтажа оборудования в условиях работающего цеха и точной настройки оптической схемы спектрометр (коллиматор) – УФ источник излучения на расстоянии 10-15 метров через пламя и отходящие газы конвертора. Мы были удивлены, что подход, который мы протестировали в лаборатории, сработал в сложных условиях цеха.

Каждый шаг проекта был инновацией - команда разработала уникальные УФ-лампы и оптическую схему спектрометра, собрала огромное количество проб и провела огромное количество экспериментов, разработала уникальную модель по определению объема подаваемых флюсов с учетом неравномерной подачи и проскальзывания руды относительно ленты. Участники проекта корректировали работу моделей стоя в цеху в противогазах и сидя под конвейерными лентами.

Проект направлен на создание комплексной системы цифрового управления процессом конвертирования цветных металлов, объединяющей технологии ультрафиолетовой спектрометрии поглощения, материального баланса и видеоаналитики. Решение обеспечивает объективный контроль и автоматизацию операций, ранее зависящих от опыта оператора.

Конвертирование медных штейнов — ключевой этап пирометаллургического производства, где расплав обдувается кислородом для удаления железа и серы. До внедрения система управления базировалась на визуальных признаках и пробах, что не позволяло точно определять момент окончания продувки и корректно дозировать флюс.

В рамках проекта реализовано первое в России промышленное внедрение технологии дифференциальной УФ-спектрометрии поглощения, позволяющее в реальном времени определять стадии конвертирования и остаточное содержание железа и серы в расплаве. Для этого разработаны промышленные спектрометры и специальные УФ-лампы, адаптированные для бессвинцового сырья, что стало мировым технологическим прорывом.

Дополнительно создана система материального баланса, рассчитывающая оптимальное количество флюса по данным XRF-анализаторов, установленных на печах Ванюковых. На основе этих данных оператор получает рекомендации через АРМ.

Для контроля фактической подачи флюса внедрены оптические весы, использующие видеокамеру и датчик скорости конвейера для измерения массы кварцита по фотограмметрическому принципу.

Все модули интегрированы в единую цифровую платформу “умного конвертера”, которая объединяет данные спектрометрии, химического анализа и потоковых измерений, обеспечивая новое качество управления технологическим процессом.

Проект реализован на Медном заводе Заполярного филиала ПАО «ГМК “Норильский никель”» в Норильске. Решение адаптировано под реальные условия действующего металлургического производства и может быть тиражировано на другие предприятия цветной металлургии России и СНГ и Мира.

Технология универсальна и применима для различных процессов пирометаллургии — меди, никеля, а также других отраслей, где требуется точный контроль химического состава расплавов и определения оптимального времени завершения операций.