Представьте себе махину высотой 80 метров, где выплавляется чугун: основной процесс проходит непрерывно (вообще без перерыва, даже на обед). Это доменная печь (домна) на металлургическом заводе. Домна — это большая вертикально расположенная шахтная печь круглого сечения, сужающаяся сверху и расширяющаяся в средней части, окружённая стальным кожухом — бронёй, футерованной внутри огнеупорным кирпичом. Кожух от перегрева защищает система охлаждения — холодильные плиты между огнеупором и кожухом. Такие гиганты сразу строят под конкретный технический процесс, обвязывают нужными датчиками и запускают в работу без погружения в детали.  И печь работает годами или десятилетиями и более.

Но время идёт, технологии совершенствуются. У нас, промышленников, появляются возможности внедрить какое-то улучшение на производстве — где-то оптимизировать процесс и сэкономить. Вот только как провернуть такое с 80-метровой печью, всегда наполненной жидким раскалённым металлом?

Меня зовут Евгений Щелоков, начальник участка доменной печи № 3 ЕВРАЗ ЗСМК.  Я расскажу, как мы в ЕВРАЗе модернизировали систему автоматического распределения вдувания пылеугольного топлива (ПУТ) по фурменным линиям, что в результате позволило нам снизить (и довольно существенно) расход дорогого кокса. Если интересно, как можно применять IT для такой узкой и непростой цеховой задачи, — приходите за подробностями под кат.

Что такое домна?

Давайте для начала разберёмся, как устроена доменная печь. Это важно, потому что без понимания физики задача теряет смысл. Доменная печь — это печь-шахта. Внутри неё постоянно находится столб шихты — чередующиеся слои кокса и железорудного сырья.  Сырьё состоит из двух основных компонентов — агломерата и окатышей. Сверху непрерывно загружается новая шихта, снизу — непрерывно выпускаются продукты плавки.

Снизу в печь через специальные устройства — фурменный прибор — подаётся горячее дутьё. Это особая смесь, нагретая до 1140–1180 °С и обогащённая кислородом до 25–28%. Также подаётся природный газ (ПГ) и пылеугольное топливо (ПУТ). 

ПУТ — это уголь, размолотый до тонкого порошка, около 90 микрон. Его подают пневматически через специальные копья прямо в зону горения. Зачем? Кокс дорогой, а пыль дешевле. Каждый килограмм ПУТа, который удаётся вдуть вместо кокса, — это прямая экономия.

Именно за фурмой (один из элементов фурменного прибора) в так называемых фурменных очагах происходит главное. Кокс, ПГ и ПУТ сгорают, образуется газ-восстановитель с температурой горения порядка 2200 °С, образуются капли чугуна и шлака, которые стекают вниз, в горн — металлоприёмник в нижней части печи. Ниже оси фурменного прибора по мере накопления специальная машина пробуривает чугунную лётку (технологическое отверстие) для выпуска жидкого чугуна и шлака.

Представьте: столб шихты над фурмами не статичен. Более того, он буквально висит на потоке газа. По мере выгорания кокса и плавления ЖРС шихта опускается, и сверху открывается объём для новой порции. Так и идёт круговорот.

ПУТ оставляет следы

Казалось бы, уголь, размолотый в пыль, с кислородом и газом при 2200 °С должен гореть идеально. Но на практике всё сложнее. 

Сначала немного про сам ПУТ. Его помол очень тонкий — около 80 микрон, как я уже упоминал, примерно как тальк. Такой порошок пневматически транспортируется по трубопроводам и подаётся в фурменный очаг через специальное копьё, которое проходит через корпус фурмы. Температура дутья — 1140–1180 °С. Частицы ПУТа мгновенно разогреваются и выделяют летучие вещества, которые стремительно воспламеняются.

Проблема в том, что ПУТ, попав в фурменный очаг, не успевает прореагировать полностью. Летучие вещества выгорают быстро, а твёрдый остаток — углерод — не успевает полностью догореть. И эта несгоревшая угольная пыль никуда не исчезает: она попадает на поверхность шлака в фурменном очаге.  

Результат — образование шлаков с пониженной жидкоподвижностью. Простыми словами: шлак густеет и стекает в горн с трудом. Несгоревшие частицы ПУТа закупоривают поровые каналы в коксовой насадке — структуре из кускового кокса, через которую должны фильтроваться жидкие продукты плавки вниз, а также усложняется движение газа вверх. 

Итог — нарушение газодинамики доменной печи. Газ начинает распределяться по сечению неравномерно, появляются застойные зоны, тепловой режим разбалансируется, и печь ухудшает ход. Чтобы вытащить её из такого состояния, требуются специальные технологические приёмы. В первую очередь — снижение или полная остановка подачи ПУТа. Когда через фурму поступает только газ с кислородом, происходит догорание того самого твёрдого остатка. Правда, это выходит дороже.

При этом прямого измерителя количества несгоревшего угля в шлаке нет — это экспертная оценка по косвенным признакам: как идут выпуска, как ведёт себя давление, как распределяются температуры.

Фурмы по кругу. Подбираемся к нашей задаче

На доменной печи ЕВРАЗа — 28 фурм (воздушных приборов), расположенных по окружности. Каждая оснащена отдельными линиями подачи ПУТа и природного газа. В штатном режиме, когда печь работает нормально, все 28 линий вдувают одновременно, и всё хорошо.

Но доменный процесс не бывает стабильным бесконечно. Параметры меняются: что-то изменилось в составе шихты, в давлении дутья, в тепловом балансе. Технолог это видит и принимает решение: вывести часть фурм из работы или сократить расход ПУТа. Например, оставить 24 активных вместо 28 фурм. Технически не получится просто сократить расход ПУТа на печь с 28 т/ч до 24 т/ч — необходимо оставить требуемое количество линий из расчёта 1 т на линию (цифры условные для восприятия): это стандартная практика управления ходом печи. И вот тут начинается проблема, которую нам и предстояло решить.

Когда человек останавливает несколько фурм — он делает это по своему усмотрению. То есть берёт те линии, которые считает правильным остановить. При этом с точки зрения воздействия на печь очень важно, как эти линии расположены по окружности: если остановить четыре фурмы подряд — это одно влияние на распределение газа, а если симметрично — совсем другое. Асимметрия — это дополнительная нагрузка на одну сторону печи, локальный перегрев или переохлаждение, нестабильность. Окружное распределение — важнейшая концепция, которой необходимо придерживаться.

Как часто происходило изменение состояния фурм? Часто. Каждые несколько минут необходимо вручную переключать линии, соблюдать окружную симметрию, следить за расходами, реагировать на изменения, прикрывая или увеличивая расход ПУТа. Думаю, вы уже понимаете, насколько процесс был завязан на человеческом факторе и мастерстве конкретных операторов. Один раз забыл переключить вовремя — цикл нарушен. Переключил не ту линию — симметрия сломана.

Добавьте к этому, что плавка — процесс инерционный, результат воздействия газовщика (технолога) проявляется не сразу. Нужно действительно обладать опытом и концентрацией, чтобы управлять домной. 

В общем, можно натворить дел. Потому нужна была автоматизация. Точнее, модернизация АСУ ТП: логическое объединение трёх уже существующих систем в единый автоматический контур.

Так. А что за системы?

Первая система — АСУ ПУТ

Автоматизированная система управления вдуванием пылеугольного топлива. Она уже работала, но без логики окружного распределения и без алгоритма периодической продувки (о нём ещё поговорим дальше). Именно сюда нужно было добавить новый функционал.

Само по себе добавление кажется понятным: написать алгоритм, который будет поочерёдно останавливать подачу ПУТа, соблюдая симметрию. Но за этой простой формулировкой — серьёзная задача. Потому что среди 28 линий в любой момент часть уже может быть остановлена. По технологическим блокировкам, из-за засоров копья (забитой линии), по другим причинам. Набор доступных линий постоянно меняется. Алгоритм должен учитывать это и строить окружную конфигурацию только из рабочих линий.

За всё время жизни и согласования проекта мы в команде перебрали много идей, как объяснять на аналогиях. Давайте приведу эту: представьте, что у вас спортивная команда из 28 игроков, но в каждый момент часть из них на больничном или дисквалифицирована. Тренер должен собрать состав из тех, кто доступен, — и так, чтобы команда играла всеми игроками равномерно. Причём состав меняется каждые несколько минут.

Отдельная сложность: система управления вдуванием ПУТа была разработана зарубежными специалистами. Нужно было найти исходный код, разобраться в логике и встроить новый алгоритм без нарушения существующей функциональности.
По ходу решения этой задачи появилась интересная идея
оптимизации. Речь идёт о так называемой продувке. Суть продувки в следующем: на части фурм подача ПУТа периодически прекращается, выдерживается требуемый расход ПГ, вызывая тот самый относительный «избыток» кислорода. Это сильно стимулирует догорание остатков угля в фурменном очаге.

Процесс организован циклически. Одна фурма «отдыхает» от ПУТа несколько минут, затем система переключается на следующую, и так по кругу. В итоге весь фурменный пояс последовательно проходит через режим, который помогает подчистить накопившиеся продукты неполного сгорания. Раньше такое могли сделать лишь вручную, и уж, конечно, без постоянного циклического обхода печи.

Вторая система — КИП

Контрольно-измерительные приборы и управление природным газом. К моменту, когда начался проект, эта система уже прошла свою эволюцию. В ней было реализовано равномерное распределение природного газа по всем 28 фурмам: когда на конкретной фурме останавливается вдувание ПУТа, система компенсирует ПУТ природным газом. Это важно, потому что природный газ и ПУТ — разные линии с разными механизмами регулировки, и просто «поровну» их разделить — уже нетривиальная история.

Важный момент, о котором стоит сказать, — настройка (создание) 28 регуляторов природного газа. Первоначальное опасение разработчиков было в том, что регуляторы начнут мешать друг другу — влиять на общее давление в системе и тем самым разрегулировывать соседние линии. Это потребовало тщательной проработки алгоритма управления и серьёзных дискуссий между технологами и разработчиками о граничных условиях.

В новом проекте система КИП получила новую задачу: на линиях (фурмах) в продувке поддерживается расход ПГ по заданной теоретической температуре горения. Это расчёт для создания нужного соотношения кислород/топливо для интенсификации дожигания.

Третья система — тепловое поле

Это, пожалуй, самый технологически насыщенный компонент. Экспертная система рассчитывает теоретическую температуру горения в каждом фурменном очаге — так называемое тепловое поле фурменного пояса. На основе этого расчёта она выдаёт задание в систему КИП: сколько природного газа нужно подавать на каждую фурму, чтобы температура горения по всему поясу была выровнена.

Без этой системы КИП работал в режиме одинаковых настроек для всех фурм: грубо говоря, «всем поровну». Экспертная система даёт более тонкое управление: она видит, что фурма № 5 сейчас холоднее, а фурма № 17 — горячее, и задаёт для каждой индивидуальный расход газа. 

Это само по себе уже работающий функционал. Проект добавил к нему ещё один уровень: экспертная система теперь учитывает режим продувки. Когда на фурме останавливается ПУТ — тепловое поле пересчитывается, задание на газ меняется с учётом этого события.

Как это работает

Давайте разберёмся подробнее с механизмом, который лежит в основе ключевого функционала — периодической продувки фурм. 

Когда вдувание ПУТа останавливается на конкретной фурме, в её очаге происходит следующее. Подача смеси-дутья продолжается. Природный газ подаётся в количестве, рассчитанном экспертной системой. И при этом нет ПУТа, который «забирает» кислород на собственное горение. Значит, в очаге возникает локальный профицит свободного кислорода.

Этот избыток кислорода создаёт интенсивные условия для дожигания накопившихся частиц несгоревшего угля — тех, что осели на поверхности шлака или застряли в порах коксовой насадки. Фактически это прочистка очага. Примерно пять минут на одну фурму — и цикл переходит к следующей.

Почему именно такой порядок, а не случайный? Потому что важна окружная симметрия воздействия. Если чистить только одну сторону печи, тепловой баланс нарушается. Алгоритм обходит фурмы по кольцу, симметрично, с учётом текущего набора рабочих линий.

Параметр теоретической температуры горения — это своеобразный рычаг управления. Через него технолог (или система) задаёт, насколько интенсивным должен быть процесс дожигания. 

И здесь принципиально важна разница между остановкой и продувкой. Технически оба режима — это отсутствие ПУТа на данной фурме. Но технологически это разные состояния: продувка — это активный управляемый режим с целевой настройкой газа, а остановка — это вынужденное техническое выключение. Система умеет различать эти случаи и действует по-разному.

Тестируем наживую

Вот здесь начинается самое интересное. 

У проекта не было полигона для испытаний: «К сожалению, рядом не построили вторую домну для опытов». А у первой, как вы помните, процесс плавки непрерывный.

Потому первичное тестирование алгоритмов проводилось на стенде, где можно отловить грубые ошибки и критические баги. Но реальное поведение доменного процесса воспроизвести на стенде невозможно: слишком много взаимосвязей, слишком инерционная система, слишком редкие краевые события. 

Поэтому команда применила интересный подход: они развернули симулятор прямо на действующей печи. Делали так: алгоритм запускался в штатной среде управляющей системы, но исполнительные сигналы на домну не уходили. То есть программа видит реальные данные с печи, рассчитывает, что она сделала бы, — но физически ничего не переключает. При этом газовщики могут наблюдать за тем, как алгоритм «думает», и сравнивать его решения с тем, что сейчас происходит на печи. 

Это позволило поймать ряд нетривиальных ситуаций: например, когда алгоритм в определённой конфигурации доступных линий выбирал остановку, которая нарушала симметрию. Или когда после остановки конкретной линии система зависала и не могла корректно перезапуститься. Такие кейсы на стенде бы не воспроизвелись: они возникают только из реальной динамики процесса.

После симуляции началась опытная эксплуатация с боевым включением. И здесь уже нам надо было убедиться в том, что в случае любого сбоя технологи знают, как действовать. Вовлечённость специалистов стала частью процесса внедрения. По мере работы системы в режиме опытной эксплуатации были выявлены мелкие замечания. Типичный пример: линия ПУТа остановилась, алгоритм зафиксировал, но по какой-то логической ветке не перезапустил её в нужный момент. Ничего критичного, работа продолжалась, но это неточность, которую нужно было поправить.

Разработчики + технологи

Алгоритм управления окружным распределением ПУТа написал разработчик. Но его логику (формулы, расчёты, условия) придумал технолог, который объяснял, что и почему должна делать система в каждой возможной ситуации.

Систему продумывали так: разработчики выходили в цех, садились за пульт рядом с технологами и наблюдали за работой доменной печи. Технолог показывал: вот сейчас произошло то-то, в такой ситуации нужно делать так, а не так, как ты написал. Потом разработчик приходил с вопросом: а если ещё и вот это случилось одновременно — как тогда? Затем технолог участвовал в разработке логики и проверял её поведение на каждом этапе. Разработчики уточняли и предлагали альтернативные подходы: не всегда кажущиеся очевидными желания технологов можно реализовать в контроллере.

В общем-то, так обычно и бывает при внедрении ИТ-доработок в производство: разработчики и технологи всегда работают в тесной связке. На самом деле можно было бы долго расписывать, какие решения разработчики придумывали и отбрасывали после ревью технологов, какие вопросы задавали, но статья в целом не об этом — не хочется уводить историю на другие рельсы. Если же вам будет интересно это закулисье, напишите в комментариях, позовём коллег ответить на вопросы. :) А может, даже и продолжение статьи напишем.

Про домны и их возраст

Важно уточнить, что доменные печи ЕВРАЗа — не новые. Но это не какая–то проблема: доменные печи в принципе не меняют каждый год, это объект с длинным жизненным циклом. После пуска она работает непрерывно до следующего капитального ремонта. За это время сменятся системы управления, появятся новые датчики, обновятся алгоритмы. А сама печь остаётся той же.

Расход кокса — один из ключевых показателей эффективности доменного производства. Средний уровень по отрасли — где-то в районе 352 кг на тонну чугуна. Чем меньше — тем лучше. Печи Запсиба дотянулись до расхода кокса ниже отраслевого уровня. Это очень хорошая цифра.

Но чем ниже расход кокса, тем сложнее управлять процессом. Когда кокса много — есть запас прочности, буфер в газодинамике и тепловом балансе. Коксовая насадка в горне более крепкая и проницаемая, дренаж жидких продуктов лучше, колебания параметров гасятся сами. Когда его мало — каждое отклонение сказывается заметнее. 

Именно поэтому на больших цифрах расхода кокса тонкая автоматизация менее критична, а на низких она становится стратегически важной. То, что на первый взгляд кажется небольшой доработкой — алгоритм переключения 28 фурм, — на самом деле решение для работы в условиях жёстких параметров с минимальным запасом.

Переходим к итогам

Давайте здесь кратко подытожим, что было для нас наиболее сложным в этой модернизации. А потом перейдём к цифрам.

• Доменный процесс — сложная система. Событие, которое
  сломает алгоритм в конкретной краевой комбинации
  параметров, может произойти раз в неделю. Или раз в месяц. Это делает тестирование долгим по природе: нельзя форсированно прогнать все возможные ситуации. Нужно ждать, наблюдать и реагировать.

• Работа с чужим кодом в промышленной системе. Встраивание нового функционала в зарубежную систему управления ПУТом предполагает то, что нужно понять чужую архитектуру, допущения, стиль программирования. И сделать это так, чтобы новый код был органично встроен в эту систему.

• Отсутствие измерителя результата. Нет прямого способа
  измерить количество несгоревшего угля в шлаке. Эффект виден косвенно: через стабильность параметров, качество выпусков, возможность увеличить расход ПУТа без ухудшения хода печи. 

Да, надо уточнить, что никаких форс-мажоров или аварий и экстренных откатов у нас не было в процессе доработок. Наш подход к внедрению исключал такие ситуации: сначала мы делали всё на стенде, потом — на симуляторе на живой печи с отвязанными исполнительными сигналами, потом поэтапно включили всё с опытной эксплуатацией. Каждый этап — свой набор выявленных и устранённых замечаний.

Цифры

Вопрос, который всегда интересует всех: а сколько это стоит в деньгах? 

Команда ЕВРАЗа рассказала о механизме экономии: за счёт стабилизации доменного процесса система позволяет увеличить удельный расход пылеугольного топлива примерно на 1,5 кг на тонну чугуна. Это может показаться небольшой цифрой — но в масштабах доменного производства она значима. 

Ежесуточный выпуск чугуна измеряется тысячами тонн. Умножьте 1,5 кг на тысячи тонн, умножьте на разницу в цене между углём и коксом, умножьте на 365 дней в году — и небольшой коэффициент превращается в серьёзную цифру.

Коэффициент замены кокса пылеугольным топливом в данном случае составляет около 0,92. То есть каждые 1,5 кг дополнительного ПУТа замещают примерно 1,38 кг кокса на тонну чугуна. Уголь для ПУТа существенно дешевле кокса — разница в ценах и даёт экономию. 

Уже на этапе MVP, когда был реализован только первый функционал (окружная остановка без полного цикла продувки), экономический эффект за период опытной эксплуатации составил порядка 45 миллионов рублей.  После ввода полного функционала расчётная экономия выходит на устойчивый уровень. 

Для понимания масштаба: сейчас это восемьдесят миллионов рублей — только от изменения алгоритма переключения клапанов. Мы довольны этим результатом.

Планы на будущее

Вообще доменные системы — поле для бесконечного улучшения. Один из обсуждаемых вариантов — добавить паузы между циклами продувки: прошёл один круг по всем фурмам, система ждёт 30 минут, потом следующий круг. Это может быть эффективнее, чем непрерывное вращение, в определённых режимах работы печи. Пока это только гипотеза, она проверяется.

Параллельно разрабатываются другие проекты модернизации в доменном цехе: функционал и принципы, отработанные здесь, могут быть применены в других системах. Технология тиражируется не только внутри ЕВРАЗа: схожие по духу решения развиваются на разных предприятиях. 

Спасибо за внимание и интерес к нашему производству! Если есть что рассказать по теме или вы хотите задать вопросы — просим в комментарии. 

Кстати, мы в блоге стали чаще рассказывать про то, как используем IT в металлургии. Например, здесь писали про IT-систему, позволяющую нам следить за качеством руды. Готовим и новые статьи о наших преобразованиях. Напишите, о внедрении IT в каких направлениях вы хотели бы почитать — мы обязательно подумаем, что можем рассказать и показать по теме.