Вот эта штука — домна.

С ней такой парадокс: чем она больше, тем выше у неё «КПД». Так-то и вы можете получить железо нагревом руды в обычной яме: выкопали лопатой, заложили руду и уголь, подожгли, отошли на пару дней, вернулись — уже готово!

Если сделать нормальную печь из кирпича, то результат получится чище, экономичнее и более предсказуемым.

Если сделать герметичную печь, то результат будет ещё чище.

А если сделать нечеловечески огромную герметичную печь, то получится очень сильно уменьшить себестоимость выплавки. Если вы плавите очень много, конечно. То есть экономический идеал — бесконечно большая печь.

Но делать её слишком большой тоже нельзя: влияют распределение материала по сечению печи и подвод топливно-воздушной смеси (горячего дутья). Также при выплавке внутри образуется доменный газ, воздействующий на стенки агрегата, толщина которых пропорциональна давлению и диаметру.

Ещё возникают вопросы в управлении большим агрегатом: процессы в малых и больших печах отличаются в связи с отдалённостью центра печи от периферии. То есть все современные печи — это компромисс между возможностью собрать конструкцию так, чтобы её не разорвало, её управляемостью и «КПД».

Вообще сравнивать одну доменную печь с другой — целое искусство. Не зря я пишу «КПД» в кавычках: для доменных печей это не единый показатель, а целый набор характеристик. В 70-х годах прошлого века в научных публикациях были попытки вывести некий обобщённый показатель КПД, но ничего не вышло.

Каждая печь — её объем и профиль — оптимизируется под локальные условия, то есть под тип руды из месторождения (рудная база и возможности рынка) и под тип топлива. Есть сложившийся подход по изменению конструкции печи в зависимости от её объёма: меняются углы наклона, высота шахты.


Развитие профиля доменной печи (Устройство и проектирование доменных печей: учебное пособие / Л. И. Каплун, А. В. Малыгин, О. П. Онорин, А. В. Пархачев. — Екатеринбург: УрФУ, 2016. — 219, [1] с.)

Например, в Бразилии печи маленькие. Там есть высококонцентрированные железные руды и особая древесина, что отражается на низком содержании вредных примесей, высоком удельном выходе чугуна и низком удельном выходе шлака. Бразильцам не нужно воевать за КПД, у них качественная руда и условно бесконечный уголь, потому что джунгли (эвкалипты) восстанавливаются под вырубку приблизительно за семь лет. Говорят, что раньше в Англии в качестве топлива использовался древесный уголь, но из-за интенсивной вырубки лесов был издан специальный указ, запрещающий вырубать их в интересах чёрной металлургии.

Что загружается в домну

Слева направо: а) брикеты и агломерат, б) окатыши, в) руда различного вида, г) кокс, д) продукты доменной печи — чугун, шлак (гранулированный и застывший)

Во-первых, ЖРС — это железорудное сырьё (в основном позиции «а» и «б»). Можно грузить чистую руду, но это неоптимально. Печь оптимизируется под разведанное месторождение и/или возможности рынка сырья. В России железная руда не такая, как в Бразилии: её состав «гуляет» и имеет относительно низкую концентрацию железа, поэтому основными железосодержащими материалами являются окатыши и агломерат. Это предобработанная на других процессах руда, которая имеет повышенную концентрацию железа. Состав ЖРС выравнивается за счёт пропорции окатышей, агломерата и изредка — другими материалами: бывало, что и конвертерным шлаком. Тем самым появляется сложная технологическая задача: подобрать под характеристики то сырьё и состояние доменной печи в конкретный момент времени, ту его комбинацию из доступного заводу, чтобы выплавка шла наиболее эффективно в соотношении к затратам энергии и сроку службы печи. Причём влияние этой задачи можно оценить в полной мере через пять-шесть часов, когда загруженное сырьё проплавится.

Агломерат подготавливается на переделах рядом, окатыши окомковываются на горно-обогатительных комбинатах, оттуда же привозится руда, затем из всего этого собирается оптимальная смесь, соответствующая состоянию и условиям работы конкретной доменной печи.

Химсостав у ряда компонентов и другие параметры немного «гуляют», стопроцентной унификации не добиться, поэтому нужна такая схема, которая унифицирует готовое сырьё в зависимости от состояния печи с учётом имеющегося сырья. Собственно, поэтому и нужно несколько типов ЖРС.


Окатыши

Источник железа — это ЖРС, там оно содержится в форме оксида. Ещё нужен восстановитель. Сделать «псевдожелезяку», а на самом деле это крица, можно и на костре (восстановителем здесь будет уголь), но для промышленных процессов у нас стоят целые печи. Нужно добавить углерод, который образует прочную связь с кислородом этого оксида. Углерод в результате реакций «отрывает» кислород, газ улетает, остатки в жидком виде стекают. Остатки в жидком виде — это как раз железо и примеси. То есть нам нужен углерод или CO, который запустит нужную реакцию. Схожими восстановительными свойствами обладает водород, который в России зачастую поступает в доменную печь с природным газом и образует всем нам известный оксид водорода — воду.

Реакции идут при повышенных температурах, поэтому надо «поддать жару» — топлива. Так получилось, что оно является источником тепла и восстановителем в виде углерода. То есть можно жечь уголь и получать сразу два эффекта: и разогрев, и восстановление железа из оксида.

Но просто уголь нам не подходит: он должен быть прочным в том числе при высоких температурах после реакций в доменной печи, что характеризуется показателем горячей прочности. Горячая прочность углей низкая и составляет 30–40 %. То есть при повышении КПД растут объём печи и требования к топливу — тоже.

Оптимум достигается с использованием кокса, получаемого посредством другого процесса, когда из спечённого специального угля получается другой тип топлива в результате высоких температур и ряда химических реакций. При этом горячая прочность кокса выше 60 %. Имеются и другие характеристики кокса, но в статье мы их сознательно опустим.

Кокс — идеальный восстановитель для доменного процесса, выполняющий четыре функции: это источник тепла, источник газа-восстановителя, функция каркаса — кокс позволяет «держать» слои материала на себе в печи и источник углерода для получения чугуна. А ведь чугун — это сплав железа с углеродом.


«Свежеиспечённый» кокс

Ещё мы подаём природный газ, измельчённый уголь — ПУТ (пылеугольное топливо) — и сжигаем их.

Как видите, уже в абзаце выше было упомянуто огромное количество возможных оптимизаций, над которыми инженеры и разработчики бьются до сих пор. Но пока это только очень грубое приближение.

Как это достигает доменной печи

Всё начинается с выгрузки сырья («Приёмная станция» на карте): приезжает железнодорожный состав («вертушка»), выгружает ЖРС и кокс. Кокс он везёт с коксовых батарей коксохима или от других поставщиков, ЖРС — напрямую из карьера, но в основном из других переделов, где обрабатывается руда.


Схема доменного цеха

Нам нужна ещё пара других материалов: специальная глина для герметизации печи (и последующего проделывания отверстия, которое должно иметь определённые характеристики для слива расплава после завершения процесса) и добавки, например, марганцевая руда (позиция «в» на рисунке выше), чтобы промывать горн. Иногда используют и другие виды добавок для придания определённых свойств шлаку (шлак — это «серый кардинал», напрямую влияющий на технологию доменного процесса).


Специальная глина для герметизации доменной печи

Кокс, ЖРС и добавки выгружаются в бункеры («Бункерная эстакада» на карте). Здесь появляется ещё одна особенность реального мира: бункеры фактически можно использовать только наполовину, потому что сырьё при падении с высоты начинает разрушаться, в итоге это изменяет его фракционный состав, а печь должна «дышать», и материал должен двигаться по ней определённым образом (не просачиваться в пространства между кусками материала, иметь определённую «упаковку»). Поэтому мы загружаем сырьё в стационарные бункеры и следим, чтобы при загрузке они всегда были заполнены наполовину. Под бункерами — грохоты для отсева мелочи: это своего рода движущаяся система сит. Затем — весовые воронки: одни из самых точных «весов», чтобы провесить сырьё и дозировать его.

Дальше — конвейер, который ведёт в печь (см. карту). Всё загружается по алгоритму, мы точно знаем, чего, сколько и куда. Иногда вместо конвейера используют скиповую загрузку, представляющую собой аналог лифта с лотком.

Для работы печь нужно загерметизировать, поэтому верхние бункеры (БЗУ — см. ёмкости над печью) фактически входят в её контур. То есть мы загружаем туда сырьё и обеспечиваем герметизацию ёмкостей. Это тоже довольно нетривиальный процесс, требующий работы под давлением без нарушения герметизации печи.

Дальше начинается самое интересное.

Распределение кокса и железорудного материала внутри домны

Материал должен лечь так, чтобы слои кокса чередовались со слоями железосодержащего сырья. Каждый слой кокса должен быть проницаем для газов, проходящих через весь этот слоёный пирог. На всякий случай напомню, что чем больше и равномернее кислорода удалось оторвать от молекул оксидов по сечению печи (с учётом ограничений), тем лучше. Вот поэтому нужно обеспечить и доступ CO к металлу, и потом отток CO2 от металла. Больше слои железорудного сырья — меньше проницаемость, хуже идёт реакция. Меньше слои — снижается «КПД». И наоборот — для слоёв кокса.


Здесь и ещё несколько далее — иллюстрации из книги «Современный доменный процесс» (М. Геердес, Р. Ченьо, И. Курунов, О. Лингарди, Д. Рикеттс, редакция И. Ф. Курунова), наше издание НЛМК

Соответственно, тут нужно решить сразу три общие задачи:

1. Определить оптимальную форму слоёв с учётом того, материал с какими свойствами будет загружаться, как он будет опускаться в печи — участвовать в процессах восстановления, и как будет прогорать топливо и плавиться металл.
2. Разложить сырьё по этой форме. Это проблема, потому что вы можете только догадываться, что происходит внутри домны. С момента, когда вы её закрыли, следующая информация поступает фактически после проделывания отверстия внизу — через пять-шесть часов, когда нужно получить расплав; также это данные с датчиков на периферии доменной печи. Всё остальное делается в режиме чёрного ящика. Имеются попытки локально «приоткрыть» чёрный ящик с помощью устройств в верхней части печи или путём измерения косвенных параметров, обычно это «капризные» к условиям работы устройства, что вносит сложности в их эксплуатации (и с не всегда достоверными данными).
3. Поймать момент, когда каким-то образом уложенное сырьё готово. Если начать сливать расплав раньше, то будет непроработан весь полезный объём, получится излишняя потеря тепловой энергии, то есть выработка станет ниже. Также повысятся затраты на «расходники». Если позже — расплав может дойти до фурм для подачи газа и повредить их, ухудшив проницаемость печи за счёт смещения структуры слоёв над расплавом.

Соответственно, нужны сервисы, которые управляют загрузкой слоёв сырья, чтобы они правильно ложились. Фактически вы либо управляете вращающимся лотком с изменяющимся углом наклона, либо открываете на разную степень раскрытия прижимное устройство — «крышку» в виде конуса.


Различные загрузочные устройства для доменных печей

Плавим чугун

Сверху домны при стандартном режиме работы — от 100 до 600 °C. Внизу — около 2 200 °C: температура фурменного очага (см. области горения на рисунках ниже).

Внизу из фурм — газ и пылеугольное топливо, которые горят и тем самым вносят тепло и восстановители в доменную печь. Там же поджигается кокс (хотя по факту это выглядит как «истирание» кокса внутри фурменного очага), который тоже начинает гореть. По мере прогорания слоёв всё это начинает двигаться, стремясь вниз. В грубом приближении слои не перемешиваются (хотя это не совсем так), а просто «собираются» к центру, как видно на рисунке.


Доменная печь — кладезь физико-химических процессов

Укладывать можно по-разному. В расчётах и теории это выглядит так:



Вот так выглядят слои в реальности:



Также через фурму в доменную печь подаётся горячее дутьё: подогретые окислитель (кислород) и транспортный газ (азот) в пропорциях. Получается 31-32 % кислорода (в Китае, например, в среднем ниже), и остальное в основном — азот. Причём содержание кислорода зависит от доменной печи и от интенсивности её работы. Это чем-то похоже на процесс регулирования горения углей под шашлыки «махалом».


Фурма, фурменный очаг, зона циркуляции, горизонтальное и вертикальное сечения


Зона циркуляции в доменной печи после остановки и заморозки азотом

В результате этих процессов образуется CO, который восстанавливает из руды железо (обычно речь идёт про оксиды Fe2O3, Fe3O4, FeO) и поднимается наверх в виде CO2. Наше идеальное состояние — когда вверху собирается почти весь газ CO2 без CO, а внизу — 95-96 % Fe и 4 % C. Естественно, не всё так просто, и наверх попадает и непрореагировавший CO. В итоге всё это сверху забирается на очистку, где он омывается водой, охлаждается и осушается. Поскольку газ находится под давлением, то по дороге ещё можно отобрать у него энергию (разница давления потока до и после) на раскручивание турбины — так мы получаем 8–10 МВт энергии чисто на турбине, которая использует кинетическую энергию проходящего газа.

На некоторых печах сверху стоят рециркуляторы CO: газ может проводиться через абсорберы, где утилизируется CO2, а CO подаётся обратно в фурмы. Технология называется HyCROF, является достаточно новой и редкой в использовании в доменном производстве. Например, известно использование такой технологии в Китае.

Металл по мере выплавки стекает в горн. Туда же рядом направляется доменный шлак — примеси, которые нам не нужны, то есть пустая порода. По сути, горн — это не просто сосуд, а сосуд с коксом, в порах которого — как раз чугун и шлак. И шлак там копится, поэтому и нужна марганцевая руда: время от времени горн промывается ею так, что весь шлак «разжижается».

Затем в печи бурится лётка — отверстие в глиняной пробке внизу. Так можно выпустить чугун и шлак и сделать выпуск расплава.


Выпуск чугуна и шлака из лётки доменной печи

Расплав выливается прямо в чугуновозные ковши (бывает, что на других производствах выливают в так называемые торпеды или «сигары» — особой формы и конструкции сосуды), и дальше этот чугун может ехать в сталеплавильное производство в миксерное отделение и в конвертер, чтобы получить сталь. Продукт выходит температурой около 1 500 градусов, в среднем этого хватает для перевозки и для процессов в сталеплавильном производстве, в следующий раз он охлаждается до твёрдого состояния уже после превращения в сталь на машине непрерывной разливки, когда из этой стали формируется сляб (такой огромный слиток, который дальше можно превратить во что угодно, например, в листовую сталь).

Кстати, имеются отдельные цифровые сервисы, которые позволяют не допускать переохлаждения чугуновозных ковшей.


Наполненный чугуном чугуновоз

Одна из самых неприятных для нас примесей на этой стадии — сера. Кто-то в мире делает десульфурацию прямо в домне, кто-то — отдельно уже в конвертерном цеху. И тот, и другой способы обладают набором плюсов и минусов. Исторически сложилось так, что мы в основном десульфурируем прямо в домне и «подшлифовываем» результат на установках в конвертерном цеху.

При чём тут ИТ-специалисты

Вид на доменные печи №№ 6 (ближняя) и 7 (дальняя)

Практически везде начиная от оптимизации выгрузок в бункеры и заканчивая моделированием внутренних процессов домны для оптимизации всего на каждом этапе нужны автоматизация и аналитика.

Наши предки в Советском Союзе использовали практический опыт и большие бумажные таблицы зависимостей, чтобы выставить по ним режим или что-то настроить. У нас есть возможность использовать оборудование гораздо более оптимально, например, точнее раскладывать слои, точнее выбирать момент пробития лётки и так далее, т. е. помочь нашим дорогим технологам и операторам доменной печи в их нелёгком труде, в их технологических задачах, сложность которых вы могли ощутить при прочтении статьи.

Дальше есть два подхода: технолог приходит с понятной ему задачей, далее аналитики, разработчики и иногда DS-команда начинают разбираться, как это реализовать. Они все так или иначе мыслят абстракциями, и задача до разработчика доезжает в виде «нужно рассчитать оптимумы используя такую-то физическую модель процесса и такие-то данные, ожидаемый результат — такой-то». Зачем это нужно — одному Богу металлургии известно… или уважаемым технологам. Это случается чаще, чем принято считать, потому что никто из разработчиков не получает профильного образования металлурга и редко углубляется в технологию.

Второй подход — когда все знают, что именно они меняют, то есть хорошо представляют себе процессы реального производства: и теоретическую физику, и химию, и то, как это ложится на конкретный цех с его особенностями (а особенностей там — море, и изучают это годами в теории и на практике).

Второй подход отличается ещё и тем, что ИТ-команда может сама предложить (скорее предположить) оптимизацию, про которую не подозревает технолог. Также могут проинтерпретировать результаты на техническом языке (в том числе — чтобы модель не казалась чёрным ящиком для производства) и понять, что нужно поменять в модели для её лучшей сходимости. Технолог лучше понимает, что нужно делать, а ИТ-команда — что вообще можно сделать и что сделать очень просто.

Собственно, сейчас мы находимся на той стадии, когда основные очевидные улучшения вроде бы в большинстве своём сделаны и уже идёт оптимизация более сложных процессов. Именно поэтому я и организовал цикл лекций для сотрудников производства по доменному процессу.

Ну и ещё мы дошли до той стадии, когда нам стало нужно очень активно вовлекать научных работников в то, что называется цифровизацией, потому что с новыми возможностями data science и новыми же подходами получается двигать прикладную науку. Собственно, по одному из наукоёмких проектов мы начали сотрудничать с профессором Сергеем Александровичем Загайновым и параллельно организовали обучение.

А вот лекции у нас пошли немного не так, как в университете.

Во-первых, образование не обязательное. Мы опросили ИТ-команды и инженеров, узнали, кому это может быть полезно и кто хочет. Оказалось, что интересно многим, причём технология нужна не только тем, кто работает с доменным цехом, но даже тем, кто автоматизирует коксохим на другой площадке. Дальше просто организовали.

Физически лекции проводим в Москве, оттуда же — видеотрансляция по объектам по стране. Профессор прилетает из Екатеринбурга, читает у нас лекцию, отвечает на вопросы. Потом мы вместе едем на объект в Липецк уже на проектную часть (это недалеко). Проекты похожи на те, что представлены НЛМК на Хабре или в официальном телеграм-канале. Например, такой.


Пример проекта — логистика чугуновозных ковшей

Сами лекции шли очень бурно. В отличие от университета каждый слушатель был очень живо заинтересован в том, чтобы разобраться до конца, поэтому вопросы задавались до полного понимания. На действующем производстве был очень интересен опыт других компаний, в том числе — зарубежных. Например, почему в Германии выбирают внедоменную десульфурацию, чем отличается доменное производство в Бразилии от нашего, от ИТ-персонала — что за такая особенная глина, которую мы используем для запечатывания печи, и так далее. Многие не понимали процессов промывки горна и других аспектов, с которыми вскоре нужно было работать.

Опять же у нас есть премии за рацпредложения: если разобраться с процессами и понять, как одним движением их оптимизировать, то за несколько месяцев можно сделать свой проект, который будет просто волшебно смотреться в портфолио, да ещё и получить хорошую премию.

Так что профессор был востребован в течение всей лекции, и приходилось после очередной дискуссии вспоминать, на чём мы остановились.

Чтобы вы понимали, обычный процесс обучения устроен чуть иначе. Даются теоретические материалы, время на ознакомление с ними, а уже потом надо ехать на производство разбираться в специфике. Коммуникация ИТ — производство есть, но всё равно с живым человеком, когда можно задавать вопросы по контексту. Это намного эффективнее, а разработчикам очень важно понимать контекст.

Вот что писали после первого цикла:

Специалист по автоматизации ТП: «Интересно и познавательно, но хотелось бы заранее знать, о чём будем говорить, чтобы подготовиться».

Data Scientist: «Узнал много нового, что поможет в работе в текущих проектах. Теперь знаю, какой эффект может принести текущий проект на детальном уровне».

Руководитель направления: «Интересный мужик! Можно проработать много технологических аспектов в рамках проекта и связать разные процессы в доменном производстве».

Разработчик: «После лекции решил купить книгу по доменному производству».

Технолог: «Интересно позадавать вопросы и сравнить различные производства».

В общем, с лекциями всё прошло очень хорошо, будем повторять. И ценность там даже не в самих лекциях (материалы-то можно получить где угодно в научной среде), а в адаптации под конкретно наше производство и возможность тут же задать вопросы.

Ещё один довольно неожиданный эффект: поскольку там были руководители, занимающиеся разными сервисами, они начали очень хорошо понимать, как результаты одного сервиса влияют на другой. То есть получилась такая интеграция по переделам.

Люди учились и друг у друга, например, человек с производства мог рассказать, что теория теорией, но в реальном мире всё немного иначе. Технологи могли задать вопрос, который тут же подхватывали разработчики и руководители проектов, добавляя в беклог, потому что ответить можно, хотя всего лет пять назад казалось, что нет. И так далее.

В общем, теперь вы немного знаете про доменный процесс и немного лучше понимаете, зачем это в ИТ.