«Норникель» и Рексофт модернизировали систему контроля слива расплава в потоке с помощью ИК-камер и видеоаналитики
В ходе конвертирования расплав в конвертере разделяется на несколько продуктов конвертирования разной плотности и температуры: под более легкой фазой с другим составом оказывается более тяжелая. Задача системы – контролировать процесс слива и своевременно фиксировать, когда завершился слив одной фазы, и не допустить попадание другой фазы расплава. Ошибки приводят к потерям цветных металлов и усложняют последующую переработку. Похожий принцип работает при отделении сливок от молока, у которых разная плотность, только там разделение идет при обычной температуре, а на промышленном предприятии в расплаве при температуре в сотни градусов, и именно разницу температур разных продуктов в потоке считывают камеры.
Система по данным инфракрасных камер распознает переход потока от одной фазы расплава к другой и информирует оператора об изменении состава потока для контроля процесса слива конвертера. Данная технология развивает подход, применяемый в металлургии, преимущественно в сталеплавильном производстве за рубежом, но уже для конвертирования медных штейнов.
Изначально решение задумывалось как самостоятельный инструмент контроля сливов, но по мере развития стало частью экосистемы «Цифровой помощник металлурга», в которую также входят уже реализованные «Норникелем» и Рексофт модули по:
- Рекомендациям по подаче в конвертер оптимального количества флюсующих материалов, в зависимости от химического состава исходного сырья на основании расчета материального баланса;
- контролю фактического объема добавляемых флюсующих материалов с помощью оптических весов на конвейерной ленте, где нельзя установить конвейерные тензометрические весы;
- определению оптимального времени завершения процесса продувки первого и второго периода конвертирования на основании химического состава расплава, измеряемого в режиме реального времени с помощью уникальной технологии спектрометрии отходящих газов конвертера.
На одной из ключевых производственных площадок в Норильске уже был реализован прототип системы видеоконтроля сливов для одного конвертера. Задачей в рамках тиражирования стала его существенная переработка. Команда Рексофт полностью переписала ядро и логику решения, а также процесс CI/CD и обучения моделей, что упростило перенос решения на другие конвертеры и повысило точность. Такой подход облегчает тиражирование данного решения на другие предприятия. До внедрения решения Рексофт оператору приходилось вручную переключать тип операции в системе, что было сопряжено с риском некорректного фиксирования данных. В новой версии система определяет тип операции автоматически, без участия оператора, что позволяет автоматически скорректировать параметры модели.
«Мы не просто масштабировали существующий подход, но и переписали ядро системы и весь процесс сборки и доставки обновлений, а также научились следить и распознавать все операции на конвертерах в режиме реального времени. Это позволило связать воедино все внедренные ранее инновации», – отметил значимость решенной задачи Илья Муха, директор практики «Стратегия трансформации» Рексофт Консалтинг.
Разработка и промышленные испытания системы ИК-детектирования показали, что для промышленного компьютерного зрения видимый диапазон – не единственный источник получения данных для контроля сливов расплава. Технология одинаково успешно работает и в ближнем, и среднем ИК-диапазонах, и в других спектральных диапазонах, где Рексофт имеет большой практический опыт подбора или проектирования оптимального оборудования под конкретную задачу.
Анализ работы конвертеров в режиме реального времени с помощью видеоаналитики дает возможность извлекать большой объем дополнительной информации о самом производственном процессе – от состояния горловины конвертера до типа выполняемой операции (слив, заливка, продувка, прочистка горловины), что позволило создать основу для построения графика работы конвертерного отделения в режиме реального времени.
Для определения продукта конвертирования в потоке слива напротив горловины каждого конвертера были установлены две инфракрасные камеры – среднего и ближнего диапазона. Модели компьютерного зрения в реальном времени распознают в кадре горловину конвертера, ковш, траверсу и струю расплава и по их взаимному расположению определяют этап операции – от ожидания слива до его завершения. Внутри струи расплава с помощью компьютерного зрения происходит сегментация расплава по интенсивности излучения (температуре, воспринимаемой камерой). Модели для каждого типа слива (конвертерного шлака, богатой массы или черновой меди) выделяют целевой продукт конвертирования, где используется свой уникальный набор пороговых значений. Это позволяет фиксировать момент, когда в потоке появляется другая фаза расплава, и предоставлять оператору данные для контроля процесса слива и снижения физических потерь цветных металлов.
При анализе потока система также отличает движущийся расплав от настылей — неподвижных наростов на горловине конвертера. Их температура может быть близка к температуре расплава, поэтому для исключения ложных срабатываний используется фильтр, анализирующий динамику кадра. Он позволяет исключать статичные объекты из анализа потока. Помимо распознавания фаз, система позволяет оценивать количество скачиваемого продукта.
«Отдельная инженерная задача – подобрать свой набор пороговых значений для каждого типа слива. Составы и температуры продуктов слива (шлака, богатой массы и черновой меди) в потоке разные, и модель, откалиброванная под один тип, точно не сработает на другом. Поэтому для каждого продукта мы отдельно подбирали и проверяли пороговые значения, по которым система распознает переход от одной фазы расплава к другой», — рассказала о технической стороне проекта Василиса Зимнова, руководитель направления, консультант практики «Стратегия трансформации» Рексофт Консалтинг.
«Проект дает «Норникелю» прямой экономический эффект. По расчетам технических эффектов, применение технологии в составе комплекса «Цифровой помощник металлурга» позволяет увеличить извлечение меди в черновую медь на 0,6 пп, а также способствует снижению извлечения никеля и кобальта в конвертерный шлак при внедрении всех модулей комплекса», — прокомментировал проект Антон Харин, старший менеджер департамента инноваций Заполярного филиала «Норникеля».
Разработанное решение позволило контролировать процесс слива расплава в месте, где невозможно установить традиционные контактные датчики из-за высокой температуры и агрессивной среды у горловины конвертера, и отслеживать появление другой фазы в потоке. Дополнительно оператор впервые получил возможность в реальном времени визуально контролировать процесс слива, оценивать количество скачиваемого продукта и отслеживать состояние горловины, в том числе наличие настылей, — без капитальных затрат на модернизацию оборудования конвертеров.
Решение по детектированию целевого продукта конвертирования с помощью ИК-камер и видеоаналитики применимо не только на производстве в Норильске, но и на других площадках конвертерного передела меди и никеля — по открытым данным, таких предприятий в России и СНГ больше десятка. Это дает решению потенциал тиражирования далеко за пределы одного предприятия.
