Как у нас горели лидары в стальковше

Во время выпуска стали из конвертера в сталеразливочный ковш температура — 1600–1650°C. В зоне слива жара такая, что металл светится ярко-белым, и любое незащищённое оборудование обгорает мгновенно. Первые попытки сделать систему визуализации контроля наполнения стальковша в прямом смысле сгорели. А задача внести присадки ферросплавов вовремя, чтобы получить нужную марку стали, — никуда не делась.

Нам пришлось делать новую систему, которая бы справлялась с реальными температурами конвертерного цеха. Несгораемую систему. Которая должна была учитывать, как именно идёт выпуск стали.

Если коротко: сначала в конвертер загружают лом, заливают чугун и продувают его кислородом — так снижают содержание углерода и убирают примеси вроде фосфора и кремния. Затем полученный расплав переливают в ковш и добавляют ферросплавы, чтобы довести состав до нужной марки стали. Это по технологической схеме — в идеальных условиях.

В реальных условиях вносить все присадки разом — рискованно. Они могут сплавиться, покрыться шлаковой коркой и всплыть массивом. Когда корка разрушится и пойдут газы, расплав начнёт бурлить. В такой момент возможно выплёскивание металла из ковша. А рядом — люди и оборудование.

Ещё, чтобы присадка сработала правильно, важно не только как, но и когда её вносить. Если ферросплавы пойдут слишком поздно, они просто не успеют как следует перемешаться. Потом на внепечной установке начинается суета: греем, мешаем, охлаждаем. Лишние киловатты, перерасход материалов и времени.

Проблемы ручного контроля наполнения ковша

Представьте экстремальные условия цеха. С одной стороны едет огромная завалочная машина с двумя лотками металлолома общим весом 60 тонн. С другой — гудит тепловоз, который везёт чугун. За конвертером на скорости, чтобы всё успеть, гоняют погрузчики с ферросплавами. А если посмотреть наверх, вы увидите ковш на 300 тонн, покачивающийся на кране.

Сирена оповещает о заливке чугуна в конвертер. Если в лом попала незамеченная ёмкость с водой, например баллон, может произойти выплеск чугуна на площадку. Фурмы продувают металл под большим давлением, поднимается столб пыли и продуктов горения, летят брызги металла.

Сейчас провели реконструкцию и поменяли все конвертеры и газоотводящие тракты, чтобы в цехе больше не было дыма и копоти.

Про газ можно писать отдельную главу. Чем выше поднимаешься в конвертерном цехе, тем внимательнее надо быть. На всех уровнях стоят отметки высоты. Конверторная площадка, например, расположена на высоте 11,5 метра от уровня пола. Подниматься выше можно только с включённым газоанализатором. Несмотря на реконструкцию, конвертерный газ по-прежнему может попасть туда, где находятся люди, особенно на высоте, где он скапливается.

На 36 метрах высоты — мельницы, которые перемалывают известь. На 56 — бригадиры шихтоподачи распределяют известь по бункерам и конвертерам. Если пойдёшь без резиновых перчаток, очков, респиратора и плотной одежды — кожа тебе спасибо не скажет. Негашёная известь на влажной коже вызывает химический ожог. Быстро и больно. Потому что она там повсюду.

В этих условиях сталевар выглядывал в смотровое окно и на глаз определял: вот сейчас ковш на треть, вот — наполовину, ага, уже почти полный. Оценки получались разными, субъективными. По схеме вроде пора вносить присадку, но сталевар решал: «Рано ещё, я только начал сливать!» Потому что поток расплава может идти с разной скоростью, а нам важно, сколько металла уже реально в ковше. Сам расплав в ковше в это время кипит и бурлит, расплав в ковше может колебаться до 50 см вверх-вниз.

Были нужны визуальные данные непосредственно с поверхности стальковша.

Кроме того, мы хотели понимать, правильно ли происходит раскисление. Теоретически это можно было бы вычислить по датчикам, но их на конвертерах не было. Как и системы видеонаблюдения.

Первые попытки сделать систему контроля

Сначала мы собрали по разным компаниям варианты: кто что может предложить для такой задачи. Некоторые честно сказали — условия у вас адские, мы даже не возьмёмся. Другие предлагали свои решения, но дальше обсуждений дело не шло.

Но мы упорные.

Сначала мы попробовали поставить лидар. Тут выплыло сразу две проблемы: он стреляет лучом строго в одну точку, поэтому его надо ставить прямо над ковшом, что совершенно нереально, там не живёт вообще ничего.

Мы всё же решили проверить, вдруг получится хотя бы временно использовать. Смонтировали лидар на штанге, подключили его к ноутбуку и вывесили над конвертером. Данные ушли в бесконечность. Из-за плотности пыли и дыма лидар просто не смог разглядеть поверхность металла внизу, сигнал потерялся.  Сам лидар при этом никак защищён не был — мы попробовали подключить к нему обдув воздухом, но это, естественно, не помогло против такой среды.

Заодно стало понятно, что лидар — в принципе не очень хорошая идея. Конечно, он может точно измерить расстояние до зеркала металла. Неподвижного. Но пока идёт выпуск и внесение присадки ферросплавов, металл довольно ощутимо бурлит и колышется, так что никаких чётких данных получить не получится.

Мы поговорили с ребятами из компании, которые уже измеряли у нас наполнение чугунозаливочных ковшей в доменном цехе на выпуске. Они предложили спроектировать выдвижной микроволновый радар на штанге, который мог бы автоматически поворачиваться, заезжать в отверстие, измерять всё, что нужно, и выезжать обратно. Но быстро стало понятно, что в наших условиях это не взлетит. Как только начинается выпуск, сверху из конвертера в ковш летит шлак, и всё оборудование, которое хоть как-то высовывается, обречено. Не говоря уже про общие экстремальные условия.

Нужно было искать что-то по-настоящему стойкое и защищённое — и желательно без всяких движущихся частей, которые могут попасть под раздачу.

Тогда мы решили попробовать тепловизор

Главный его плюс — его не нужно устанавливать прямо в пекло. Мы нашли для камеры защищённое место рядом с тем самым окном, откуда сталевар смотрит за процессом. Повесили её немного под углом, чтобы камера могла заглядывать внутрь ковша и видеть уровень расплава. Так у неё был шанс выжить.

Конечно, условия всё равно суровые: пыль, брызги металла, иногда и вода льётся. На заказ нам сделали максимально компактный защитный кожух с воздушным охлаждением. Там, куда подаётся воздух, он закручивается и создаётся вихревой поток, отдувающий пыль и шлак.

Чуть ниже поставили ещё одну камеру. Она смотрит на верх ковша, чтобы видеть уровень «свободного борта», то есть сколько места осталось до края, и наличие шлака в струе металла. Мы не можем налить металл до кромки, потому что после конвертера ковш едет на другие агрегаты для дальнейшей обработки. Там в него могут опускать разное оборудование. Например, для патрубков агрегата циркуляционного вакуумирования (АЦВ) нужно оставить свободными минимум 300 мм до края ковша. Для установки доводки металла (УДМ) — 200 мм, а для агрегата печь-ковш (ПК) — около 250 мм, иначе можно запросто сжечь дорогостоящие зонды. 

Кроме того, как я говорил выше, если налить слишком много металла или неправильно рассчитать момент добавки ферросплавов, они могут не успеть нормально перемешаться и усвоиться. Ну и понятно, что сам по себе переполненный ковш банально неудобно перемещать: металл выплёскивается.

Модель и её обучение

У нас в НЛМК есть единая экосистема и DS-платформа, на которой мы обучаем все модели. А ещё своя команда разработки и центр поддержки. Если какое-то решение, связанное с машинным зрением, делают внешние подрядчики, мы забираем его у них целиком, с открытым исходным кодом, всеми настройками и подробным описанием, как этим управлять. Если нужно, сами дорабатываем код. Поэтому у нас тут без вариантов: для моделей — Python, для остального — React и Java.

В несколько подходов мы нарезали около тысячи кадров из видео с тепловизора. Сначала мы их показывали нашим главным экспертам: опытным технологам, сталеварам, начальникам участков. Задача была простой: посмотрите на картинку и скажите, сколько тут металла — треть ковша, четверть, половина? Ну или точнее, если разбить уровень на 10 частей — сколько это будет: 0,3; 0,4; 0,5?

Правда, у каждого специалиста свой глазомер и своё представление об идеальном для присадки моменте. Иногда они оценивали уровень металла по-своему. Спорные снимки мы отдавали «главному арбитру» — начальнику отделения, и его мнение было для модели эталонным. Так мы собрали датасет, на котором можно было обучать нейронку. Не идеальный способ, конечно, но рабочий.

Шкаф, два экрана, большие буквы

Защищённый шкаф с мониторами мы поставили на стойке напротив рабочего места, метрах в трёх-четырёх от пульта сталевара. Ближе не получилось — там уже всё занято другими системами. И, раз уж сталевар смотрит на всё это с такого расстояния, сделали аскетичный интерфейс с по-настоящему гигантскими символами — чтобы всё читалось без напряжения.

Всего экранов два. На первом — схема наполнения ковша с отметками уровней, когда нужно сыпать ферросплавы, плюс показывается уровень свободного борта — сколько места до края осталось. На втором — видео с тепловизора в режиме реального времени и вся оперативная информация: номер плавки, номер ковша, марка стали, какая схема раскисления идёт.

Получился рекомендательный сервис. Как только расплав в ковше достигает, по мнению модели, нужного уровня, сталевар на мониторе видит сообщение, что пора вносить присадку ферросплавов. Сталевар может согласиться с системой или решить, что рано ещё нажимать кнопку «внести». Мы получаем данные и о том, когда система посоветовала, и о том, когда сталевар реально это сделал — можно анализировать, насколько точно идём по процессу.

Сложности внедрения

Мы отдали систему в октябре 2024 года на обкатку нашим сталеварам на один из трёх конвертеров в КЦ-2 и стали смотреть, что из этого получится. Сложностей оказалось три.

1. Дым столбом. Когда вносят ферросплавы, поднимается густой дым и камера а какое-то время слепнет — примерно минуту мы не видим, что там в ковше творится. Но к моменту, когда пора добавлять следующую порцию добавок, дым успевает рассеяться. Так что это оказалось некритичным.

2. Человеческий фактор. Это интересный момент. Если в разгар выпуска встать между сталеваром и экраном, он вежливо (или не очень) попросит отойти — он реально смотрит на показатели и системой пользуется. Но вот доверяет ей не всегда и сам решает, когда жать на кнопку. Кто прав? Система, которую мы обучали по оценкам опытных технологов и руководителей? Или конкретный сталевар с многолетним опытом, который здесь и сейчас стоит у пульта? Пока что приходится искать баланс.

3. Приживаемость системы. Нельзя просто поставить систему и уйти. Мы постоянно на связи с ребятами: спрашиваем, что не нравится, почему сомневаются в показаниях, где система тупит или торопится. Объясняем, как она работает, разбираем спорные моменты. Потихоньку, через диалог и доработки, система приживается.

Результаты пилота

Сейчас система работает в тесте только на одном конвертере. Но уже в 2025 году планируем развернуть её на остальные. Несмотря на все «болезни роста» система доказала, что полезна.

Самое важное — у нас впервые появились оцифрованные данные. Раньше мы вообще не знали точно, в какой момент сталевар нажал кнопку и сколько металла было в ковше в ту секунду. Сейчас у нас есть связка: кадр с тепловизора, уровень от ML-модели и точный сигнал с контроллера, когда пошло внесение ферросплавов. То есть настоящая, объективная картина.

Дополнительно, чтобы понимать, в какой конкретно вносятся ферросплавы и насколько это идёт по технологической карте, мы поставили датчики на створки лотка с ферросплавами. В момент их открытия мы получаем данные и можем сразу их сопоставить с тем, что видит наша камера-тепловизор.

Это даёт возможность анализировать:

• Насколько точно соблюдаются технологические схемы раскисления?

• Принимают ли сталевары рекомендации системы или действуют по-своему?

• Как реальный момент присадки влияет на дальнейшую обработку и качество стали?

Цифры по снижению выбросов или экономии ферросплавов пока не озвучиваем — данные ещё собираются и анализируются. Но то, что у нас теперь есть инструмент для наблюдения и анализа в этом процессе, — шаг вперёд. Мы, наконец, начинаем видеть, что на самом деле происходит в ковше, а не догадываться постфактум.

Если помечтать про будущее, то хотелось бы полностью автоматизировать присадку ферросплавов и исключить из этого процесса человека.

Затем — добавить детектирование шлака и автоматическую остановку слива. Чтобы система сама прекращала слив, как только пойдёт шлак. Технически это отдельная система, но она логично вписывается в общую картину. Советчик, который помогает принимать решения по количеству ферросплавов, уже реализован — скоро выйдет подробная статья об этом решении.

Ещё автоматизировать позиционирование ковша под конвертером. Совместить наклон конвертера и движение ковша — это было бы идеально. А людей оставить для контроля системы.