Автоматизация измерения температуры чугунного расплава в доменной печи

Если кто-то думает, что автоматизация замеров в доменном процессе — это просто установка пирометра и забыл, то явно ни разу не стоял у летки в три часа ночи, когда графитовая трубка забивается шлаком, а термопара плавится как свечка. Мы в ООО 'Шэньян Тэнъи Электроникс' с 2011 года через это прошли, и сейчас наши инфракрасные системы стоят на пяти российских комбинатах — но путь к этому был усыпан сгоревшими датчиками и проклятиями сталеваров.

Почему ручные замеры до сих пор живучи

До сих пор вижу, как на некоторых печах используют оптические пирометры с визированием через окуляр — мастер смотрит в глазок, крутит винт, а потом записывает цифру в журнал. Проблема даже не в погрешности ±30°C, а в том, что человек физически не может фиксировать момент выхода расплава. Максимум — три замера за выпуск, при этом каждая секунда простоя летки это тысячи рублей убытков.

Наш первый проект автоматизации в 2013 году провалился именно из-за попытки слепо копировать немецкую систему. Поставили камеру с ИК-фильтром на расстоянии 15 метров от летки — через неделю объектив покрылся слоем пыли с цинком, который не брала даже ультразвуковая чистка. Пришлось признать: доменная печь не лаборатория, здесь каждый узел должен выдерживать падение окатыша с двух метров и температуру окружающей среды до 80°C.

Сейчас мы делаем совсем другое — монтируем датчики в корпуса из жаропрочной стали с принудительной продувкой азотом. Но даже это не панацея: на Череповецком комбинате пришлось трижды переделывать кронштейн, потому что вибрации от газового дутья расшатывали крепления за месяц.

Как работает непрерывный контроль в реальных условиях

Ключевой момент — не просто измерить температуру, а поймать динамику нагрева расплава от начала до конца выпуска. Наши системы сейчас выдают до 20 замеров в секунду, что позволяет строить кривые остывания чугуна. Это важно для прогнозирования сроков службы футеровки — резкий скачок на графике часто означает образование 'козырька' в горне.

Самое сложное — калибровка. Мы используем эталонный пирометр с поверкой в ВНИИМ, но на месте всегда возникает поправка на задымленность. Приходится параллельно ставить термопару типа B в графитовом стакане — конечно, она живет всего 10-12 выпусков, но дает точку привязки. Кстати, именно для калибровки мы разработали переносной модуль с системой водяного охлаждения — его можно поднести к летке на 30 секунд, чтобы сверить показания.

В прошлом месяце на НЛМК зафиксировали интересный случай: при номинальной температуре 1480°C система показала резкий провал до 1420°C. Оказалось — в желоб попал крупный кусок огнеупора, который создал ложный фон. Если бы не автоматическая запись всех параметров, технолог бы списал это на погрешность, а так удалось предотвратить застывание чугуна в желобе.

Оборудование которое реально работает

Наша последняя разработка — ИК-датчик ТИ-04М с двойным диапазоном (800-1400°C и °C). Особенность в том, что он автоматически переключается при переходе через 1400°C, это помогает отслеживать момент перегрева расплава. Корпус выдерживает кратковременный нагрев до 200°C, но главное — система самоочистки объектива импульсной струей азота.

Монтаж всегда индивидуален: на одной печи датчик ставим над желобом, на другой — сбоку от летки. Второй вариант сложнее в настройке, но дает более стабильные показания при изменении уровня шлака. Кстати, шлак — отдельная головная боль, его излучательная способность постоянно 'плывет', поэтому мы ввели поправочный коэффициент на основе анализа 500 выпусков.

Связующее звено — промышленный компьютер с системой диагностики. Он не только записывает данные, но и отслеживает состояние самого датчика: если падает интенсивность сигнала — значит пора чистить оптику. На КМК за счет этого увеличили межсервисный интервал с двух недель до месяца.

Типичные ошибки при внедрении

Самое грубое — пытаться экономить на системе охлаждения. Видел случаи, когда датчики ставили в простой металлический кожух без обдува — через два часа работы погрешность достигала 100 градусов. Сейчас мы всегда предусматриваем резервный контур охлаждения на случай отключения воды.

Другая ошибка — неправильный выбор места установки. Если поставить датчик против хода расплава, его постоянно будет заливать брызгами. На 'Северстали' пришлось переносить оборудование три раза, пока не нашли точку где вибрация меньше 0.5 мм/с.

И главное — нельзя полностью доверять автоматике. Мы всегда настаиваем на сохранении ручного контроля хотя бы раз в смену. Как показал инцидент на Электростали, когда сбой ПО выдавал заниженные температуры — только опыт мастера Смирнова предотвратил переохлаждение чугуна в миксере.

Что дает автоматизация кроме цифр

Помимо очевидного — точности замеров — система позволяет отслеживать износ футеровки. Когда температура на выходе из летки начинает расти при тех же параметрах дутья — это первый признак истончения огнеупора. На Магнитке по нашим графикам дважды предсказывали необходимость ремонта горна за 2-3 недели до критического износа.

Экономия времени — раньше мастер тратил на замеры до 40 минут за смену, сейчас это время уходит на контроль других параметров. Кстати, мы изначально не предполагали, но система оказалась полезной для обучения новых сталеваров — по записям температурных профилей хорошо видно, как влияет нагрев на структуру чугуна.

Сейчас ведем разработку системы прогнозирования на основе ИИ — пока рано говорить о результатах, но первые тесты на экспериментальной печи показывают точность ±7°C на горизонте 15 минут. Если все получится — это будет прорыв в управлении тепловым режимом доменной печи.

Перспективы и ограничения технологии

Основная проблема — измерение температуры в зоне распара, где невозможно установить датчик напрямую. Пытались использовать волоконно-оптические системы, но они не выдерживают температур выше 1300°C. Сейчас экспериментируем с акустическими методами — пока только лабораторные испытания.

Еще одно направление — интеграция с системами АСУ ТП. Наш модуль уже передает данные в формате OPC UA, но на некоторых комбинатах до сих пор используют устаревшие протоколы типа Modbus RTU — приходится ставить дополнительные преобразователи.

Самое интересное — возможность корреляции температурных данных с химическим составом. На Западно-Сибирском комбинате заметили, что при температуре ниже 1450°C в чугуне растет содержание серы — теперь технолог может оперативно вводить добавки без ожидания результатов из лаборатории.

В итоге скажу так: автоматизация измерения температуры — это не про замену людей, а про то, чтобы дать им инструмент для принятия решений. Ни одна система не заменит опыт мастера, который по цвету искры определяет перегрев, но теперь у него есть цифровое подтверждение интуиции. И да — следующий прорыв будет связан с многозонным измерением, но это уже тема для отдельного разговора.