Лазеры и цифра. Как работает современная металлургия

Металлы для экономики будущего

Ключевые металлы для современного высокотехнологичного производства – это никель, палладий, медь и кобальт. Никель необходим для создания батарей, которые используются в электромобилях, а также для производства нержавеющей стали, в которой нуждаются многие современные устройства – например, смартфоны. Палладий используется в основном в автомобильной промышленности, он подходит для производства нейтрализаторов выхлопных газов. По словам экспертов, в ближайшие 10 лет машины с двигателем внутреннего сгорания все еще будут пользоваться популярностью, поэтому спрос на палладий останется на высоком уровне. Медь — это важный элемент для электроники – смартфоны, планшеты, проводка, кабели, процессоры, а также электродвигатели.

Российская компания «Норникель» добывает 17% от всего мирового производства высокосортного никеля, 38% палладия и 2% меди. Главные потребители этих ценных металлов — страны с развитой электронной и автомобильной промышленностью, т.е. Китай, США, Канада, Япония, Южная Корея и Евросоюз.

Ещё один перспективный металл – литий, «нефть XXI века». Спрос на литий в ближайшие годы будет быстро расти: он необходим для производства аккумуляторов для электромобилей. В 2022 году мировой спрос на литий составляет 640 тыс. тонн, в 2030-м он превысит 2 млн тонн. «Норникель» вместе с «Росатомом» планируют добывать литий в Мурманской области, на Колмозерском месторождении. Оно может дать около 50 тыс. тонн лития в год, а это составит 7% от текущего мирового производства.

Все эти металлы должны пройти долгий путь, прежде чем смогут добраться до потребителя и стать одним из составляющих смартфона или электрокара. Разведка и разработка месторождения, добыча и обогащение руды, выплавка металла – все эти этапы требуют сложных технологий. Что помогает «Норникелю» повышать эффективность производства, делать его безопасным для сотрудников и окружающей среды? Искусственный интеллект, цифровые двойники, различные датчики, машинное зрение и не только.

Лазерные сканеры и цифровые двойники

Долгий путь металла к потребителю начинается с маркшейдерских работ. Это исследование на основе расчетов и измерений, которое помогает описать структуру месторождения, показывает форму и размеры тел полезных ископаемых, их свойства, а также показывает пространственное расположение выработок.

Для маркшейдерских работ «Норникель» использует лидары – современную технологию лазерного сканирования. Лидары испускают пучки лазера и формируют трехмерную картину окружающего пространства. Так, технология, которая активно применяется в робототехнике, в беспилотных автомобилях, даже в роботах-пылесосах, нашла применение в горных работах.

Благодаря лидарам «Норникель» видит все, что происходит под землёй, с высокой степенью достоверности. Сканеры проводят 300 тысяч измерений в секунду и предоставляют детальную картину руководству компании, техническим отделам и службе планирования.

Также маркшейдерской службе нужны коптеры. В различных подразделениях «Норникеля» используются 10 беспилотников, которые летают над отвалами рудников и снимают рельеф. Раньше три бригады маркшейдеров тратили на съемку на руднике «Октябрьский» два дня, сейчас с помощью коптеров этот процесс занимает 15 минут. Беспилотники можно использовать и в шахтах – в 2021 году на руднике «Комсомольский» коптер в тестовом режиме провёл съемку труднодоступной выработки. Кроме того, дроны применяют в Центре наблюдений за зданиями и сооружениями и в департаменте безопасности.

С помощью беспилотников и лазерных сканеров «Норникель» создаёт цифровые двойники производства. Например, в феврале 2022 года в Кольской ГМК все здания и местность промышленной площадки перевели в 3D-модель.

Предприятие использует технологии трёхмерного моделирования и при реализации новых проектов — комплекса по утилизации солевого стока никелевого рафинирования и при внедрении высокоэффективной технологии электроэкстракции никеля. 3D-модель позволяет компании точнее проектировать здания и избегать возможных ошибок при монтаже технологических систем, оборудования и коммуникаций.

Непосредственно горными работами помогает управлять автоматизированная система. Сетью Wi-Fi покрыто 95% пространства работ, к ней подключена вся техника. Таким образом, оператор на поверхности может полностью контролировать производство. Каждые 10 секунд оператор получает свежие данные, так что даже при поломке техники информация об этом появится почти моментально. Раньше на реагирование и поиск проблемы уходило около получаса, теперь бригада выезжает в течение пяти минут.

Круиз-контроль для пульпы

Следующий этап после добычи руды — обогащение. Руда измельчается, ее превращают в порошок, который смешивается с водой и реагентами, получается так называемая пульпа. Из пульпы методом флотации выходит готовая продукция. Флотация — сложный процесс с применением высоких температур, состоящий из плавки, электролиза, обдува воздухом и других операций. Метод флотации направлен на извлечение никеленосных и меденосных минералов и на попутное извлечение металлов платиновой группы.

Обогащение происходит во флотационной машине — цилиндрической камере объемом 100 кубометров. Именно сюда подается пульпа. В процесс флотации внедрена система искусственного интеллекта, которая помогает технологу управлять подачей сжатого воздуха, различных реагентов, уровнем пульпы. Такие цифровые технологии повышают эффективность обогащения руды.

До использования искусственного интеллекта за процессом обогащения и его параметрами следил инженер-технолог. Теперь у него есть система, похожая на автомобильный круиз-контроль: специалист нажимает кнопку, и ИИ начинает контролировать технологический процесс. В нестандартных ситуациях инженер-технолог может вмешаться и внести необходимые корректировки, не отключая ИИ. Благодаря машинному зрению ИИ «видит» всё, что происходит во время обогащения. Например, отслеживает размер руды или наблюдает за пенообразованием в ходе флотации.

Технологии против выбросов

Технологии четвёртой промышленной революции увеличивают эффективность производства – так, на Талнахской обогатительной фабрике ИИ в связке с машинным зрением поднял объем извлечения никеля на 0,15%. Кажется, что это небольшая цифра, однако с учетом масштабов производства компания получает существенное преимущество.

Помимо повышения эффективности производства, технологии решают задачи сохранения окружающей среды. 10-15 лет назад горно-металлургические комбинаты прочно ассоциировались с загрязнением и выбросами. Появление новых возможностей и закрытие морально устаревших производств оказывает благотворное влияние на экологию. К примеру, после того как Кольская ГМК закрыла плавильный и металлургический цеха в Мурманской области, выбросы снизились сразу на 85%. Производство перевели на новую технологию электроэкстракции никеля. Старая методика, которую применяли с 1930-х, характеризовалась повышенными выбросами в атмосферу, а электроэкстракция не предполагает плавки металла, при этом все процессы поддаются роботизации. Кроме того, на границе санитарных зон предприятия установлены датчики для мониторинга метеоусловий – например, скорости ветра. Датчики позволяют контролировать экологичность производства и при необходимости, в неблагоприятных метеоусловиях, полностью его останавливать.

Наконец, система геотехнического мониторинга помогает «Норникелю» оперативно реагировать на потенциально опасные процессы и вовремя их локализовывать. Датчики установлены на каждом объекте, чтобы отслеживать их техническое состояние. В случае ухудшения состояния объекта или, например, растепления грунта система сигнализирует об опасности. В результате вероятность обрушения объектов или всевозможных протечек значительно снижается.