Как мы добываем железо из руды? Бурим горную породу и руду в карьере, закладываем взрывчатку и взрываем, чтобы экскаватор мог зачерпнуть породу. Огромные куски до 1,2 метра вывозим на БелАЗах на перегрузочные пункты, затем перегружаем в железнодорожные думпкары, потом дробим до состояния пыли, отсеиваем вскрышу и извлекаем железо.
Работа у нас масштабная: экскаваторы высотой с четырёхэтажный дом, 240-тонные БелАЗы и много взрывов. При этом мы имеем одно из самых низких в отрасли содержан��й (в процентном соотношении) железа в руде. Поэтому просто бурить, взрывать и возить недостаточно. Эффективность начинается с качества руды, которое мы отслеживаем буквально в каждом ковше экскаватора.
Меня зовут Вячеслав Загирный, я руководитель проектов в ЕВРАЗе. Мы стали первыми в России, кто создал IT-систему, позволяющую прослеживать качественные показатели руды от блочной геологической модели до дробильно-обогатительной фабрики. Проект называется «Геометаллургия». В этой статье расскажу, как всё устроено.
Как выглядит производство
Прежде всего, чтобы была понятна задача, предлагаю познакомиться с нашим производством. Качканарский горно-обогатительный комбинат (КГОК) — один из крупнейших производителей железорудного сырья в России. Добыча руды идёт открытым способом на пяти карьерах в основном Гусевогорского месторождения.
У карьеров разные характеристики. Содержание руды в них колеблется от 14 до 16% — это один из самых низких показателей по отрасли. Помимо железа, в руде также содержится пятиокись ванадия — от 0,12 до 0,14%. Ванадий выделяется из продукции комбината уже на этапах дальнейшей переработки.
Как я уже упоминал вкратце выше, очередную высотную отметку карьера забуривают буровыми станками, заряжают взрывчатку и взрывают, чтобы была возможность зачерпнуть руду экскаватором. На этом этапе отдельные куски руды имеют диаметр около 1,2 метра. А происходит всё это на «дне», нижней высотной отметке карьера, допустим, на глубине 160 метров.
Экскаваторы грузят руду и вскрышу (породу без железа) в самосвалы грузоподъёмностью от 130 до 240 тонн. С их помощью порода из забоев отправляется на перегрузочный пункт. Это площадка на более высоком уровне, куда может добраться железнодорожный транспорт (автомобили работают там, где не проложить железную дорогу). Подобных пунктов на каждом карьере несколько.
С перегрузочного пункта грузовые составы по 11–12 вагонов везут руду до дробильно-обогатительной фабрики. Там они выгружают её в корпус аппарата крупного дробления.
На обогатительной фабрике порода измельчается, из неё выделяются фрагменты, содержащие железо. Всё остальное уходит в корпус сортировки щебня: этот побочный продукт дробильно-обогатительной фабрики является щебнем разных фракций и используется во вспомогательных работах, например, для строительства карьерных дорог.
На входе корпуса крупного дробления стоит три дробилки: железнодорожные составы разгружаются в одну из них, после чего начинается процесс дробления. Постепенно, сначала в аппаратах крупного, а затем средне-мелкого дробления, из кусков диаметром до 1,2 метра мы получаем руду до 16 мм в диаметре.
Следом за дроблением идёт первая стадия обогащения руды — сухая магнитная сепарация. Всё, что магнитится, идёт дальше в процесс обогащения, а пустая порода уходит на щебень.
Промпродукт сухой магнитной сепарации идёт в дальнейшее измельчение: сначала в стержневые, а потом в шаровые мельницы. На выходе мельниц — фракция 0,08 мм: это пыль, которую не видно невооружённым глазом. Более крупные фрагменты отправляются на повторное измельчение. Смешиваясь с водой, пыль идёт на мокрую магнитную сепарацию и классификацию. Таких этапов может быть несколько, в зависимости от качества первоначальной руды.
Сырьё, прошедшее через сепараторы, сгущается в огромных сгустителях и проходит на стадию вакуум-фильтрации. На фабрике окускования из этого сухого концентрата производятся агломераты и окатыши, которые уезжают на металлургический комбинат и другие предприятия для дальнейшего производства продукции.
***
Процесс дробления и обогащения имеет множество настроек, которые устанавливаются в зависимости от качества сырья. Например, можно варьировать время дробления, отправлять часть сырья на какой-то из этапов повторно, добавлять стадии сепарации. В зависимости от качества сырья также необходимо следить за нагрузкой на секции. Например, в стандартном режиме можно дать 250 тонн на секцию, а на сниженном качестве получится загрузить только 230 тонн.
Часто менять эти настройки не получится. Фактически процесс настраивается несколько раз в сутки или смену, и далее комбинат работает с расчётом на определённое качество сырья. С точки зрения обогащения такой подход оказался оптимальным. Однако если содержание железа в руде будет колебаться, потери увеличатся, одновременно уменьшая рентабельность.
Для комбинатов, которые работают с рудой с более высоким содержанием железа, допустимы колебания, а вот у нас критична даже разница в 0,1%.
В чём же нам поможет здесь IT? Плавно подходим к этому.
Геометаллургия
Геометаллургия — это проект, охватывающий сразу несколько этапов добычи и обогащения руды на КГОК. По сути он включает пять разных проектов с разными командами и владельцами, но с одним центром управления. Схематично так:
Для сокращения потерь на этапе обогащения нам нужно понимать в режиме реального времени, что и где мы добываем, как это смешиваем и когда всё это поступает на переработку. Грубо говоря, настроив процесс дробления и обогащения на 15% железа в руде, нам надо было обеспечить смешивание в шихтовом пакете (объёме руды, которая загружается в дробилку за 2 часа) породы с разным содержанием железа так, чтобы усреднение давало как раз 15%.
Это нельзя было измерить напрямую, потому что производительность только одного экскаватора в сутки — около 5000 кубических метров руды. Из каждого ковша невозможно отправить пробу в лабораторию. Поэтому потребовалось проследить параметры руды от карьера до дробления, используя геологические блочные модели.
Дальше я подробно расскажу про все пять проектов, которые входят в один большой проект «Геометаллургия». Надо уточнить, что начали мы его в 2021 году. Внедряли всё поэтапно. Начали с самостоятельного проекта по повышению эффективности работы самосвального парка. Потом расширили на логистику и дополнили её геологическими данными из внедрённых ранее блочных моделей.
Геологические блочные модели
До всех перечисленных этапов разработки руды мы проводим геологоразведку на разных горизонтах карьера. Пробуриваем разведочные скважины, вынимаем из них породу и смотрим, какого качества руда в разных точках экскаваторного забоя. По этим точкам геологи рассчитывают зоны с определённым процентным содержанием руды и формируют контуры нарядов для экскаваторщиков.
Когда-то давно все эти расчёты производились вручную. Но ещё до начала проекта «Геометаллургия» были внедрены блочные геологические модели и система тактического планирования в периоде нескольких лет. На тот момент целью было более оперативное и точное планирование.
Сетка бурения — 5 метров, для каждой скважины проводятся опробования и каротаж. Геологическая модель разбивает карьер на блоки (кубики) со стороной по 2,5 метра, в каждом из которых понятно процентное содержание железа в руде. Например, в зоне с 15% (в среднем) могут быть блоки 2,5 м х 2,5 м х 2,5 м с 17% или с 14%. Для понимания масштаба: ширина заходки экскаватора, то есть радиус вращения его ковша, — около 30 метров, а высота — 15. То есть мы имеем достаточно много замеров для каждого участка работы. Такая детализация позволяет увидеть, что именно экскаватор в своём ковше достал из забоя и погрузил в самосвал.
Кстати, у каждого перегрузочного пункта есть своя аналогичная блочная модель, которая учитывает качество выгруженной в него и загруженной из него породы.
Соединение геологии и логистики
Следующим шагом мы собрали данные о местоположении экскаваторов и самосвалов. Постепенно, начиная с 2018 года, всю карьерную технику оборудовали системами позиционирования. Тогда это делалось, чтобы повысить эффективность работы автопарка.
Если раньше экскаватор копал там, где геологи ему в буквальном смысле поставили деревянные столбики, то теперь задание формируется в координатах. А соединение диспетчеризации и геологических данных дало возможность видеть, что и в какой момент грузит экскаватор. При этом данные с каждого экскаватора в режиме реального времени передаются в диспетчерскую.
Аналогичными системами позиционирования оснащены и самосвалы. Раньше они получали наряд в начале смены и ехали работать под один экскаватор. Теперь же распределение идёт в режиме реального времени, исходя из идеи оптимизации перемещений всего автопарка. Меньше приходится стоять в очередях.
Качество руды при погрузке в самосвал фиксируется также с помощью геолокации: если самосвал находится под определённым экскаватором, система понимает, что погрузка происходит именно в него (а данные по руде, извлекаемой экскаватором, в системе уже есть).
Опираясь на долю железа в руде, система определяет, в какой из перегрузочных пунктов самосвал должен выгрузиться. На одном карьере может быть несколько перегрузочных пунктов. Система формирует для водителя самосвала рекомендации, в какой из секторов и какого перегрузочного пункта ему надо поехать, чтобы уже там обеспечить усреднение качества руды. На основании координат места разгрузки самосвала система формирует блочную модель перегрузочного пункта.
Отслеживание не прекращается и при перегрузке в железнодорожные составы, которые тоже оснащены системами позиционирования (их оснащение — отдельный проект).
За счёт блочной модели перегрузочных пунктов мы можем отследить качество руды в каждом железнодорожном составе. И в итоге понимаем, какой продукт поступает на дробление.
Далее вступает в работу система MES-дробления, которая по характеристикам выгруженного сырья и установленным настройкам процесса прогнозирует качество мелкодроблёной руды. Соответствие прогнозных характеристик реальности мы можем проверить уже на этом этапе с помощью башни проб: апробирование происходит каждые два часа.
Связь
Чтобы запустить проект, нам потребовалась полная реорганизация диспетчерского управления. Раньше у самосвалов, экскаваторов и железнодорожной техники были свои диспетчеры, которые даже размещались в разных зданиях. Сейчас всё это находится под управлением единого диспетчерского пункта.
А ещё пришлось позаботиться о связи. На старте мы использовали промышленную mesh-сеть. К сожалению, с ней наблюдаются некоторые проблемы: карьеры имеют форму конуса, поэтому есть значительные зоны вне досягаемости вышек.
Поэтому мы переходим для Private LTE, замещая им старое оборудование. Уже развёрнуто пять вышек этого стандарта. Пока ещё две сети существуют параллельно — мы научились одновременно работать с разными модемами.
Результат
Чего ЕВРАЗу удалось добиться благодаря геометаллургии:
• снизили отклонение качественных показателей руды в двухчасовых партиях;
• снизили содержание железа в хвостах на 0,09%.
Экономическая эффективность проекта оценена более чем в 200 миллионов рублей.
Планы на будущее
Сейчас мы намерены двигаться к дальнейшей синергии проектов. Пока IT-архитектура производственных систем ЕВРАЗа всё ещё состоит из отдельных систем. Например, карьерная диспетчеризация и управление, скажем, производством и отгрузкой концентрата — изолированные продукты. В будущем мы планируем интегрировать их между собой.
Буду рад ответить на вопросы как о производстве, так и о деталях автоматизации. Прошу в комментарии!
