В своей основе металлургическое производство устроено просто: измельчить руду, отделить примеси и получить металл. На практике каждый из этих этапов включает десятки взаимосвязанных процессов и работу огромных агрегатов. Если правильно выставить параметры, производство будет быстрым, а металл — качественным.

Экспериментировать с параметрами на действующих машинах — значит рисковать техникой и замедлять работу линии. Более того, на перебор всех возможных режимов уйдет немало времени. Компьютерная симуляция дает возможность тестировать самые экстремальные решения.

Алексей Кузин Руководитель направления аддитивных технологий департамента технологических инноваций «Норникель Спутник»

Первый ключевой компонент компьютерной симуляции — точная геометрическая модель машины. Виртуальную копию агрегата инженеры создают по чертежам и результатам 3D-сканирования. Сканер дает детальные очертания внутренних компонентов. Например, ребер на внутренней поверхности барабанов мельниц, где руда измельчается до состояния пыли.

Второй ключевой компонент симуляции — набор математических методов, которые описывают процессы внутри машины. Вычислительная гидрогазодинамика CFD (Computational Fluid Dynamics) позволяет смоделировать потоки жидкостей и газов. Метод дискретных элементов DEM (Discrete Element Method) — поведение сыпучих сред. Вместе они описывают почти любую ситуацию, где движутся жидкости, газы или сыпучие материалы, идет теплообмен или протекают химические реакции, — то есть большинство процессов металлургии.

Возьмем, к примеру, измельчение руды в шаровых мельницах. Внешне шаровая мельница напоминает барабан гигантской стиральной машины диаметром 4-10 метров и длиной 5-8 метров. Примерно до половины он заполнен стальными шарами диаметром 8-12 сантиметров. Для сравнения: у теннисного мяча диаметр 6,7 сантиметра. На производстве мельницы работают каскадом. В каждой перемалываются десятки тонн руды в разных режимах. Отличаются скорость вращения, размер шаров, материал внутреннего покрытия. В первую мельницу загружают крупные фрагменты размером около 10 сантиметров, из последней выходит порошок крупностью 45 микрон (ширина детского волоса), перемешанный с водой. Смесь руды с водой называют пульпой.

Компьютерная модель процесса измельчения должна учитывать геометрию барабанов и движение трех сред: металлических шаров, воды и частиц руды, размер и число которых меняются со временем. У каждого объекта свое уникальное поведение, масса и твердость. Качество предсказаний симуляции зависит детальности 3D-модели агрегата и того, насколько точно заданы параметры шаров, руды и воды. Поэтому перед промышленным применением симуляция проходит три обязательных этапа: подготовку входных данных, калибровку и верификацию.

Качество входных данных — фундамент работы модели. Параметры режимов, вроде частоты вращения, величины загрузки и других технических характеристик, берут из конструкторской документации и многолетней практики эксплуатации. Свойства материалов определяют экспериментально в лабораториях.

Сергей Богданец Главный менеджер направления компьютерного моделирования «Норникель Спутник»

На этапе калибровки результаты расчетов сравнивают с реальными параметрами работы в разных режимах эксплуатации. Энергопотребление считывают по датчикам, а измельченную руду проверяют в лаборатории. По результатам измерений видно, насколько верно компьютерная модель описывает измельчение.

Затем модель проверяют на режимах и данных, не использованных при калибровке. Если расчеты подтверждаются в пределах заданной погрешности, модель считается верифицированной — и ее начинают использовать на производстве.

Работа компьютерных симуляций подразумевает решение миллионов уравнений, а это требует серьезных вычислительных мощностей.

Сергей Богданец Главный менеджер направления компьютерного моделирования «Норникель Спутник»

В будущем моделирование физических процессов сможет работать в связке с искусственным интеллектом. Практика показала, что программы-«предсказатели», основанные на машинном обучении, справляются точнее человека, когда нужно учитывать множество параметров. Сегодня такие цифровые советчики помогают подстраивать работу мельниц, флотомашин и других агрегатов. Создание ИИ, который сможет работать с компьютерными моделями металлургических процессов, начнется со сбора качественной обучающей базы данных.

Сергей Богданец Главный менеджер направления компьютерного моделирования «Норникель Спутник»