程文龍
（山西晉鋼集團）
摘要：在冶金工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的背景下，降本增效、綠色環(huán)保與智能化升級已成為行業(yè)轉(zhuǎn)型的核心方向。本文以晉鋼智造科技實業(yè)有限公司輔助設備智能運行改造為研究對象，系統(tǒng)闡述了除塵器智能運行系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)智能優(yōu)化及智能化改造的技術(shù)路徑與實踐效果。通過引入動態(tài)平衡算法、數(shù)據(jù)聯(lián)動技術(shù)與全生命周期管理理念，解決了傳統(tǒng)設備運行中能耗過高、效率低下、人員依賴強等問題，實現(xiàn)了輔助設備的精準化、無人化與高效化運行。研究表明，智能化改造后除塵效果提升 15% 以上，年節(jié)電超 130 萬度，崗位人員減員 60%，為冶金行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型提供了可復制的實踐經(jīng)驗。
1 引言
冶金工業(yè)作為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)過程的連續(xù)性、高效性與環(huán)保性直接影響行業(yè)競爭力。隨著 “雙碳” 目標與智能制造戰(zhàn)略的推進，傳統(tǒng)冶金企業(yè)面臨著能耗管控趨嚴、人力成本上升、環(huán)保標準提高等多重壓力。輔助設備作為冶金生產(chǎn)的 “血管系統(tǒng)”，涵蓋除塵、輸送、篩分等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其運行效率與能耗水平對整體生產(chǎn)效益具有決定性影響。
傳統(tǒng)輔助設備運行模式存在顯著痛點：除塵器風量固定導致能源浪費與環(huán)保風險并存，輸送系統(tǒng)定頻運轉(zhuǎn)造成空載率過高，設備狀態(tài)監(jiān)測依賴人工巡檢導致故障響應滯后。據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，冶金企業(yè)輔助設備能耗占總能耗30%-40%，空載運行時間占比達 25%-35%，設備非計劃停機中 60% 源于輔助系統(tǒng)故障。因此，推動輔助設備智能化改造成為冶金企業(yè)降本增效、實現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型的必然選擇。
企業(yè)針對輔助設備運行痛點，開展了以 “動態(tài)平衡、數(shù)據(jù)聯(lián)動、無人值守” 為核心的智能化改造實踐。本文系統(tǒng)梳理其技術(shù)方案與應用效果，旨在為冶金行業(yè)輔助設備智能化升級提供參考。
2 除塵器智能運行系統(tǒng)設計與應用
除塵系統(tǒng)是冶金生產(chǎn)環(huán)保達標與作業(yè)環(huán)境改善的核心保障，傳統(tǒng)除塵模式因風量調(diào)控僵化導致環(huán)保與能耗難以平衡，晉鋼通過 “檢測 - 運算 - 調(diào)節(jié) - 聯(lián)動” 四維技術(shù)體系實現(xiàn)智能化升級。
2.1 傳統(tǒng)除塵系統(tǒng)的運行瓶頸
風量匹配失衡
傳統(tǒng)除塵器采用 “一刀切” 的固定風量模式，各除塵點位無論實際粉塵濃度均以最大風量運行。例如，燒結(jié)車間配料環(huán)節(jié)與成品轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)粉塵產(chǎn)出差異達 3 倍以上，但風量分配相同，導致配料環(huán)節(jié)風量不足引發(fā)揚塵，成品環(huán)節(jié)風量過剩浪費電能。數(shù)據(jù)顯示，固定風量模式下風機無效能耗占比達 40%，同時存在 15% 的環(huán)保超標風險。
調(diào)節(jié)響應滯后
依賴崗位人員每 2 小時巡檢一次的人工調(diào)節(jié)模式，無法應對瞬時粉塵波動。例如高爐出鐵時粉塵濃度在 5 分鐘內(nèi)可從 50mg/m³ 驟升至 500mg/m³，人工調(diào)節(jié)需 30 分鐘以上，期間易引發(fā)局部粉塵超標。而不調(diào)整的話出現(xiàn)除塵系統(tǒng)空轉(zhuǎn)等現(xiàn)象、
數(shù)據(jù)孤島嚴重
粉塵濃度、風機參數(shù)、生產(chǎn)負荷等數(shù)據(jù)分散存儲，未建立關(guān)聯(lián)分析機制。例如，燒結(jié)礦產(chǎn)量提升 20% 時，破碎環(huán)節(jié)粉塵量同步增加 15%，但除塵系統(tǒng)無法自動預判調(diào)整，仍維持原有風量。
設備損耗加速
風機長期滿負荷運行（50Hz）導致軸承溫度升高 10-15℃，電機絕緣老化速度加快 30%，平均檢修周期僅 3 個月，年維護成本超 50 萬元。
2.2 除塵智能化技術(shù)方案
粉塵實時檢測系統(tǒng)構(gòu)建
在各除塵點位安裝激光散射式粉塵傳感器（檢測精度 0.1mg/m³，響應時間＜1 秒），覆蓋燒結(jié)、煉鐵、煉鋼等 12 個關(guān)鍵區(qū)域，形成每 1 分鐘一次的實時數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡。傳感器采用防高溫、抗振動設計，適應冶金車間 - 20℃至 80℃的極端環(huán)境，數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至中央控制系統(tǒng)，實現(xiàn)粉塵濃度可視化監(jiān)控。
動態(tài)風量分配算法設計
構(gòu)建以 “粉塵濃度 - 風量” 動態(tài)匹配為核心的算法模型，公式如下：
單一下料口理論風量 =（單點位粉塵量 / 總粉塵量）%× 除塵器總風量
算法設置雙重邏輯：優(yōu)先保障環(huán)保達標，當任意點位粉塵濃度＞10mg/m³ 時，自動關(guān)閉其他達標點位 30% 風量，集中供給超標區(qū)域；當所有點位達標（＜10mg/m³）時，對比實時粉塵總量與月峰值，每降低 10% 峰值下調(diào)風機頻率 5Hz，最低至 5Hz，實現(xiàn) “按需供風”。
生產(chǎn)參數(shù)聯(lián)動機制
通過大數(shù)據(jù)分析建立粉塵量與生產(chǎn)參數(shù)的映射關(guān)系，減少傳感器投入。
例如：
· 燒結(jié)系統(tǒng)：上料量每增加 10t/h，破碎環(huán)節(jié)粉塵量上升 8%，系統(tǒng)直接通過上料量數(shù)據(jù)調(diào)整風量；
· 煉鐵系統(tǒng)：鐵口溫度＞1500℃時，出鐵粉塵量激增，自動提升除塵風機頻率至 45Hz。
該機制使粉塵傳感器安裝量減少 40%，改造成本降低 35%。
1. 執(zhí)行系統(tǒng)升級
采用變頻風機（調(diào)節(jié)范圍 5-50Hz）與電動調(diào)節(jié)閥門（開度精度 ±1%）組合，響應延遲控制在 3 秒內(nèi)。例如，當燒結(jié)配料倉粉塵濃度從 20mg/m³ 升至 200mg/m³ 時，閥門開度從 10% 自動增至 80%，風機頻率從 30Hz 提至 45Hz，1 分鐘內(nèi)將濃度控制在 8mg/m³ 以下。
2.3 應用效果分析
環(huán)保效能提升
改造后除塵效果提升 15%，粉塵濃度穩(wěn)定在 5-8mg/m³，優(yōu)于國家超低排放標準（＜10mg/m³），全年無環(huán)保超標事件。風機平均運行頻率從 45Hz 降至 30Hz，噪音從 90dB 降至 72dB，作業(yè)環(huán)境舒適度顯著改善。
能耗與成本優(yōu)化
單系統(tǒng)年節(jié)電 32 萬度，折合標準煤 40 噸，12 套系統(tǒng)年總節(jié)電 384 萬度。設備檢修周期延長至 6 個月，維護成本下降 35%，年節(jié)約費用 17.5 萬元。
人力資源重構(gòu)
崗位人員從 “12 人 / 班定點值守” 優(yōu)化為 “5 人 / 班巡回巡檢”，減員率 60%。通過數(shù)據(jù)平臺遠程監(jiān)控，故障響應時間從 30 分鐘縮短至 8 分鐘，設備有效作業(yè)率提升 8%。
3 輸送系統(tǒng)智能運行優(yōu)化
輸送系統(tǒng)是冶金物料流轉(zhuǎn)的核心，傳統(tǒng)運行模式因空載率高、能耗大等問題制約生產(chǎn)效率，晉鋼通過 “變頻調(diào)控、動態(tài)匹配、智能監(jiān)測” 實現(xiàn)系統(tǒng)性優(yōu)化。
3.1 傳統(tǒng)輸送系統(tǒng)的突出問題
空載率居高不下
主線設備開機前，輔助輸送設備需提前 30 分鐘運轉(zhuǎn)等待；主線故障時，因信息傳遞滯后，輔助設備平均空轉(zhuǎn) 45 分鐘 / 次。2021 年統(tǒng)計顯示，230 燒結(jié)系統(tǒng)輔助設備空載時間占比達 32%，年空轉(zhuǎn)耗電超 12 萬度。
定頻運行能耗浪費
設備采用 50Hz 定頻運轉(zhuǎn)，運載量波動時無法調(diào)節(jié)。以 c2 皮帶為例：長度 500m，滿負荷運載量 35t（每米 70kg），但實際運載量低于 18t 時仍保持 1.6m/s 滿速，電能浪費率達 40%。
數(shù)據(jù)管理分散
運載量、帶速、設備溫度等參數(shù)依賴人工記錄，數(shù)據(jù)誤差率 15%，故障發(fā)現(xiàn)平均滯后 1.2 小時。2021 年因數(shù)據(jù)滯后導致的非計劃停機達 12 次，影響產(chǎn)量 3800 噸。
設備壽命縮短
長期滿負荷運行導致皮帶磨損速率加快 25%，電機平均溫升超 40℃，設備壽命較設計值縮短 20%，年更換皮帶成本增加 12 萬元。
3.2 智能化優(yōu)化技術(shù)路徑
集中變頻調(diào)控體系
搭建中央控制系統(tǒng)，通過 PROFINET 工業(yè)總線連接 18 條皮帶機、6 套篩分系統(tǒng)的變頻模塊，實現(xiàn) “主線 - 輔助設備” 聯(lián)動啟停。當主線開機信號觸發(fā)后，輔助設備根據(jù)物料傳輸時間差（如皮帶傳輸延遲 2 分鐘）精準啟動；主線停機時，輔助設備在物料輸送完畢后自動關(guān)停，避免無效空轉(zhuǎn)。
運載量 - 頻率動態(tài)匹配模型
安裝皮帶秤（精度 ±0.5%）實時監(jiān)測運載量，通過公式計算最優(yōu)頻率：
單一設備實際運載頻率 =（理論運載力 / 滿負荷能力）%× 實際運載量 × 基準頻率
以 c2 皮帶為例：滿負荷 35t 對應 50Hz，當運載量 28t（80% 滿負荷）時保持 50Hz；18t（51%）時降至 30Hz；＜5t 時降至 5Hz，3 分鐘后停機。該模型使運載量與能耗精準匹配，空載率下降至 3% 以下。
全狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡
部署測速輪（精度 ±0.1m/s）、紅外溫度傳感器（監(jiān)測范圍 - 50℃至 300℃）、防撕裂開關(guān)等設備，每 1 分鐘采集 1 次數(shù)據(jù)，構(gòu)建 “參數(shù)異常 - 預警 - 停機” 三級響應機制：
· 一級預警：帶速波動 ±5%、電機溫度＞60℃，系統(tǒng)自動提示巡檢；
· 二級預警：帶速波動 ±10%、溫度＞70℃，遠程調(diào)節(jié)頻率并報警；
· 緊急停機：帶速驟降＞20%、撕裂信號觸發(fā)，1 秒內(nèi)切斷電源。
1. 設備全生命周期適配
根據(jù)設備使用年限動態(tài)調(diào)整基準參數(shù)：新設備以 80% 滿負荷為基準；使用 2 年后上調(diào) 5%（即 85% 滿負荷），補償性能衰減；檢修前 1 個月再上調(diào) 3%，確保輸送效率穩(wěn)定。
3.3 應用成效
能耗大幅降低
2022 年燒結(jié)系統(tǒng)因故障停機 14190 分鐘，通過智能調(diào)節(jié)節(jié)電 71186.5kw/h；全系統(tǒng)年總節(jié)電 132 萬度，折合成本 79.2 萬元。皮帶機平均運行頻率從 50Hz 降至 32Hz，電機溫升控制在 30℃以內(nèi)。
設備效能提升
空載率從 32% 降至 2.8%，非計劃停機次數(shù)從 12 次 / 年降至 3 次 / 年，設備有效作業(yè)率提升 10%。皮帶磨損速率下降 20%，使用壽命延長至設計值的 1.3 倍，年節(jié)約更換成本 9.6 萬元。
適用范圍擴展
該方案成功應用于料場堆取料機、船運吊機、貨運翻車機等設備，料場卸貨能耗下降 12%，翻車機作業(yè)效率提升 15%，驗證了技術(shù)的通用性。
管理模式革新
數(shù)據(jù)集中監(jiān)控平臺實現(xiàn)參數(shù)實時可視化，故障處理時間縮短至 25 分鐘，崗位人員從 “8 人 / 班” 減至 “1 人 / 班”，減員率 87.5%，剩余人員轉(zhuǎn)型為 “數(shù)據(jù)分析師 + 巡檢工”，綜合業(yè)務能力顯著提升。
4 智能化改造的創(chuàng)新價值與行業(yè)啟示
輔助設備智能化改造突破傳統(tǒng)運行模式，形成可復制的技術(shù)與管理經(jīng)驗，其創(chuàng)新價值與行業(yè)意義值得深入探討。
4.1 核心技術(shù)創(chuàng)新點
動態(tài)平衡技術(shù)體系
打破 “固定參數(shù)” 運行慣性，構(gòu)建 “檢測 - 運算 - 調(diào)節(jié)” 閉環(huán)：除塵系統(tǒng)實現(xiàn) “粉塵量 - 風量” 動態(tài)平衡，輸送系統(tǒng)達成 “運載量 - 能耗” 精準匹配，使設備運行始終處于最優(yōu)狀態(tài)。該體系較傳統(tǒng)模式平均節(jié)能 25%，效率提升 18%。
數(shù)據(jù)替代與聯(lián)動技術(shù)
通過生產(chǎn)參數(shù)與運行參數(shù)的映射分析（如 “上料量 - 粉塵量”“產(chǎn)量 - 運載量”），減少 40% 傳感器投入，降低改造成本的同時，擴展數(shù)據(jù)應用場景。例如，利用燒結(jié)產(chǎn)量數(shù)據(jù)預判破碎粉塵量，提前 5 分鐘調(diào)整風量，響應速度提升 60%。
全生命周期精準運維
將設備性能衰減納入調(diào)控模型，通過參數(shù)動態(tài)適配（如檢修后期頻率上調(diào) 5%）延長壽命 20%，體現(xiàn) “預測性維護” 理念。該思維突破傳統(tǒng) “故障維修” 模式，使非計劃停機率下降 70%。
4.2 對冶金行業(yè)的實踐啟示
智能化轉(zhuǎn)型路徑：從 “局部優(yōu)化” 到 “系統(tǒng)升級”以除塵、輸送等輔助設備為切入點，通過小范圍試點驗證技術(shù)可行性，再逐步推廣至全流程，避免 “大而全” 的盲目投入。數(shù)據(jù)顯示，該路徑使改造投資回收期縮短至 1.5 年，較整體改造模式減少成本 30%。多目標協(xié)同優(yōu)化：環(huán)保優(yōu)先，效益并重在目標排序上，除塵系統(tǒng)優(yōu)先保障環(huán)保達標，輸送系統(tǒng)以能耗控制為核心，通過技術(shù)手段實現(xiàn)多重目標平衡。例如，除塵系統(tǒng)在環(huán)保達標的前提下節(jié)能 40%，印證了 “綠色發(fā)展與降本增效可協(xié)同推進”。
人員轉(zhuǎn)型：從 “操作者” 到 “決策者”
智能化并非簡單 “減員”，而是通過崗位重構(gòu)提升人員價值：80% 的操作崗轉(zhuǎn)化為 “技術(shù)崗 + 管理崗”，要求員工掌握數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)運維等技能。通過 “理論培訓 + 實操演練”，使轉(zhuǎn)型人員合格率達 95%，為行業(yè)人才升級提供范本。
5 結(jié)論與展望
企業(yè)輔助設備智能化改造通過技術(shù)創(chuàng)新與管理革新，實現(xiàn)了顯著的經(jīng)濟、環(huán)保與社會效益：除塵效果提升 15%，年節(jié)電超 500 萬度，崗位減員率 90%，年綜合效益超 300 萬元，驗證了智能化技術(shù)在冶金輔助設備中的應用價值。
未來，可從三方面深化改造：一是引入機器學習算法，通過歷史數(shù)據(jù)訓練預測模型，實現(xiàn) “風量 - 運載量” 提前 10 分鐘預判；二是構(gòu)建數(shù)字孿生系統(tǒng)，虛擬仿真設備全生命周期狀態(tài)，優(yōu)化維護策略；三是拓展應用至料場、碼頭等場景，打造全鏈條智能物流體系。
冶金行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型是大勢所趨，輔助設備作為 “薄弱環(huán)節(jié)” 與 “潛力點”，其改造成效直接影響企業(yè)競爭力。晉鋼的實踐表明，通過技術(shù)創(chuàng)新與模式革新，輔助設備完全可成為 “降本增效、綠色發(fā)展” 的核心抓手，為行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供堅實支撐。
專利內(nèi)容，仿造者慎重
參考文獻
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