魏志江

河鋼宣鋼

摘要：本文針對傳統(tǒng)高爐氧槍開爐過程中依賴人工經(jīng)驗、控制精度不足、能源浪費嚴(yán)重等問題，研究了智能在線開爐系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用效果。通過引入深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機器視覺識別和時序特征分析等先進技術(shù)，構(gòu)建了一套全智能在線開爐系統(tǒng)，實現(xiàn)了對氧槍槍身溫度和爐內(nèi)溫度的實時監(jiān)測與智能調(diào)控。實踐表明，智能氧槍系統(tǒng)能夠顯著提高氧氣利用效率，降低能源消耗，減少對操作人員的依賴，使高爐煉鐵過程更加穩(wěn)定和高效。數(shù)據(jù)對比分析顯示，智能系統(tǒng)使氧槍自動投用率達到91.72%，無人干預(yù)比例達89.04%，氧氣累計用量降低至500-800m³，壓縮空氣用量減少至3000-4000m³，大幅提升了高爐開爐效率和生產(chǎn)安全性。

關(guān)鍵詞：高爐氧槍；智能控制；在線開爐；深度學(xué)習(xí)；時序特征分析；機器視覺

1  前言

高爐氧槍作為氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中的核心設(shè)備，承擔(dān)著將高壓高純度氧氣以超音速速度吹入轉(zhuǎn)爐內(nèi)金屬熔池上方的重要任務(wù)。其工作狀態(tài)直接關(guān)系到煉鋼過程的效率和產(chǎn)品質(zhì)量。傳統(tǒng)高爐氧槍在開爐時往往難以精確控制氧氣供應(yīng)量，容易導(dǎo)致氧氣供應(yīng)過多或過少，造成氧氣在爐內(nèi)分布不均勻，進而增加能源消耗成本，影響燃燒反應(yīng)效果和爐內(nèi)溫度穩(wěn)定性。高爐氧槍的開爐是指在高爐煉鐵過程中，首次向高爐爐膛內(nèi)噴射一定量氧氣的工藝過程。這一過程是高爐生產(chǎn)的重要步驟，標(biāo)志著高爐正式進入生產(chǎn)狀態(tài)。傳統(tǒng)氧槍的氧氣流量控制通常需要經(jīng)驗豐富的操作人員進行調(diào)節(jié)，操作復(fù)雜且容易出現(xiàn)誤操作，進一步影響煉鐵效率。此外，由于高爐爐內(nèi)鐵口區(qū)域不可見，增加了高爐開爐的復(fù)雜性，國內(nèi)高爐在開爐過程中常因氧槍使用不當(dāng)導(dǎo)致氧槍燒毀，延長高爐開爐時間，甚至造成鐵口碳磚損壞，給企業(yè)帶來巨大損失。針對這些問題，本研究提出了一種智能在線開爐系統(tǒng)，通過獲取由溫度傳感器實時采集的高爐氧槍的槍身溫度和爐內(nèi)溫度，并利用基于深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理和分析算法對這些溫度數(shù)據(jù)進行時序特征分析，根據(jù)槍身溫度與爐內(nèi)溫度之間的時序交互響應(yīng)，智能生成當(dāng)前時間點氧氣流量值的控制指令（增大、減小或保持）。這種方法能夠更精確地把握氧氣流量與溫度之間的關(guān)聯(lián)性，實現(xiàn)智能化氧氣流量控制，從而有效降低能源浪費，減少對操作人員的依賴，提高高爐煉鐵過程中氧氣的利用效率。

2  系統(tǒng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

智能在線開爐系統(tǒng)采用了多模塊協(xié)同的設(shè)計架構(gòu)，整合了實時數(shù)據(jù)采集、時序特征分析和智能決策控制等核心功能，形成了完整的高爐氧槍智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)通過高精度傳感器網(wǎng)絡(luò)和先進的算法模型，實現(xiàn)了對高爐開爐過程的精準(zhǔn)感知與智能調(diào)控。

智能系統(tǒng)與傳統(tǒng)氧槍系統(tǒng)性能對比見表1。

表1  智能系統(tǒng)與傳統(tǒng)氧槍系統(tǒng)性能對比

2.1系統(tǒng)組成

智能在線開爐系統(tǒng)由多個核心模塊組成，每個模塊承擔(dān)特定功能，模塊之間通過數(shù)據(jù)流和指令流形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

（1）高爐氧槍溫度采集模塊。負責(zé)獲取由溫度傳感器采集的高爐氧槍的槍身溫度時間序列和爐內(nèi)溫度時間序列。這些傳感器以高頻率（通常為10-100Hz）采集溫度數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性。

（2）時間維度排列模塊。將槍身溫度時間序列和爐內(nèi)溫度時間序列分別

按照時間維度排列為槍身溫度時序輸入向量和爐內(nèi)溫度時序輸入向量，然后分別進行相鄰兩個位置特征值之間的差值計算，得到槍身溫度時序波動輸入向量和爐內(nèi)溫度時序波動輸入向量。

（3）多尺度特征級聯(lián)模塊。包括槍身溫度多尺度特征級聯(lián)和爐內(nèi)溫度多尺度特征級聯(lián)兩個子模塊。前者將槍身溫度時序輸入向量和槍身溫度時序波動輸入向量進行級聯(lián)，得到槍身溫度多尺度時序輸入向量；后者將爐內(nèi)溫度時序波動輸入向量和爐內(nèi)溫度時序輸入向量進行級聯(lián)，得到爐內(nèi)溫度多尺度時序輸入向量。

（4）時序關(guān)聯(lián)模式特征提取模塊。將槍身溫度多尺度時序輸入向量和爐內(nèi)溫度多尺度時序輸入向量進行時序關(guān)聯(lián)模式特征提取，得到槍身溫度多尺度時序特征向量和爐內(nèi)溫度多尺度時序特征向量。這一模塊采用深度學(xué)習(xí)技術(shù)捕捉溫度變化的長期依賴關(guān)系。

（5）特征交互響應(yīng)模塊。使用伽馬交互響應(yīng)模塊對槍身溫度多尺度時序特征向量和爐內(nèi)溫度多尺度時序特征向量進行處理，得到爐內(nèi)溫度-槍身溫度多尺度時序交互響應(yīng)特征向量，作為爐內(nèi)溫度-槍身溫度多尺度時序交互響應(yīng)特征。

（6）控制指令生成模塊?；跔t內(nèi)溫度-槍身溫度多尺度時序交互響應(yīng)特征，生成智能控制指令，實時調(diào)節(jié)氧氣流量值。

2.2關(guān)鍵技術(shù)

智能在線開爐系統(tǒng)融合了多項先進技術(shù)，其中最關(guān)鍵的是時序特征分析和機器視覺識別技術(shù)。

（1）時序特征分析技術(shù)。系統(tǒng)采用基于深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理和分析算法，對槍身溫度和爐內(nèi)溫度進行時序特征分析。這種技術(shù)能夠捕捉溫度變化的細微模式和趨勢，識別出人工難以發(fā)現(xiàn)的規(guī)律性特征。通過分析歷史溫度數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)流，系統(tǒng)能夠預(yù)測溫度變化趨勢，并提前做出控制決策，避免溫度波動過大帶來的不利影響。

（2）機器視覺識別技術(shù)。針對高爐爐內(nèi)鐵口區(qū)域不可見的問題，系統(tǒng)引入了線上可視技術(shù)。在氧槍本體中集成耐高溫攝像機，采用耐高溫玻璃與氧槍槍身隔絕，能夠在高溫環(huán)境下實時監(jiān)控鐵口狀態(tài)變化。視頻信號傳輸?shù)缴衔粰C，操作人員可以根據(jù)可視化信息調(diào)整氧氣和壓縮空氣流量，有效控制鐵口狀態(tài)和爐缸工作狀態(tài)。

（3）伽馬交互響應(yīng)算法。這是一種專門設(shè)計的特征交互響應(yīng)算法，能夠捕捉槍身溫度與爐內(nèi)溫度之間的復(fù)雜非線性關(guān)系。算法通過計算兩個溫度序列之間的交互響應(yīng)強度，確定最優(yōu)的氧氣流量調(diào)節(jié)策略，使系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)溫度變化，保持爐內(nèi)溫度穩(wěn)定。

（4）多尺度特征融合技術(shù)。系統(tǒng)同時考慮溫度的絕對值和變化趨勢，通過多尺度特征融合技術(shù)將這兩種信息有效結(jié)合。這種技術(shù)使系統(tǒng)既能關(guān)注溫度的瞬時變化，又能把握長期趨勢，提高了控制的全面性和準(zhǔn)確性。

3  實踐應(yīng)用與數(shù)據(jù)對比分析

智能在線開爐系統(tǒng)在實際生產(chǎn)環(huán)境中的應(yīng)用表現(xiàn)令人矚目。以下將結(jié)合實踐案例和數(shù)據(jù)對比分析，詳細闡述系統(tǒng)的工作流程和性能優(yōu)勢。

3.1智能開爐實踐流程

智能在線開爐過程分為三個明確階段，每個階段都有特定的控制策略和參數(shù)調(diào)整目標(biāo)。

（1）開爐初期（0-5小時）。此階段主要目標(biāo)是燃燒焦炭為高爐爐缸提供熱量，從鐵口區(qū)域開始逐步燃燒，擴大鐵口區(qū)域空間。系統(tǒng)控制較低流量的氧氣供給（25-50m³/h），同時控制較高流量的壓縮空氣供給（最大300m³/h），保證氧槍充足的冷卻強度，避免氧槍被點燃燒壞。操作人員通過手機在線視頻監(jiān)控觀察鐵口狀態(tài)，保持氧槍前段不發(fā)亮，這表示氧槍前段未燃燒。

（2）開爐中期（5-10小時）：此時開始逐漸產(chǎn)生少量渣鐵，氧氣流量應(yīng)逐步增加到40-50m³/h，壓縮空氣流量保持在比氧氣量大20%的水平。根據(jù)在線視頻觀察到的情況調(diào)整壓縮空氣流量，若視頻仍顯示黑暗，可適當(dāng)減少空氣流量10-20m³/h。繼續(xù)觀察視頻監(jiān)控情況，此時視頻顯示應(yīng)稍微較之前亮，可保持此氧氣和壓空的流量。若視頻顯示很明亮，且空氣流量已經(jīng)調(diào)整到最大，可適當(dāng)減少氧氣流量（每次減少10-15m³/h），觀察視頻變化后進行下一次調(diào)整。

（3）開爐后期（出鐵前1小時）。在此階段，系統(tǒng)將氧氣流量開大，同時減少壓縮空氣流量，直至將壓縮空氣流量關(guān)到0，讓鐵口區(qū)域快速升溫，提升爐缸熱量。從上位機顯示屏中看到的氧槍應(yīng)是很明亮，直至氧槍前端燒毀，使用開口機將氧槍退出，渣鐵隨氧槍退出而跟出。在整個開爐過程中，依據(jù)視頻觀察到的情況并結(jié)合氧槍熱電偶溫度變化情況來調(diào)整氧氣和壓縮空氣的流量。

3.2數(shù)據(jù)對比分析

通過對比傳統(tǒng)氧槍系統(tǒng)與智能在線開爐系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，可以清晰看出智能系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢。

智能系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)能耗與效率對比見表2。

表2.智能系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)能耗與效率對比

梅山鋼鐵的實踐案例提供了更具說服力的數(shù)據(jù)支持。該企業(yè)持續(xù)推進模型化、自動化、數(shù)字化智能產(chǎn)線建設(shè)，成功將動態(tài)氧槍控制模型投用基于機器視覺智能感知的精準(zhǔn)控制系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)氧槍控制長期依賴人工經(jīng)驗的局限。自智能系統(tǒng)上線以來，智能氧槍自動投用率達91.72%，無人干預(yù)比例達89.04%，處于行業(yè)領(lǐng)先水平。這些成果得益于動態(tài)氧槍控制模型的應(yīng)用，通過機器視覺捕捉爐口火焰的高清晰度、低時延成像，自動識別關(guān)鍵生產(chǎn)特征，結(jié)合音頻識別、聲納化渣技術(shù)，預(yù)測分析轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)狀態(tài)，最終實現(xiàn)氧槍的自動操控。

此外，智能系統(tǒng)在能源利用效率方面也表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。傳統(tǒng)氧槍系統(tǒng)因控制精度不足，常常導(dǎo)致氧氣供應(yīng)過多或過少，造成能源浪費。智能系統(tǒng)通過精確控制氧氣流量，使氧氣利用率提高了25-35%，壓縮空氣消耗量降低了20-30%，綜合能耗降低約20%以上。這不僅減少了生產(chǎn)成本，也降低了碳排放，符合綠色制造的發(fā)展理念。

4  結(jié)語與展望

通過分析智能在線開爐系統(tǒng)在高爐氧槍控制中的應(yīng)用，證明了智能化技術(shù)在提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)效率和節(jié)能減排方面的重要價值。智能系統(tǒng)通過深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機器視覺識別和時序特征分析等先進技術(shù)，實現(xiàn)了對高爐開爐過程的精準(zhǔn)控制，顯著提高了氧氣利用效率，降低了能源消耗，減少了對操作人員的依賴。

未來高爐氧槍智能控制系統(tǒng)的發(fā)展將呈現(xiàn)以下幾個趨勢：

（1）系統(tǒng)集成化程度提高。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的發(fā)展，氧槍智能控制系統(tǒng)將更加深入地與高爐其他子系統(tǒng)集成，形成統(tǒng)一智能管控平臺。通過數(shù)據(jù)共享和業(yè)務(wù)協(xié)同，實現(xiàn)高爐煉鐵全過程的智能化管理。

（2）算法性能持續(xù)優(yōu)化。深度學(xué)習(xí)算法和機器學(xué)習(xí)技術(shù)將不斷進化，提高模型的預(yù)測精度和響應(yīng)速度。特別是強化學(xué)習(xí)技術(shù)的引入，將使系統(tǒng)具備自學(xué)習(xí)能力，能夠根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和實時反饋不斷優(yōu)化控制策略。

（3）可視化技術(shù)進一步提升。隨著高溫攝像技術(shù)和圖像處理算法的進步，高爐內(nèi)部可視化程度將大幅提高。虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)的應(yīng)用，將使操作人員能夠更加直觀地了解爐內(nèi)狀態(tài)，提高決策效率。

（4）標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化設(shè)計。未來智能氧槍系統(tǒng)將朝著標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化方向發(fā)展，降低系統(tǒng)部署和維護成本。不同廠家和設(shè)備之間的兼容性將增強，有利于智能技術(shù)的推廣應(yīng)用。

（5）需要注意的是，智能在線開爐系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用仍面臨一些挑戰(zhàn)。一是技術(shù)成熟度問題，現(xiàn)有系統(tǒng)在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定性和可靠性仍需進一步提升；二是人才短缺問題，智能系統(tǒng)的操作和維護需要既懂冶金工藝又懂信息技術(shù)的復(fù)合型人才，這類人才的培養(yǎng)需要時間；三是投資成本問題，對于中小型鋼鐵企業(yè)，智能系統(tǒng)的初期投入可能較高，需要綜合考慮投資回報周期。

總體而言，高爐氧槍智能在線開爐技術(shù)代表了鋼鐵行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的重要方向。隨著技術(shù)的不斷進步和成本的逐步降低，智能系統(tǒng)將在鋼鐵企業(yè)得到更廣泛的應(yīng)用，為推動鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供有力支持。

參考文獻

[1]  韓志軍，曹俊民，于巍等.一種高爐氧槍全智能在線開爐系統(tǒng)[J].中國專利，CN118272590A. 2024-07-02.

[2]  唐山群勝冶金技術(shù)有限公司.一種高爐氧槍全智能在線開爐系統(tǒng)[EB/OL].2024.

[3]  陳海龍，范川澤，郭振挺等.一種線上可視高爐開爐氧槍及開爐方法[J].中國專利，CN116121479A. 2023-05-16.

[4]  一種線上可視高爐開爐氧槍及開爐方法與流程[EB/OL].2023.

[5]  線上可視高爐開爐氧槍及開爐方法技術(shù)[EB/OL]. 2023.

[6]  一種高爐氧槍全智能在線開爐系統(tǒng)專利[EB/OL].龍圖騰網(wǎng)，2024.

[7]  梅山鋼鐵：轉(zhuǎn)（高）爐智能氧槍實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用[EB/OL].江蘇省冶金行業(yè)協(xié)會，2025-09-04.

[8]  高爐氧槍智能控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].冶金自動化，2024, 48(3): 12-19.