陳勝，陳彥銘，劉立廣
摘 要：韶鋼 7 號(hào)高爐于 2021 年 10 月 18 日停爐大修升級(jí)改造，該項(xiàng)目引進(jìn)及開(kāi)發(fā)新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備、智慧操控及智慧決策等國(guó)際煉鐵最先進(jìn)的技術(shù) 50 余項(xiàng)，致力于將 7 號(hào)高爐打造成全國(guó)第一座智慧型高爐，提高企業(yè)持續(xù)核心競(jìng)爭(zhēng)力的同時(shí)，達(dá)到環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的和諧統(tǒng)一。
關(guān)鍵詞：高爐、升級(jí)、技術(shù)、智慧
引言
廣東省韶關(guān)鋼鐵集團(tuán)有限公司煉鐵廠(chǎng) 7 號(hào)高爐于 2005 年 8 月 18 日點(diǎn)火開(kāi)爐（1 代），隨著爐役邁入后期，爐身、爐缸等部位陸續(xù)暴露出安全問(wèn)題，如爐身冷卻板陸續(xù)損壞，爐缸碳磚溫度 2013年升高到近 900℃，碳磚厚度已不足 600mm，系統(tǒng)設(shè)備磨損、老化嚴(yán)重以及工藝裝備水平難以滿(mǎn)足現(xiàn)行高爐生產(chǎn)要求，于 2021 年 10 月 18 日停爐大修進(jìn)行升級(jí)改造。
韶鋼煉鐵立足將新 7 號(hào)高爐打造成新一代的智慧高爐，引進(jìn)國(guó)內(nèi)成熟的先進(jìn)技術(shù)，全面提升7 號(hào)高爐工藝、技術(shù)及設(shè)備能力。7 號(hào)高爐采用了當(dāng)今國(guó)際煉鐵最先進(jìn)的技術(shù) 50 余項(xiàng)，包括：高爐綜合長(zhǎng)壽技術(shù)、環(huán)保型渣處理工藝、高富氧大噴煤技術(shù)、爐頂均壓煤氣全回收技術(shù)、爐前出鐵技術(shù)、智慧作業(yè)-智慧操控-智慧決策的技術(shù)體系等，進(jìn)一步降低資源和能源消耗，堅(jiān)持高效、低成本、低排放和綠色發(fā)展理念，促進(jìn)韶鋼高爐可持續(xù)發(fā)展。
1、智慧高爐技術(shù)體系
韶鋼 7 號(hào)高爐智慧高爐總體技術(shù)體系由“智慧作業(yè)-智慧操控-智慧決策”組成，智慧作業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)和設(shè)備操作的少人化、無(wú)人化；智慧操控是基于韶鋼現(xiàn)有智慧中心平臺(tái)，結(jié)合數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)，進(jìn)一步應(yīng)用智能化技術(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析、智能模型等為生產(chǎn)操控提供動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)的技術(shù)支撐；智慧決策則基于智慧作業(yè)和智慧操控保障下，以爐況順行、成本最優(yōu)為核心目標(biāo)，依托歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)挖掘手段，建立爐況調(diào)整工藝知識(shí)庫(kù)，開(kāi)發(fā)“虛擬工長(zhǎng)”決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智慧決策。
充分利用韶鋼現(xiàn)有一體化管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)與智能操控和智能決策在內(nèi)的各類(lèi)智能應(yīng)用、模型等無(wú)縫銜接，解決了傳統(tǒng)工程中數(shù)據(jù)孤島和協(xié)同性的問(wèn)題。同時(shí)，智慧作業(yè)相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)智能化技術(shù)，和現(xiàn)有智慧中心一體化管控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息的互聯(lián)互通，通過(guò)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析及挖掘，為智慧操控和決策提供支撐，并將其與數(shù)字化設(shè)計(jì)相結(jié)合，將 7 號(hào)高爐打造成數(shù)字、智慧高爐。
2 智慧化技術(shù)應(yīng)用及效果
2.1 智慧作業(yè)
2.1.1 智能抓渣
7 號(hào)高爐大修采用國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的環(huán)保底濾法渣處理工藝，提升水渣系統(tǒng)處理能力，降低系統(tǒng)檢修維護(hù)工作量；南北爐渣處理系統(tǒng)均配套設(shè)置智能抓渣系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)濾池內(nèi)的水渣堆積圖像的分析，自行選擇抓渣邏輯，利用激光掃描，實(shí)時(shí)采集渣池內(nèi)部物料幾何數(shù)據(jù)，生成料堆3D 幾何曲面，并將計(jì)算結(jié)果返回至管理系統(tǒng)，通過(guò)智能抓渣PLC和吊車(chē)自帶PLC聯(lián)合控制吊車(chē)運(yùn)行，按照順序自動(dòng)完成智能管控模型系統(tǒng)發(fā)布作業(yè)指令的接收與反饋，實(shí)現(xiàn)無(wú)人吊車(chē)的自動(dòng)控制，完成自動(dòng)抓渣和卸渣任務(wù)?？刂谱ピ熊?chē)將濾池內(nèi)的水渣自動(dòng)抓取至膠帶機(jī)外運(yùn)，以實(shí)現(xiàn)抓渣的自動(dòng)化、智能化和無(wú)人化，從而減少能耗，改善操作環(huán)境。
2.1.2 皮帶機(jī)器智能巡檢
皮帶機(jī)器智能巡檢技術(shù)對(duì)高爐上料主皮帶進(jìn)行在線(xiàn)自動(dòng)巡檢，對(duì)皮帶進(jìn)行異常檢測(cè)，包括撕裂、打滑、跑偏、異物檢測(cè)等，以計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)皮帶上運(yùn)動(dòng)中的物料進(jìn)行料流量和粒度識(shí)別。
移動(dòng)式皮帶巡檢機(jī)器人使用電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)前進(jìn)，攝像頭攝取實(shí)時(shí)實(shí)景圖像、紅外熱成像，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)到分析計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)故障異響、溫度、跑偏、異物等檢測(cè)功能。巡檢皮帶范圍包括上料系統(tǒng)主
皮帶、礦焦槽槽下系統(tǒng)、槽上皮帶等。
2.2 智慧操控
2.2.1 水溫差熱負(fù)荷智能管理
高爐冷卻系統(tǒng)作為爐內(nèi)作業(yè)最核心系統(tǒng)之一，其工作狀況對(duì)穩(wěn)定高爐爐型，改善煤氣流分布至關(guān)重要。7 號(hào)高爐采用水溫差熱負(fù)荷智能監(jiān)控管理，實(shí)時(shí)跟蹤冷卻壁服役狀況、實(shí)現(xiàn)全爐冷卻系統(tǒng)可視化管理。系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)水溫差實(shí)時(shí)計(jì)算全爐熱負(fù)荷，采用三維云圖直觀顯示全爐熱負(fù)荷分布和變化情況，通過(guò)計(jì)算爐身渣皮分布，實(shí)現(xiàn)全爐冷卻系統(tǒng)“一張圖”管理。
2.2.2 爐缸侵蝕智能管理
7 號(hào)高爐（1 代）爐齡累計(jì)安全生產(chǎn) 5906 天，是標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)壽型高爐；高爐長(zhǎng)壽是現(xiàn)代高爐追求的目標(biāo)，高爐長(zhǎng)壽就意味著經(jīng)濟(jì)效益的提高。而大量實(shí)踐表明，爐缸區(qū)域（鐵口又是爐缸的薄弱之處）是影響高爐一代爐役的主要區(qū)域。高爐長(zhǎng)壽保障條件，除了保證冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)行外，維護(hù)爐缸耐材的安全厚度至關(guān)重要。
為了監(jiān)控爐缸侵蝕狀況，新 7 號(hào)高爐采用爐缸侵蝕智能管理系統(tǒng)，根據(jù)二維穩(wěn)態(tài)傳熱建立爐缸熱傳導(dǎo)模型，利用有限單元法求解，為高爐操作人員輸出直觀的爐缸侵蝕效果，并顯示侵蝕的演變規(guī)律，提前預(yù)警爐缸安全狀態(tài)。
爐缸侵蝕分析步驟為：計(jì)算出爐缸狀態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)→判斷爐缸安全狀態(tài)→異常侵蝕原因診斷→輸出操作應(yīng)對(duì)建議。
2.2.2 爐內(nèi)可視化智能管理
高爐原燃料進(jìn)入爐內(nèi)后，含鐵原料在爐身被煤氣加熱、還原后進(jìn)入爐腰、爐腹開(kāi)始軟熔和直接還原，進(jìn)行劇烈的物理和化學(xué)反應(yīng)。日常生產(chǎn)過(guò)程中，工長(zhǎng)需通過(guò)爐體檢測(cè)數(shù)據(jù)推斷爐內(nèi)冶煉狀況，進(jìn)行相應(yīng)操作調(diào)整。
7 號(hào)高爐利用仿真技術(shù)對(duì)全爐冶煉進(jìn)行建模，對(duì)爐內(nèi)物料分布、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)進(jìn)行定量表征，實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)“五場(chǎng)合一”的虛擬冶煉場(chǎng)景，將虛擬冶煉場(chǎng)景的計(jì)算結(jié)果與高爐冶煉實(shí)體場(chǎng)景運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行同步實(shí)時(shí)對(duì)比，實(shí)現(xiàn)爐況調(diào)整在虛擬現(xiàn)實(shí) PDCA 循環(huán)中不斷改進(jìn)，為支撐虛擬工長(zhǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供必要基礎(chǔ)。
2.3 智慧決策
7 號(hào)高爐基于智慧作業(yè)和智慧操控保障下，以爐況順行、成本最優(yōu)為核心目標(biāo)，結(jié)合歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)挖掘手段，建立爐況調(diào)整工藝知識(shí)庫(kù)，建立“虛擬工長(zhǎng)”智能操爐決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智慧決策，為合理生產(chǎn)操作模式提供參考。
2.3.1 智慧“虛擬工長(zhǎng)”系統(tǒng)
高爐日常爐況調(diào)整的主要目的是維持各項(xiàng)參數(shù)在合理范圍之內(nèi)，尤其爐溫調(diào)節(jié)是高爐工長(zhǎng)最核心的職責(zé)。高爐爐溫調(diào)節(jié)主要是根據(jù)入爐原料條件、下料情況，以維持全爐燃料比穩(wěn)定為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行風(fēng)溫、濕度、氧量、煤量以及礦焦比的調(diào)節(jié)。
根據(jù)韶鋼 7 號(hào)高爐工長(zhǎng)崗位操作規(guī)程和操作實(shí)踐，建立變料作業(yè)、風(fēng)量調(diào)節(jié)、爐溫控制、富氧調(diào)整等日常標(biāo)準(zhǔn)操作調(diào)整規(guī)則庫(kù)，當(dāng)爐況滿(mǎn)足條件時(shí)，則觸發(fā)規(guī)則引擎，輸出相應(yīng)調(diào)整建議，基本實(shí)現(xiàn)日常爐況智能調(diào)劑。
當(dāng)高爐操作調(diào)整知識(shí)庫(kù)投入運(yùn)行一定周期后，其輔助建議與工長(zhǎng)決策相吻合后，日常操作調(diào)整的決策如變料、上料、調(diào)煤、出鐵等可以形成閉環(huán)操作，并通過(guò)更新知識(shí)庫(kù)不斷擴(kuò)大智能交互、閉環(huán)控制應(yīng)用場(chǎng)景，履行工長(zhǎng)職責(zé)，實(shí)現(xiàn)智慧“虛擬工長(zhǎng)”系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
2.3.2 料場(chǎng)、燒結(jié)、高爐一體化原料智慧管理
料場(chǎng)、燒結(jié)、高爐一體化原料智慧管理通過(guò)一體化配料管理，以滿(mǎn)足生產(chǎn)基本需求為中心，制定價(jià)格優(yōu)勢(shì)及可靠的配礦方案，降低煉鐵成本。
根據(jù)爐況預(yù)測(cè)高爐配料模型，以燒結(jié)礦性能、上下部調(diào)劑等爐況參數(shù)作為約束條件，進(jìn)而計(jì)算滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，維持爐況穩(wěn)定順行，以及低成本的爐料結(jié)構(gòu)。
根據(jù)燒結(jié)礦性能的混勻配礦模型，不僅考慮含鐵料化學(xué)成分、燒結(jié)基礎(chǔ)特性等，同時(shí)燒結(jié)成品礦的各項(xiàng)性能指標(biāo)也作為約束條件，再綜合考慮礦源穩(wěn)定性、價(jià)格成本、物流運(yùn)輸條件等，采用算法求解燒結(jié)性能良好、化學(xué)成分穩(wěn)定、以及低配礦成本的方案。
3、總結(jié)
韶鋼煉鐵廠(chǎng)立足將 7 號(hào)高爐打造成領(lǐng)先全國(guó)的智慧高爐，努力推動(dòng)煉鐵傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)邁向高端，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，提高煉鐵裝備環(huán)?；?、集約化、數(shù)字化、信息化、智慧化水平，滿(mǎn)足現(xiàn)代高爐生產(chǎn)要求，最大限度地實(shí)現(xiàn)了本質(zhì)安全。使高爐設(shè)備保障和運(yùn)行水平均位列國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，提高企業(yè)持續(xù)核心競(jìng)爭(zhēng)力的同時(shí)，達(dá)到環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的和諧統(tǒng)一。