牛占平  李利波  王學(xué)良  李雷曉

新金集團(tuán)

摘要：為應(yīng)對鋼鐵行業(yè)加熱爐能耗高、控制精度低、氧化燒損大等共性問題，新金鋼鐵集團(tuán)于2025年2月啟動“加熱爐燃燒高效節(jié)能工藝研究”項(xiàng)目。項(xiàng)目基于阿里云工業(yè)大腦平臺，融合大數(shù)據(jù)、人工智能與先進(jìn)控制技術(shù)，構(gòu)建了加熱爐能耗優(yōu)化與智能燃燒控制系統(tǒng)。通過數(shù)據(jù)建模、參數(shù)尋優(yōu)與邊緣反控集成，實(shí)現(xiàn)了空燃比實(shí)時優(yōu)化、爐溫精準(zhǔn)控制與煤氣消耗明顯降低。項(xiàng)目于2025年9月完成，投運(yùn)后自動燒鋼效率達(dá)90%，噸鋼煤氣消耗降低30m³/t，板坯頭尾溫差穩(wěn)定在1070–1100℃，年創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益超1000萬元，為鋼鐵企業(yè)加熱爐智能化、綠色化升級提供了系統(tǒng)解決方案。

關(guān)鍵詞：加熱爐；燃燒優(yōu)化；工業(yè)大腦；智能控制；節(jié)能降耗；經(jīng)濟(jì)效益

1. 引言

加熱爐作為軋鋼生產(chǎn)線的關(guān)鍵熱工設(shè)備，其能耗約占工序總能耗的60%-70%。當(dāng)前，國內(nèi)多數(shù)加熱爐仍依賴人工操作，存在控制精度低、煤氣消耗大、鋼坯氧化燒損嚴(yán)重、溫度均勻性差等問題，直接影響軋制效率與生產(chǎn)成本。在“雙碳”目標(biāo)與智能制造雙重驅(qū)動下，實(shí)現(xiàn)加熱爐燃燒過程的智能化、精細(xì)化控制，已成為鋼鐵行業(yè)節(jié)能降耗與技術(shù)升級的迫切需求。新金集團(tuán)1380熱軋生產(chǎn)線加熱爐同樣面臨上述挑戰(zhàn)：手動燒鋼導(dǎo)致煤氣單耗偏高，冷熱坯混裝造成在爐時間控制不準(zhǔn)，爐溫波動影響板坯加熱質(zhì)量。為此，公司于2025年2月立項(xiàng)“加熱爐高效節(jié)能工藝研究”項(xiàng)目，旨在依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與人工智能技術(shù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動的加熱爐智能燃燒控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)燃燒過程的高效、穩(wěn)定與低碳運(yùn)行。

2. 現(xiàn)狀分析與目標(biāo)設(shè)定

2.1 現(xiàn)狀調(diào)查

項(xiàng)目組對原有加熱爐運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，識別出以下突出問題：

①能耗居高不下：人工控制空燃比，煤氣燃燒不充分，噸鋼煤氣消耗量大；

②溫度控制精度低：板坯頭尾溫差、截面溫差波動大，影響軋制穩(wěn)定性；

③自動化水平低：燒鋼操作依賴人工經(jīng)驗(yàn)，投運(yùn)自動化率幾乎為零；

④氧化燒損嚴(yán)重：鋼坯在爐時間控制不準(zhǔn)，氧化鐵皮生成量增加，成材率降低。

2.2 目標(biāo)設(shè)定

基于現(xiàn)狀，項(xiàng)目設(shè)定如下可量化的技術(shù)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)：

技術(shù)指標(biāo)：

①自動燒鋼投運(yùn)率≥90%；

②噸鋼煤氣消耗降低≥30m³/t；

③板坯頭尾溫差控制在1070–1100℃范圍內(nèi)；

④板坯橫縱向溫差分別≤ 20℃與≤ 30℃。

經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：

①年直接經(jīng)濟(jì)效益 ≥ 1000萬元；

②培養(yǎng)智能化燒鋼技術(shù)人才8人。

3. 系統(tǒng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

3.1 總體技術(shù)架構(gòu)

項(xiàng)目采用“云-邊-端”協(xié)同的智能化架構(gòu)，以阿里云工業(yè)大腦為核心，邊緣計算為支撐，現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了加熱爐燃燒全過程優(yōu)化與控制系統(tǒng)。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)方案

3.2.1 基于工業(yè)大腦的能耗優(yōu)化模型

在阿里云工業(yè)大腦AI創(chuàng)作間中，構(gòu)建加熱爐能耗優(yōu)化大數(shù)據(jù)模型。通過采集鋼坯材質(zhì)、重量、入爐溫度、各段爐溫、空煤流量、熱值等上百個工藝參數(shù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行特征分析與參數(shù)尋優(yōu)，實(shí)時推薦最優(yōu)的空燃比、爐溫設(shè)定值等關(guān)鍵參數(shù)。

3.2.2 邊緣反控與實(shí)時閉環(huán)控制

開發(fā)部署工業(yè)大腦邊緣控制端，接收云端優(yōu)化參數(shù)并轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行指令。通過APC（先進(jìn)過程控制）算法，與底層PLC系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)對煤氣閥、空氣閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)時精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，形成“感知-優(yōu)化-執(zhí)行”的閉環(huán)控制。

3.2.3 多源數(shù)據(jù)融合與可視化應(yīng)用

開發(fā)定制化的“加熱爐燃燒優(yōu)化反控應(yīng)用”軟件，集成生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、優(yōu)化推薦數(shù)據(jù)，提供可視化監(jiān)控、操作指導(dǎo)、異常報警等功能，輔助崗位人員高效運(yùn)維。

4. 系統(tǒng)實(shí)施與調(diào)試

4.1 實(shí)施階段

項(xiàng)目于2025年2月啟動，按三階段推進(jìn)：

第一階段（2025.2–4）：需求調(diào)研、技術(shù)方案設(shè)計、數(shù)據(jù)接口調(diào)試，完成初步投料試驗(yàn)驗(yàn)證可行性；

第二階段（2025.5–8）：硬件部署（傳感器、邊緣服務(wù)器）、軟件部署、模型訓(xùn)練與優(yōu)化，開展多輪工藝試驗(yàn)，固化控制參數(shù)；

第三階段（2025.9）：系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、全員培訓(xùn)、試運(yùn)行與效果評估，完成項(xiàng)目驗(yàn)收。

4.2 關(guān)鍵調(diào)試與優(yōu)化

針對初期投運(yùn)中出現(xiàn)的參數(shù)響應(yīng)滯后、個別工況波動大等問題，項(xiàng)目組通過模型迭代、控制邏輯優(yōu)化、臨界值自適應(yīng)調(diào)整等手段，逐步提升系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)性，最終實(shí)現(xiàn)全工況覆蓋下的穩(wěn)定投運(yùn)。

5. 實(shí)施效果與數(shù)據(jù)分析

5.1 節(jié)能效果對比

系統(tǒng)投運(yùn)后，噸鋼煤氣消耗明顯下降。據(jù)統(tǒng)計，項(xiàng)目周期內(nèi)平均噸鋼煤氣消耗較改造前降低32 m³/t，節(jié)能效果達(dá)到5.2%，超過預(yù)期目標(biāo)。

投運(yùn)前后噸鋼煤氣消耗對比表

5.2 溫度控制精度提升

頭尾溫差：由原先的波動范圍大于50℃，穩(wěn)定控制在1070–1100℃的狹窄區(qū)間內(nèi)；

截面溫差：橫向溫差≤18℃，縱向溫差≤28℃，均優(yōu)于技術(shù)指標(biāo)要求；

陰陽面情況：明顯改善，爐內(nèi)高溫計數(shù)據(jù)穩(wěn)定性提升。

5.3 自動化與穩(wěn)定性

自動燒鋼投運(yùn)率長期穩(wěn)定在92%以上，大幅減輕操作人員勞動強(qiáng)度，減少人為干預(yù)，生產(chǎn)過程穩(wěn)定性顯著提高。

6. 經(jīng)濟(jì)效益與社會效益

6.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

節(jié)能效益：按年產(chǎn)300萬噸軋材、煤氣單價計算，年節(jié)約煤氣成本約800萬元；

增產(chǎn)效益：因加熱質(zhì)量提升、在爐時間優(yōu)化，減少氧化燒損，提高成材率，年增效益約200萬元；

綜合年效益：超過1000萬元，項(xiàng)目研發(fā)投入2159.56萬元，投資回收期約2.2年。

6.2 社會與安全效益

綠色低碳：降低煤氣消耗直接減少CO?排放，助力企業(yè)綠色工廠建設(shè)；

安全提升：降低人工干預(yù)頻次，減少因操作失誤導(dǎo)致的生產(chǎn)安全風(fēng)險；

人才培養(yǎng)：項(xiàng)目培養(yǎng)了一支具備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與智能控制技術(shù)的復(fù)合型人才隊(duì)伍；

行業(yè)示范：形成了可復(fù)制、可推廣的加熱爐智能化升級方案，為同行提供了借鑒。

7. 成果固化與標(biāo)準(zhǔn)化

為保障成果持續(xù)有效，項(xiàng)目組編制并實(shí)施了：

《加熱爐智能燃燒控制系統(tǒng)操作規(guī)程》

《系統(tǒng)維護(hù)與故障處理手冊》

《能耗與工藝數(shù)據(jù)月度分析制度》

2025年10月，完成對全部看火工、技術(shù)員的系統(tǒng)操作培訓(xùn)，確保規(guī)范使用與長效運(yùn)行。

8. 結(jié)論與展望

“加熱爐燃燒高效節(jié)能工藝研究”項(xiàng)目成功將工業(yè)大腦、大數(shù)據(jù)分析與先進(jìn)控制技術(shù)深度融合，構(gòu)建了集數(shù)據(jù)感知、智能優(yōu)化、實(shí)時反控于一體的加熱爐智能燃燒系統(tǒng)。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)能顯著降低煤氣消耗、提高溫度控制精度、提升自動化水平，經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保效益突出。

未來，公司計劃將該系統(tǒng)推廣至2號加熱爐，并進(jìn)一步探索與能源管理系統(tǒng)（EMS）、產(chǎn)線全流程智能優(yōu)化系統(tǒng)的深度融合，持續(xù)挖掘節(jié)能潛力，推動加熱爐向“無人化、智能化、低碳化”方向演進(jìn)，為鋼鐵工業(yè)智能制造與綠色轉(zhuǎn)型貢獻(xiàn)力量。