天鋼高爐煉鐵設(shè)備及其自動化

張學(xué)啟（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津300301）

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天鋼高爐煉鐵設(shè)備及其自動化

張學(xué)啟
（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津300301）

[摘要]介紹了天鋼高爐采用的工藝技術(shù)和裝備。從設(shè)備自動化、過程自動化和管理自動化3個方面介紹了天鋼高爐生產(chǎn)和過程管理采用的先進(jìn)技術(shù)。通過采用高爐專家系統(tǒng)和鐵區(qū)制造執(zhí)行系統(tǒng)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，提升了企業(yè)的管理和自動化水平。

[關(guān)鍵詞]設(shè)備；高爐；煉鐵；過程；自動化；制造執(zhí)行系；專家系統(tǒng)

修回日期：2015-04-02

1　引言

21世紀(jì)以來，我國新建的高爐向大型化、自動化方向發(fā)展。高爐煉鐵技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，這種進(jìn)步不僅表現(xiàn)在以主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)不斷提高為標(biāo)志的高爐穩(wěn)定操作技術(shù)上，還表現(xiàn)在裝備水平以及多項設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)獲得了突破。這一時期，大多數(shù)企業(yè)對高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展的方向有了新的認(rèn)識，不再片面追求單一高產(chǎn)，而是系統(tǒng)地追求“高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、長壽、環(huán)保”。

2　高爐煉鐵工藝設(shè)備

高爐“高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、長壽、環(huán)?！边@一方針已被越來越多的企業(yè)認(rèn)同，實現(xiàn)這一方針的三個要素是：精料、裝備水平以及操作管理水平。

高爐的大型化對減少冶煉過程中的能源消耗、提高資源利用率、減少排放創(chuàng)造了有利條件。我國新建的高爐多為大型化高爐，并在裝備技術(shù)方面采用了無料鐘爐頂、銅冷卻壁、高溫?zé)犸L(fēng)爐、噴煤、爐前裝備自動化、煤氣余壓發(fā)電、水渣?；约拜^完善的自動化系統(tǒng)等裝備。天津鋼鐵集團(tuán)有限公司（以下簡稱天鋼）高爐系統(tǒng)采用了國際上處于先進(jìn)水平的工藝技術(shù)和裝備。

主要有：串罐無料鐘爐頂、復(fù)合爐襯技術(shù)、富氧濃相大噴煤、爐前開口機(jī)和泥炮及其自動控制系統(tǒng)、新型環(huán)保水渣技術(shù)和裝備、高爐煤氣清洗技術(shù)和裝備、頂燃式熱風(fēng)爐系統(tǒng)、立置環(huán)保振動篩系統(tǒng)、國產(chǎn)銅冷卻壁、鐵口整體鉆孔技術(shù)、國產(chǎn)大風(fēng)機(jī)等。同時天鋼自主開發(fā)了軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)自動補(bǔ)水補(bǔ)壓、爐前開口機(jī)和泥炮自動化控制系統(tǒng)、長壽布料溜槽、魚雷罐鐵水液面測量等技術(shù)和裝備。以上新工藝、新技術(shù)和新裝備的應(yīng)用，使天鋼高爐在工藝技術(shù)及裝備處于國內(nèi)外先進(jìn)行列，為高效低耗打下了物質(zhì)基礎(chǔ)。

3　高爐煉鐵自動化

煉鐵自動化可以分為3個層面，即設(shè)備自動化、過程自動化和管理自動化。我國幾乎所有的高爐都實現(xiàn)了設(shè)備自動化，因為高爐從配料到上料再到裝料，是一個復(fù)雜的過程，需要上百臺設(shè)備協(xié)調(diào)配合才能完成。設(shè)備自動化可以極大地提高工作效率，減少誤操作，提高可靠性，降低人工成本，這是企業(yè)看得見的效益。但是，設(shè)備自動化的水平還有待提升，而在過程自動化和管理自動化方面，一些企業(yè)正在積極地探索，很多企業(yè)還沒有意識到過程自動化和管理自動化能給企業(yè)帶來可觀的效益，這是本文所要表述的重點。

3.1設(shè)備自動化

幾乎所有的高爐都實現(xiàn)了設(shè)備自動化，各企業(yè)都對高爐設(shè)備自動化極其重視，這是因為如果控制系統(tǒng)發(fā)生故障，將直接導(dǎo)致高爐休風(fēng)，甚至?xí)＜暗礁郀t的安全生產(chǎn)，產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。相當(dāng)一部分企業(yè)在設(shè)備自動化方面，配備了較好的檢測、控制和執(zhí)行裝置，其檢測準(zhǔn)確度滿足高爐基本操作要求，但仍然有較大的提升空間，如按環(huán)重量布料、熱風(fēng)爐自動燃燒、自動換爐、交叉并聯(lián)送風(fēng)等。

3.2過程自動化

冶金企業(yè)鐵水成本是影響產(chǎn)品成本的重要因素，降低鐵水成本是冶金企業(yè)的主要任務(wù)之一。只有在保持高爐持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的前提下，才有可能實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、低耗。因此，高爐的持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)是操作者最重要的目標(biāo)。然而，高爐運(yùn)行存在很多干擾因素，如操作的失誤、人為因素、爐料化學(xué)成分的波動、工藝過程和熱狀態(tài)的改變等均會造成高爐的擾動，保持高爐長期穩(wěn)定運(yùn)行并不容易。

3.2.1高爐專家系統(tǒng)的構(gòu)成和工作過程

高爐過程自動化系統(tǒng)（高爐專家系統(tǒng)）可對高爐操作爐型及狀況進(jìn)行評價和判斷，反映爐況的趨勢更加客觀和正確，可使高爐操作實現(xiàn)統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化，是高爐實現(xiàn)高效、低耗、長壽的重要途徑。高爐專家系統(tǒng)的應(yīng)用對高爐操作穩(wěn)定具有十分重要的意義。芬蘭羅德洛基公司的專家系統(tǒng)應(yīng)用了專家系統(tǒng)和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)兩個軟件平臺，其中線性問題采用專家系統(tǒng)平臺處理，非線性問題則采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)處理。其功能主要包括爐料計算模型、布料模型、爐身模型、技術(shù)計算、爐缸燒損模型和出鐵控制模型等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其工作過程如下：

（1）數(shù)據(jù)的采集和輸入：數(shù)據(jù)分為3類，一是現(xiàn)場傳感器直接測量的數(shù)據(jù)，由基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)采集并經(jīng)預(yù)處理后，通過通訊的方式傳送到專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中；二是成分?jǐn)?shù)據(jù)，包括原燃料成分和渣鐵化驗數(shù)據(jù)，由檢化驗系統(tǒng)來；三是出鐵數(shù)據(jù)，包括出渣時間、出渣延遲時間，出鐵起止時間、出鐵量等，由工長從專家系統(tǒng)的畫面錄入。

圖1　高爐專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（2）技術(shù)計算：專家系統(tǒng)軟件在接收到一級系統(tǒng)和檢化驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)后開始進(jìn)行技術(shù)計算。技術(shù)計算分為基于時間周期的計算和基于事件的計算。計算各種指數(shù)、平均值和偏差等，技術(shù)計算的結(jié)果作為推理過程的初始值。

（3）知識庫：技術(shù)計算完成后，啟動系統(tǒng)中的知識庫。系統(tǒng)會根據(jù)各種條件值判斷采用正常狀態(tài)知識庫或不穩(wěn)定狀態(tài)知識庫。

（4）推理機(jī)的推理：專家系統(tǒng)軟件庫中內(nèi)置資深高爐操作專家對各種干擾狀態(tài)推理和評估知識和方法。首先對干擾進(jìn)行分析、識別和確定，然后根據(jù)干擾的程度，系統(tǒng)會自動輸出建議修正控制值。系統(tǒng)進(jìn)行短周期診斷和長周期診斷，其中短周期診斷用于指導(dǎo)當(dāng)前的操作，長周期診斷用于確定當(dāng)天高爐的操作方針。

3.2.2專家系統(tǒng)的實施應(yīng)用

高爐專家系統(tǒng)的實施比設(shè)備控制要復(fù)雜得多，是一項技術(shù)和管理結(jié)合的系統(tǒng)工程，它需要高爐操作、化驗室和自動化維護(hù)部門之間密切配合，才能完成實施應(yīng)用工作。在實施過程中應(yīng)特別注意以下幾點：

（1）領(lǐng)導(dǎo)重視是關(guān)鍵。高爐專家系統(tǒng)是技術(shù)和管理相結(jié)合的產(chǎn)物，它涉及到觀念的改變，部門配合等問題，一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，將會導(dǎo)致整個系統(tǒng)不可用。

（2）實施團(tuán)隊是保證。由于高爐專家系統(tǒng)是一項需要客戶化的工程，需要高爐操作者不斷地對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和完善，因此，需要有一個技術(shù)水平高的團(tuán)隊。

（3）技術(shù)培訓(xùn)是基礎(chǔ)。高爐專家系統(tǒng)涉及大量的操作思想，全體操作者必須深入地理解專家系統(tǒng)的控制思想和工作流程，操作者思路與軟件系統(tǒng)的思想一致，并能熟練地使用軟件，才能在使用過程中不斷地優(yōu)化和完善，系統(tǒng)才能成功應(yīng)用。

（4）制定階段目標(biāo)，穩(wěn)扎穩(wěn)打。為了使高爐專家系統(tǒng)能夠成功，將實施目標(biāo)分為三個階段：第一階段：以監(jiān)視，管理為主，這一階段只涉及專家系統(tǒng)的基本功能，比較容易實現(xiàn)。第二階段：完善專家系統(tǒng)規(guī)則庫和推理機(jī)參數(shù)，預(yù)報高爐順行狀態(tài)和熱狀態(tài)。這一階段需要高爐操作者完成大量的工作，專家系統(tǒng)基本可用。第三階段：將專家系統(tǒng)自學(xué)習(xí)功能投入運(yùn)行，系統(tǒng)建立異常爐況記錄，進(jìn)而不斷地優(yōu)化專家系統(tǒng)規(guī)則庫及推理參數(shù)，不斷地提高異常爐況預(yù)報命中率。通過在高爐的實際運(yùn)行，不斷確認(rèn)和完善系統(tǒng)所使用的規(guī)則，增加新的規(guī)則，這一階段的持續(xù)時間最長，一直持續(xù)到高爐停爐為止。

（5）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確是基礎(chǔ)的前提。高爐專家系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)包含3個方面：一是過程測量數(shù)據(jù)，它反映工藝過程的實際情況；二是成分化驗數(shù)據(jù)，它反映了原、燃料的成分，不僅要保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還要保證數(shù)據(jù)的實時性和對應(yīng)性；三是各種參數(shù)的“值”，這些量值需要不斷地調(diào)整，才能逐步使軟件無限逼近真實，提高系統(tǒng)預(yù)報精確度。

3.2.3高爐專家系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益

高爐專家系統(tǒng)對穩(wěn)定爐況、減少事故、降低焦比起作重要的作用，國外的高爐專家系統(tǒng)已普遍被接受，在我國也有不少成功應(yīng)用專家系統(tǒng)的實例。高爐專家系統(tǒng)產(chǎn)生的效益：（1）避免爐況重大失常。（2）降低燃料消耗，提高鐵水質(zhì)量。（3）延長高爐壽命。（4）培養(yǎng)操作人才。

3.3生產(chǎn)管理自動化

3.3.1我國高爐精細(xì)化管理存在的問題

我國高爐生產(chǎn)大多處于粗放型管理階段，還不能實現(xiàn)精細(xì)化管理要求，目前存在的問題是：（1）技術(shù)數(shù)據(jù)采集周期長、利用率低，管理層不能及時和充分得到反饋信息，為決策提供及時指導(dǎo)。（2）管理層對生產(chǎn)信息的掌握具有局限性，難以對生產(chǎn)情況進(jìn)行總體和系統(tǒng)的分析，使決策和調(diào)控的及時性受到一定程度的影響。（3）大量數(shù)據(jù)需要人工二次采集、輸入、計算，工作量大，工作效率難以提高。（4）原料場的管理還處于手工模式，特別是原料質(zhì)量跟蹤信息傳遞較慢，影響鐵廠對原料的精細(xì)化管理。（5）高爐配料不能及時準(zhǔn)確地掌握原料庫存及對應(yīng)的質(zhì)量情況，給物料全局管理帶來了一定的困難。（6）原料配料只能根據(jù)現(xiàn)有材料配料的狀態(tài)，還不能根據(jù)市場的變化和鐵水目標(biāo)要求，實現(xiàn)最低成本配料。

3.3.2高爐精細(xì)化管理

采用信息技術(shù)手段可以很好地解決上述六類問題，這就是鐵區(qū)生產(chǎn)管理自動化，即鐵區(qū)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），其主要功能如圖2所示，不再詳述。

圖2　鐵區(qū)M ES功能模型

3.3.3精細(xì)化管理實現(xiàn)的效益

通過信息系統(tǒng)中的配料管理功能，可以實現(xiàn)鐵水成本最低的目標(biāo)，采購部門將市場資源信息、對應(yīng)的質(zhì)量參數(shù)和價格等條件輸入到系統(tǒng)中，通過系統(tǒng)內(nèi)預(yù)置的質(zhì)量數(shù)據(jù)庫和原料結(jié)構(gòu)回歸模型進(jìn)行計算和模擬預(yù)測，找出滿足鐵水質(zhì)量的最優(yōu)配料方案。采購部門按此方案采購，實現(xiàn)成本最優(yōu)。原理如圖3所示。

4　結(jié)語

圖3　鐵水成本最優(yōu)配料方案原理

高爐大型化，裝備水平的提高，為提高經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)創(chuàng)造了較好的物質(zhì)條件，多數(shù)企業(yè)均能采用先進(jìn)的操作理念和操作技術(shù)。但是為了更好地發(fā)揮高爐裝備的先進(jìn)功能，僅有先進(jìn)的操作技術(shù)是不夠的，必須采用先進(jìn)的管理思想，采取先進(jìn)的管理手段和管理方法，實現(xiàn)精細(xì)化管理。高爐專家系統(tǒng)和鐵區(qū)MES的應(yīng)用，能有效地幫助企業(yè)實現(xiàn)精細(xì)化管理，“高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、長壽、環(huán)?！钡哪繕?biāo)。

參考文獻(xiàn)

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（上接第67頁）Iron-m aking Equipm entand Autom ation in TISCZHANG Xue-qi

(Tianjin Iron and SteelGroup Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China)

AbstractThe paperbriefly introduces the technicalprocess and equipmentadopted to BF ofTianjin Iron and SteelGroup Company Limited (TISC)and explains the advanced technology applied to BF production and process managementfrom three aspects ofequipmentautomation,process automation and management automation.By way ofadopting BF expertsystem and manufacturing execution system atiron-making area, good economicbenefitsareobtained and themanagementand automation leveloftheenterpriseislifted.

Key wordsequipment; BF; iron-making; process; automation; manufacturing execution system; expert system

收稿日期：2015-03-10

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2015.04.019

作者簡介：張學(xué)啟（1964—），男，天津人，高級工程師，主要從事自動化和企業(yè)信息化的規(guī)劃、建設(shè)、管理和維護(hù)工作。