近年鋼鐵主業(yè)智能制造發(fā)展綜述（上篇）

林安川 杜順林 向艷霞 朱永華 羅英杰 趙紅全 王 萍

（1.昆鋼技術(shù)中心，2.昆鋼科創(chuàng)中心）

1 概述

當(dāng)前，中國正處于工業(yè)化加速發(fā)展的重要階段。走新型工業(yè)化道路，加速推進(jìn)新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，是當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期的重要任務(wù)。1988年，美國首次提出“智能制造”概念，制造業(yè)作為國家的立國之本、強(qiáng)國之基、興國之器，是保持經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長的動(dòng)力，是加劇制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新、競爭的催生劑。研究表明，未來幾年全球智能制造行業(yè)將保持10 %左右的年均復(fù)合增速，美日德各國相繼加大科技創(chuàng)新、智能制造發(fā)展力度[1]；德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略研究核心為智能工廠和智能生產(chǎn)[2]。在鋼鐵領(lǐng)域，20世紀(jì)末，歐洲排名第一的鋼鐵企業(yè)蒂森克虜伯加大智能制造投入，開始進(jìn)入高端化發(fā)展時(shí)期[3]。

鋼鐵工業(yè)屬于混合型流程工業(yè)，兼有連續(xù)型和離散型工業(yè)流程的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)鋼鐵制造流程運(yùn)行、管理的智能化是提升企業(yè)競爭力、可持續(xù)發(fā)展力的根本性來源。相對(duì)于單一技術(shù)、裝備上的進(jìn)步與突破，智能制造的巨大功效主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了工業(yè)制造與信息技術(shù)的深度融合與集成創(chuàng)新；從模式上實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)組織、管理方式的變革。鋼鐵智能制造的研究與建設(shè)是一個(gè)復(fù)雜、系統(tǒng)的工程，其核心是通過信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化等技術(shù)手段，對(duì)包括工藝、生產(chǎn)及檢測(cè)設(shè)備在內(nèi)的現(xiàn)有制造流程系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化，將流程系統(tǒng)和信息化融合成一個(gè)有機(jī)整體，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的協(xié)同高效運(yùn)行，最大限度發(fā)揮各生產(chǎn)要素的積極作用，達(dá)到工藝知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)的顯性化，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的無縫對(duì)接，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、管理的標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化和穩(wěn)定化。近年來，我國信息技術(shù)的飛速發(fā)展，為鋼鐵企業(yè)挺進(jìn)智能制造領(lǐng)域、推動(dòng)產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)升級(jí)帶來契機(jī)。寶鋼爐前作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用、無人化智慧料場(chǎng)、熱軋智能車間及太鋼不銹鋼棒線材生產(chǎn)線智能化升級(jí)改造項(xiàng)目率先進(jìn)入鋼鐵企業(yè)智能制造示范，國內(nèi)各鋼鐵企業(yè)在原料、煉鐵、鋼軋等關(guān)鍵工序相繼實(shí)施智能制造技術(shù)的研究、建設(shè)及應(yīng)用。本文主要概述鐵前原料場(chǎng)、燒結(jié)、球團(tuán)、高爐本體及其附屬系統(tǒng)。

2 鐵前原料系統(tǒng)

2.1 原料場(chǎng)、庫區(qū)

2.1.1 原料場(chǎng)無人化建設(shè)發(fā)展歷程概述

原料場(chǎng)是鋼鐵企業(yè)開始進(jìn)入生產(chǎn)工藝流程的第一道工序，擔(dān)負(fù)著為鋼鐵制造龐大生產(chǎn)量提供數(shù)以千萬噸計(jì)精糧需求的入、堆、分、取、檢、運(yùn)任務(wù)。因此，大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)往往配備了巨型的堆場(chǎng)、數(shù)量龐大的堆取料設(shè)備及大量駕駛設(shè)備的操作人員。與之相隨的是，如何最大限度地改善工作環(huán)境、有效地降低人工成本，減少人工干預(yù)帶來的安全、質(zhì)量的不利影響，提高生產(chǎn)效率成為大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)面臨的共同課題。

以“料場(chǎng)無人化”為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，其發(fā)展歷程可以概括為三個(gè)階段：一是實(shí)現(xiàn)堆取料設(shè)備的遠(yuǎn)程手動(dòng)控制。其特點(diǎn)是主要依靠中控室操作人員的指令實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)堆、取料系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)；二是進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了堆取料系統(tǒng)、設(shè)備的半自動(dòng)作業(yè)。其特點(diǎn)通過自動(dòng)控制程序?qū)崿F(xiàn)了作業(yè)設(shè)備各機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)，但在操作、料場(chǎng)管理上仍然處于仍然處于以人工為主、計(jì)算機(jī)為輔的階段；三是實(shí)現(xiàn)了堆取料系統(tǒng)、設(shè)備的全自動(dòng)作業(yè)。

2.1.2 原料場(chǎng)、輔助設(shè)施自動(dòng)化控制及無人化建設(shè)

如前述，在保證設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，自動(dòng)化、智能化是原料場(chǎng)發(fā)展的方向，建設(shè)無人化料場(chǎng)（庫場(chǎng)）提高堆取料機(jī)、行車等作業(yè)設(shè)備的自動(dòng)化程度，是大型鋼鐵企業(yè)解決上述問題的有效途徑。料場(chǎng)無人化建設(shè)核心是依靠自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)原料場(chǎng)主體作業(yè)設(shè)備的全自動(dòng)化控制。以堆、取料機(jī)進(jìn)行無操作人員堆取料操作、作業(yè)和監(jiān)視為例，不僅要能充分保證料場(chǎng)利用率、發(fā)揮裝備作業(yè)能力，更應(yīng)具有主體設(shè)備防碰撞、安全穩(wěn)定自動(dòng)運(yùn)行等功能。正常情況下由中控室可通過操作開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程干預(yù)。無人操作過程作業(yè)流程簡述為：指令發(fā)出→無人控制系統(tǒng)獲得任務(wù)→優(yōu)化計(jì)算和安全檢查→系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生相關(guān)堆、取模式指令→堆取料機(jī)PLC接收指令→堆取料機(jī)全過程無人自動(dòng)堆、取料作業(yè)。

針對(duì)建設(shè)目標(biāo)、過程中催生的問題及解決方案，寶鋼提出的料場(chǎng)無人化建設(shè)目標(biāo)是：實(shí)現(xiàn)堆取料機(jī)無人控制和料場(chǎng)管理、中央控制的一體化[4]。其在馬跡山港料場(chǎng)國內(nèi)首創(chuàng)的無人化系統(tǒng)投入生產(chǎn)運(yùn)行后，不僅實(shí)現(xiàn)4臺(tái)堆取料機(jī)中控遠(yuǎn)程自動(dòng)操作，且自動(dòng)作業(yè)料場(chǎng)利用率、生產(chǎn)效率也完全達(dá)到設(shè)計(jì)能力，為促進(jìn)大型原料場(chǎng)智能化管理水平做出示范；在針對(duì)提升原料場(chǎng)控制系統(tǒng)信息化、自動(dòng)化程度效率層面，姜云鵬等[5]采用智能Mcc控制系統(tǒng)減少了遠(yuǎn)程I/O模塊和遠(yuǎn)程柜數(shù)量，達(dá)到節(jié)省電氣室占用面積、減少接線數(shù)量、維護(hù)更容易效果；針對(duì)大型料場(chǎng)進(jìn)出車輛監(jiān)控問題研究，黎雪芬等[6]設(shè)計(jì)了基于u～Blox 的GPS（全球定位系統(tǒng)）應(yīng)用單元，結(jié)合柵格化地圖縮放、平移、標(biāo)定及行駛軌跡匹配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了利用GPS位置信息檢測(cè)車輛位置，滿足了大型無人化料場(chǎng)管理、車隊(duì)等的監(jiān)控與管理的實(shí)際需求。此外，皮帶機(jī)作為大型綜合料場(chǎng)的重要附屬系統(tǒng)，主要作用是連接各大型專用設(shè)備，將原燃料輸送至大型設(shè)備或承接、輸送的作用，傳統(tǒng)操作運(yùn)行同樣依靠大量人員值守。王來平[7]基于計(jì)算機(jī)、PLC控制、視頻監(jiān)控和傳感器等技術(shù)，集成了包括在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)、集控和視頻監(jiān)控的皮帶機(jī)無人值守系統(tǒng)解決方案，實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)系統(tǒng)的“一鍵啟動(dòng)”和無人值守功能。

2.1.3 庫區(qū)輔助設(shè)施自動(dòng)化控制及無人化建設(shè)

天車是鋼鐵企業(yè)庫區(qū)最重要作業(yè)設(shè)備，庫區(qū)天車無人化是原料庫（包括礦石、煤焦）作業(yè)、庫區(qū)管理實(shí)現(xiàn)智能化的前提條件。庫區(qū)天車無人化是指在傳統(tǒng)天車設(shè)備基礎(chǔ)上通過控制管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)天車之間、天車與物料之間的信息交互并最終實(shí)現(xiàn)天車的自主作業(yè)。天車無人化系統(tǒng)主要由庫區(qū)PLC 控制子系統(tǒng)、管理子系統(tǒng)（WMS）組成。主要功能包括: 天車作業(yè)無人駕駛、作業(yè)自動(dòng)排程、實(shí)時(shí)調(diào)度及HMI 操作控制、庫區(qū)物料實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤等。作業(yè)流程簡述為：庫區(qū)業(yè)務(wù)需求→管理子系統(tǒng)自動(dòng)生成天車作業(yè)排程計(jì)劃→天車和作業(yè)環(huán)境實(shí)際狀態(tài)→天車作業(yè)調(diào)度順序→作業(yè)指令發(fā)送給PLC 控制子系統(tǒng)→天車作業(yè)。

李曉剛等[8]率先在國內(nèi)庫區(qū)研發(fā)及應(yīng)用了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的控制管理系統(tǒng)，體現(xiàn)了無人駕駛、自動(dòng)識(shí)別、平穩(wěn)吊運(yùn)、動(dòng)態(tài)跟蹤等顯著優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行狀況穩(wěn)定并為全流程作業(yè)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，解決了不可控人為因素、吊裝二次損傷、效率低下、跟蹤不及時(shí)等問題，天車故障減少，運(yùn)行的準(zhǔn)確度和平穩(wěn)性能得到提升，滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的要求；激光成像分析技術(shù)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)原料場(chǎng)及庫區(qū)無人化的關(guān)鍵技術(shù)之一，吳毅平等[9]利用三維激光掃描裝置對(duì)散裝料堆等物體進(jìn)行激光掃描，通過在計(jì)算機(jī)中建立3D圖像、圖像分析和智能優(yōu)化數(shù)模并結(jié)合自動(dòng)化控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)料場(chǎng)、庫區(qū)自動(dòng)作業(yè)堆取及吊運(yùn)自動(dòng)作業(yè)。實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的無人化、智能化，減少操作人員，降低能耗和運(yùn)行成本。

2.2 燒結(jié)

燒結(jié)工序是高爐主要含鐵原料供應(yīng)源，其對(duì)物料的處理量占鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的第二位。燒結(jié)生產(chǎn)是鋼鐵生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，具有生產(chǎn)工藝流程長、工藝過程復(fù)雜及系統(tǒng)操作參數(shù)變量多、滯后大、時(shí)變的特點(diǎn)，并且，存在如礦相變化、漏風(fēng)率等一些關(guān)鍵生產(chǎn)參數(shù)難以直接在線檢測(cè)的情形。這導(dǎo)致長期以來應(yīng)用常規(guī)控制理論、方法很難解決燒結(jié)生產(chǎn)過程中的綜合控制問題，也難以就其生產(chǎn)過程建立精確的數(shù)學(xué)模型。隨著信息化、智能化技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用燒結(jié)生產(chǎn)智能控制技術(shù)，提高生產(chǎn)控制水平和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)成為國內(nèi)外科研開發(fā)的熱點(diǎn)[10～13]。

2.2.1 燒結(jié)生產(chǎn)過程綜合控制系統(tǒng)進(jìn)展

相比國外先進(jìn)的智能控制系統(tǒng)，國內(nèi)大多燒結(jié)控制系統(tǒng)均處于局部智能控制。2005年，武鋼435 m2燒結(jié)機(jī)通過引進(jìn)、移植奧鋼聯(lián)的燒結(jié)終點(diǎn)模糊制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)終點(diǎn)控制；2009年，首鋼京唐550 m2燒結(jié)機(jī)研發(fā)了由燒結(jié)生產(chǎn)過程、質(zhì)量、信息管理等智能控制子系統(tǒng)構(gòu)成的燒結(jié)全過程智能閉環(huán)控制系統(tǒng)，首次在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)機(jī)整體智能閉環(huán)控制[14]。

燒結(jié)生產(chǎn)過程中，燒結(jié)機(jī)（臺(tái)車）料層厚度是影響燒結(jié)礦的產(chǎn)量、質(zhì)量、冷熱態(tài)強(qiáng)度、還原性、燃耗等理化性能及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的主要技術(shù)參數(shù)之一。張巍[15]分析了燒結(jié)機(jī)料層厚度控制系統(tǒng)構(gòu)成，設(shè)計(jì)了采用雷達(dá)料位計(jì)在線檢測(cè)料層厚度的方法，據(jù)測(cè)量結(jié)果結(jié)合料層厚度設(shè)定值實(shí)現(xiàn)了圓錕給料機(jī)轉(zhuǎn)速和混合礦槽給料閘門開度的智能控制，最大限度地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制燒結(jié)機(jī)料層厚度，顯著改善燒結(jié)機(jī)的布料效果。楊春雨等[16，17]基于燒結(jié)生產(chǎn)過程信息化、智能化集成技術(shù)開發(fā)平臺(tái)，在研發(fā)燒結(jié)生產(chǎn)過程中混合料水分智能控制、燒結(jié)終點(diǎn)控制、配料動(dòng)態(tài)優(yōu)化、機(jī)尾斷面圖像分析及綜合智能專家決策等關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制子系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用人工智能視覺、分層劃分、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及優(yōu)化模糊—均值聚類相結(jié)合等關(guān)鍵技術(shù)，分步實(shí)現(xiàn)燒結(jié)生產(chǎn)各關(guān)鍵環(huán)節(jié)智能控制及解決在線檢測(cè)與智能控制問題，在此基礎(chǔ)上集成、應(yīng)用信息化、智能化技術(shù)構(gòu)建綜合智能控制系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燒結(jié)生產(chǎn)的綜合自動(dòng)化。

2.2.2 燒結(jié)專家系統(tǒng)的構(gòu)建及應(yīng)用

智能的燒結(jié)綜合控制專家系統(tǒng)是徹底解決燒結(jié)過程成礦機(jī)理復(fù)雜、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)滯后及原燃料水分成分波動(dòng)大、影響產(chǎn)品質(zhì)量因素眾多等復(fù)雜問題的重要手段，也是追求燒結(jié)生產(chǎn)低耗、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和持續(xù)提高技術(shù)水平、技術(shù)指標(biāo)的主攻方向。

王漢飛等[18]將奧鋼聯(lián)提供的智能燒結(jié)監(jiān)控管理系統(tǒng)、生產(chǎn)組織模式、先進(jìn)工藝緊密結(jié)合到首秦?zé)Y(jié)工藝中，并得到成功應(yīng)用。左永紅[19]對(duì)燒結(jié)基礎(chǔ)自動(dòng)化合理規(guī)劃并對(duì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，充分利用各級(jí)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)并結(jié)合不同層面的需求．實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場(chǎng)層到企業(yè)管理層再到因特網(wǎng)的無縫連接，最終實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)中的智能化電氣柜、PLC、現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、變頻裝置、操作員終端等設(shè)備之間以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與企業(yè)管理系統(tǒng)之間的高效通信。程勝福等[20]采用先進(jìn)的軟件設(shè)計(jì)理論和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式，開發(fā)出具有高穩(wěn)定性、可靠性、穩(wěn)定性的大型專家系統(tǒng)：建模方面，依據(jù)燒結(jié)生產(chǎn)核心過程如配料、混合加水、物料成分平衡和機(jī)速、料層控制的特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)建立燒結(jié)配料優(yōu)化、混合加水、物料平衡、過程控制等應(yīng)用模型；硬件方面，將部署有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)采集和處理模塊、專家控制模型的模型服務(wù)器，部署有數(shù)據(jù)倉庫和大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，和包括PLC、QS、MES等外圍系統(tǒng)及輸出設(shè)備進(jìn)行有機(jī)集成。從運(yùn)行實(shí)踐看，系統(tǒng)很好地達(dá)到了復(fù)雜原料狀況下的燒結(jié)生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化，達(dá)到增產(chǎn)降耗，大幅提高燒結(jié)生產(chǎn)經(jīng)技術(shù)指標(biāo)。

2.3 球團(tuán)

球團(tuán)礦作為酸性爐料具有粒度均勻、還原性及冷態(tài)強(qiáng)度均好、便于運(yùn)輸?shù)缺姸鄡?yōu)點(diǎn)，作為高爐用料的重要補(bǔ)充在煉鐵生產(chǎn)上得到了廣泛的應(yīng)用。作為球團(tuán)生產(chǎn)主導(dǎo)工藝之一的鏈篦機(jī)—回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)工藝，其流程包括精礦配料、干燥、錕壓、生球干燥、預(yù)熱、氧化焙燒、冷卻及成品輸出等若干環(huán)節(jié)。同樣地，由于生產(chǎn)過程具有的滯后性、時(shí)變性特點(diǎn)，借助數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選、挖掘分析等得到關(guān)鍵參數(shù)及最優(yōu)配置，以及應(yīng)用信息化、智能化途徑仍是解決球團(tuán)生產(chǎn)過程控制精度難度大、產(chǎn)品質(zhì)量不確定性等的有力手段[21]。一方面，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中水分跟蹤、配料計(jì)算、烘干系統(tǒng)、熱工參數(shù)優(yōu)化、回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈、質(zhì)量預(yù)報(bào)等主要過程模塊的自動(dòng)控制；另一方面，通過PC服務(wù)器、工程師站、控制站、操作站、網(wǎng)絡(luò)等將生產(chǎn)流程各個(gè)環(huán)節(jié)串接起來，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)球團(tuán)生產(chǎn)制造的全過程自動(dòng)化、智能化控制。

3 煉鐵及重要附屬系統(tǒng)

3.1 熱風(fēng)爐

熱風(fēng)爐是一種燃燒—儲(chǔ)熱型熱交換器，作為高爐的重要附屬設(shè)備，擔(dān)負(fù)著為高爐日常冶煉輸送高溫助燃熱風(fēng)的任務(wù)。一般每座高爐配置3～4座熱風(fēng)爐，單座熱風(fēng)爐按燃燒→休止→送風(fēng)→休止→燃燒的順序進(jìn)行循環(huán)生產(chǎn)作業(yè)。在一定裝備條件下，熱風(fēng)爐的燃燒控制決定了煤氣消耗、風(fēng)溫高低及其穩(wěn)定性。為達(dá)到提高熱風(fēng)爐生產(chǎn)安全性、燃燒效率及節(jié)能降耗、改善環(huán)境效果，熱風(fēng)爐系統(tǒng)過程自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)及應(yīng)用成為技術(shù)發(fā)展方向之一。

熱風(fēng)爐燃燒過程自動(dòng)控制是以具體熱風(fēng)爐格子磚的蓄熱量能夠滿足實(shí)際熱風(fēng)溫度和流量的需求為基準(zhǔn)設(shè)定燃燒數(shù)學(xué)模型，經(jīng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算煤氣、助燃空氣流量得出最佳空燃比，取代人工經(jīng)驗(yàn)燒爐獲得最佳燃燒效果。自動(dòng)燒爐的實(shí)施過程：燃燒自動(dòng)控制以雙交叉限幅原理為基礎(chǔ)，以拱頂溫度、煙氣溫度為目標(biāo)值控制空氣、煤氣流量。經(jīng)前述模型設(shè)定空燃比，當(dāng)達(dá)到拱頂溫度設(shè)定目標(biāo)值后進(jìn)行切換，當(dāng)達(dá)到設(shè)定煙氣溫度目標(biāo)值后燃燒過程結(jié)束。熱風(fēng)爐自動(dòng)控制實(shí)施內(nèi)容包括：煤氣流量及放散、空氣流量及放散、冷風(fēng)流量、空燃比、助燃風(fēng)機(jī)連鎖控制以及過程數(shù)據(jù)收集、儲(chǔ)存、分析處理等。送風(fēng)時(shí)，混風(fēng)閥根據(jù)圍管前風(fēng)溫設(shè)定值實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制調(diào)節(jié)，確保連續(xù)、穩(wěn)定地輸出風(fēng)溫。并且，控制器具有在線編程和修改的能力。

劉芳[22]從控制系統(tǒng)、控制原理出發(fā)，概述了某頂燃式熱風(fēng)爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括儀表選型、系統(tǒng)調(diào)試、基本功能等構(gòu)成內(nèi)容。并通過該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了熱風(fēng)爐作業(yè)過程中的數(shù)據(jù)采集、處理、實(shí)時(shí)趨勢(shì)、歷史曲線及過程循序控制等功能。隨后進(jìn)行的工業(yè)化試驗(yàn)表明，應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)后在熱風(fēng)爐燃燒時(shí)同時(shí)下調(diào)了煤氣、空氣流量，拱頂在燃燒期間達(dá)到最佳溫度．并且，獲得了低于200 ℃的廢氣溫度。

3.2 高爐煤粉噴吹

高爐噴煤是節(jié)能降焦、降低生鐵冶煉成本的有效途徑，同時(shí)也是穩(wěn)定高爐操作的日常調(diào)劑手段。高爐冶煉是一個(gè)高度復(fù)雜的多變量、大慣性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，大噴煤條件下，風(fēng)溫、風(fēng)量、富氧率、壓差等高爐冶煉參數(shù)與爐況順行程度相關(guān)性增強(qiáng)。因此，僅憑借高爐操作者的經(jīng)驗(yàn)建立、優(yōu)化操作模式，確定最優(yōu)噴煤量是主觀的、粗糙的和難以更新的。

模糊推理是規(guī)則挖掘的最有效方法之一，這為描述和處理具有模糊性、不確定性等特征客觀現(xiàn)象時(shí)模擬人的邏輯思維功能提供了強(qiáng)有力的工具。利用該方法建立T～S模糊模型對(duì)于高爐冶煉過程控制的積極意義在于[23～24]：通過從現(xiàn)場(chǎng)積累的大量生產(chǎn)過程歷史數(shù)據(jù)中挖掘出包括各個(gè)冶煉參數(shù)相互關(guān)系、成功優(yōu)化操作模式等具有實(shí)際意義的知識(shí)，在不改變高爐工藝流程、不增加生產(chǎn)設(shè)備基礎(chǔ)上，當(dāng)系統(tǒng)變量（冶煉參數(shù)及其相關(guān)衍生參數(shù)）發(fā)生變化時(shí)，通過全面數(shù)據(jù)的采集、挖掘進(jìn)行分析匹配，利用分析得到的信息，調(diào)整工藝參數(shù)，使系統(tǒng)始終處于優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)高爐冶煉生產(chǎn)過程操作、控制、決策優(yōu)化。

崔桂梅等[25]針對(duì)高爐冶煉過程中參數(shù)、指標(biāo)波動(dòng)較大及噴煤量建模困難的特點(diǎn)，在分析高爐噴煤機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出了將操作模式匹配應(yīng)用到高爐噴煤的方法。簡述為：以已知的高爐具體生產(chǎn)參數(shù)為條件，以高爐噴煤量為研究對(duì)象，以高爐運(yùn)行的歷史海量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)鐵水w（[Si]）建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型[26]，對(duì)噴煤量操作模式進(jìn)行智能匹配[27]。其流程為：預(yù)測(cè)當(dāng)前鐵水[Si]含量→基于專家標(biāo)準(zhǔn)挑選出優(yōu)良模式集→采用模糊均值聚類方法進(jìn)行分類→操作模式庫中尋出與當(dāng)前輸入條件距離最小的操作模式→模式匹配完成，實(shí)現(xiàn)噴煤過程優(yōu)化控制。相比采用遍歷搜索合適操作模式的方法，該法減少了由參數(shù)波動(dòng)、人為因素引起的不穩(wěn)定，更兼具匹配速度和精度的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)高爐冶煉噴煤過程具有很好的指導(dǎo)作用。

劉祥官等[28]、崔桂梅等[29]從高爐工藝機(jī)理分析出發(fā)，以高爐生產(chǎn)多年海量歷史數(shù)據(jù)為樣本，借助于數(shù)據(jù)挖掘篩選出的優(yōu)化數(shù)據(jù)樣本，運(yùn)用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模技術(shù)分別建立高爐噴煤T～S模糊模型及基于T～S模糊模型的高爐噴煤決策模型，自動(dòng)從歷史記錄中得出高爐冶煉成功噴煤的優(yōu)化操作規(guī)則、模式，建立起操作模式、生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、能耗之間的有機(jī)聯(lián)系，基本消除高爐冶煉過程中各類因素對(duì)冶煉結(jié)果的影響，一定程度上提高了現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)操作、決策的效果，達(dá)到實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴煤、節(jié)能降耗的目的。

3.3 高爐冶煉專家系統(tǒng)

在整個(gè)鋼鐵產(chǎn)業(yè)中，煉鐵系統(tǒng)是能耗占比最大的工序，其能耗約占產(chǎn)業(yè)總能耗的70 %，而作為煉鐵核心的高爐冶煉過程占比高達(dá)50 %。因此，實(shí)現(xiàn)高爐煉鐵過程自動(dòng)化控制、持續(xù)優(yōu)化高爐冶煉精準(zhǔn)化操作模式，是整個(gè)鋼鐵產(chǎn)業(yè)節(jié)能降耗的關(guān)鍵。高爐冶煉過程作為具有大規(guī)模連續(xù)性生產(chǎn)、生產(chǎn)冶煉過程中物質(zhì)三相狀態(tài)同時(shí)存在且相互間持續(xù)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)等極其復(fù)雜特征的工業(yè)對(duì)象，具有非線性、分布參數(shù)、強(qiáng)烈的隨機(jī)性等特性[30]。因此，要提高高爐冶煉過程自動(dòng)化控制水平，需要“新的建模和控制的原理和技術(shù)”，包含硅預(yù)測(cè)模型、鐵水質(zhì)量優(yōu)化模型直至高爐冶煉專家系統(tǒng)在領(lǐng)域內(nèi)得到越來越廣泛的關(guān)注、研究及應(yīng)用。

3.3.1 高爐專家系統(tǒng)研究發(fā)展概況

如前述，高爐冶煉過程的極其復(fù)雜性，再加上目前所有原燃料的冶金特性并未被完全掌握，這就使得整個(gè)高爐冶煉過程往往并不平穩(wěn)。高爐操作者要實(shí)現(xiàn)對(duì)冶煉過程進(jìn)行恰當(dāng)而精準(zhǔn)的控制，不僅需要對(duì)當(dāng)前爐溫進(jìn)行客觀的分析，還要結(jié)合對(duì)爐溫在未來一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì)的認(rèn)識(shí)，更要充分考慮周全實(shí)時(shí)出現(xiàn)的影響因素及采取各種調(diào)劑手段對(duì)過程的綜合作用（并非多因素的簡單加權(quán)體現(xiàn)）。顯然，由于不同高爐操作者個(gè)體對(duì)冶煉過程主觀上存在的不同認(rèn)知差異，僅僅憑借操作者的經(jīng)驗(yàn)，做好高爐冶煉三班連續(xù)科學(xué)統(tǒng)一的穩(wěn)定生產(chǎn)是極具難度的。隨著計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、信息化技術(shù)的快速發(fā)展以及冶金工作者對(duì)高爐數(shù)學(xué)模型研究的不斷深入，利用高爐冶煉專家系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用對(duì)高爐冶煉過程進(jìn)行智能控制，成為實(shí)現(xiàn)高爐冶煉過程自動(dòng)化的一條根本途徑。

應(yīng)用不同的技術(shù)和方法，可以設(shè)計(jì)、開發(fā)得到各自的專家系統(tǒng)，但總體上，專家系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是一致的，即：圍繞實(shí)現(xiàn)高爐冶煉過程“優(yōu)質(zhì)、低耗、穩(wěn)定、均衡、安全、長壽”目標(biāo)，建立多目標(biāo)系統(tǒng)優(yōu)化模型，求解出冶煉過程中關(guān)鍵參數(shù)的最佳范圍和最佳結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)高爐工藝參數(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化。從處理方式、流程看：一是建立高爐爐況診斷模型；二是利用建立的模型，為出現(xiàn)的異常爐況提供解決方案；三是給出診斷結(jié)果、解決方案的原因分析；四是進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)冶煉進(jìn)程控制的閉環(huán)。從功能的實(shí)現(xiàn)、效果體現(xiàn)看，高爐專家系統(tǒng)發(fā)展依次經(jīng)歷三個(gè)類型的變化：預(yù)警和預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)→咨詢型專家系統(tǒng)→閉環(huán)（半閉環(huán)）專家系統(tǒng)。第一類專家系統(tǒng)利用高爐生產(chǎn)的各種累積數(shù)據(jù)建立，所用模型具有診斷作用，并能預(yù)測(cè)諸如爐熱、爐涼、爐墻結(jié)厚、氣流失常等異常爐況的發(fā)生，這為高爐操作者提供了較為全面的數(shù)據(jù)信息；第二類專家系統(tǒng)和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)診斷、預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上能夠?yàn)楦郀t操作者提供即時(shí)建議，目前在國內(nèi)仍屬于主流階段；第三類專家系統(tǒng)集合了多個(gè)數(shù)學(xué)模型、操作經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)，使得部分高爐操作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)糾正、控制成為可能，并且能夠較大幅度的提高高爐能量利用率，降低能耗。目前具有代表性的為奧鋼聯(lián)專家系統(tǒng)。在信息化技術(shù)飛速發(fā)展的今天，加大對(duì)第三類專家系統(tǒng)的研究及應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)高爐智能化控制的發(fā)展方向。

從工藝和數(shù)學(xué)的角度，高爐冶煉過程專家系統(tǒng)的模型分為機(jī)理模型、推理模型、系統(tǒng)優(yōu)化模型和爐溫預(yù)測(cè)控制模型。其中，包含布料、配料計(jì)算、爐熱指數(shù)、爐缸侵蝕模擬等十余種模型的機(jī)理模型既是專家系統(tǒng)的基本模型，也是其他模型的基礎(chǔ)。各種機(jī)理模型從高爐冶煉過程的不同角度反映高爐冶煉規(guī)律，而高爐操作者通過具體的機(jī)理模型實(shí)現(xiàn)煉鐵的不同生產(chǎn)任務(wù)和目標(biāo)。因此，可以說數(shù)學(xué)模型在高爐專家系統(tǒng)中居于核心位置，同時(shí)新的數(shù)學(xué)模型也不斷的被學(xué)者們應(yīng)用到專家系統(tǒng)中。在高溫、高壓且全密閉的高爐冶煉條件下，爐內(nèi)過程的眾多工藝變量分布情況很難被檢測(cè)出及進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬。為更加清楚地弄清高爐爐內(nèi)冶煉過程中三相流體運(yùn)動(dòng)及其相互間反應(yīng)，畢學(xué)工[31]將機(jī)理模型從一維、二維研究拓展到了對(duì)三維的研究，從穩(wěn)態(tài)模型發(fā)展到了非穩(wěn)態(tài)模型，并進(jìn)行了專題論述；儲(chǔ)滿生等[32]根據(jù)對(duì)高爐內(nèi)傳輸現(xiàn)象描述方法的不同，將機(jī)理模型分為熱化學(xué)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和平衡理論模型；郜傳厚等[26]深入研究了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)理模型，并將其應(yīng)用于爐溫的精確預(yù)測(cè)及控制。

高爐鐵水w（[Si]）及其穩(wěn)定性是衡量高爐冶煉、操作水平的重要標(biāo)志，高爐日常生產(chǎn)中控制鐵水w（[Si]）的過程也就是控制高爐冶煉行程的過程。因此，實(shí)現(xiàn)鐵水w（[Si]）的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制是最終達(dá)到高爐冶煉過程自動(dòng)化的重要環(huán)節(jié)。爐溫預(yù)測(cè)控制模型體現(xiàn)了預(yù)測(cè)和控制兩個(gè)部分的作用，其精度預(yù)測(cè)效果也成為評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)水平的一個(gè)重要指標(biāo)。本文重點(diǎn)概述在專家系統(tǒng)中居于核心地位的硅預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型研究及進(jìn)展。

3.3.2 硅控制概況及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型的相關(guān)研究及進(jìn)展

3.3.2.1 硅控制概況

高爐冶煉的最終目的是為煉鋼盡可能地提供優(yōu)質(zhì)而穩(wěn)定的鐵水，同時(shí)通過持續(xù)優(yōu)化冶煉參數(shù)、提升操作水平持續(xù)改善指標(biāo)、降低制備成本。對(duì)高爐操作而言，爐溫的預(yù)測(cè)和控制是其日常冶煉核心內(nèi)容。由于高爐冶煉是典型的復(fù)雜工業(yè)控制過程，而依據(jù)冶煉基礎(chǔ)理論、機(jī)理分析只能對(duì)冶煉行程控制進(jìn)行定性的、宏觀的指導(dǎo)作用。并且，長期以來由于測(cè)量儀表的精度、穩(wěn)定性尤其是信息處理能力的不足，因此在高爐日常冶煉生產(chǎn)過程中，高爐操作者通常根據(jù)長期生產(chǎn)實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)（操作模式）結(jié)合簡單（局部）計(jì)算進(jìn)行決策和操作，缺乏對(duì)各個(gè)直接和間接工藝參數(shù)之間影響關(guān)系的在線計(jì)算及系統(tǒng)過程分析。甚至，在進(jìn)一步提升經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的過程中更多的是依靠經(jīng)驗(yàn)甚至是隨其自然的方法，這使得高爐冶煉過程中能源和資源消耗更多是處于一種“看菜吃飯、摸索調(diào)整、自然生成”的狀態(tài)。

鐵水主要質(zhì)量指標(biāo)為硅（[S i]）、磷（[P]）、硫（[S]）以及鐵水溫度（物理指標(biāo)），質(zhì)量指標(biāo)與冶煉參數(shù)、操作方針等控制過程密切相關(guān)，冶煉控制參數(shù)包括料批、料線、布料矩陣、風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)溫、頂壓、爐體溫度、煤氣及渣鐵理化性能、成分分析等依靠儀器儀表直接測(cè)得的直接參數(shù)；以及依據(jù)高爐冶煉工藝機(jī)理計(jì)算得到透氣性、鼓風(fēng)動(dòng)能、理論燃燒溫度、爐腹煤氣量、透氣性阻力系數(shù)、爐腹煤氣指數(shù)、邊緣及中心發(fā)展指數(shù)等間接衍生參數(shù)。日常高爐生產(chǎn)操作調(diào)劑中，操作者圍繞質(zhì)量、指標(biāo)目標(biāo)通過變更上述上部、下部控制參數(shù)對(duì)爐況進(jìn)行調(diào)整，最終體現(xiàn)為穩(wěn)定和優(yōu)質(zhì)的鐵水質(zhì)量、好的煤氣利用率和低的消耗。因此，改善并獲得穩(wěn)定鐵水質(zhì)量指標(biāo)的過程也就是采取有效方法、手段優(yōu)化控制冶煉的過程。在高爐鐵水質(zhì)量參數(shù)建模中，通常為，以上部制度為邊界，考慮送風(fēng)、燃料噴吹系統(tǒng)兩部分的參數(shù)。

3.3.2.2硅預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型的相關(guān)研究及進(jìn)展

如前述，高爐冶煉過程具有多相復(fù)雜物理化學(xué)變化、多場(chǎng)耦合嚴(yán)重、強(qiáng)非線性、時(shí)變形等特點(diǎn)，而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，鐵水中[Si]、[S]、[P]含量及鐵水溫度等關(guān)鍵指標(biāo)又存在難以實(shí)現(xiàn)直接在線檢測(cè)，離線化驗(yàn)滯后嚴(yán)重的情況。并且，在預(yù)測(cè)過程中，受高爐冶煉行程決定及受多種實(shí)時(shí)可變因素影響，各調(diào)劑變量在發(fā)生作用時(shí)對(duì)終點(diǎn)w（[Si]）的影響同樣具有滯后性，這都導(dǎo)致機(jī)理模型不易建立。為了對(duì)[Si]含量進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)及對(duì)所建模型精確度進(jìn)行評(píng)估。眾多學(xué)者利用不同的方法和評(píng)價(jià)手段開展工作。

馮婷[33]采前幾爐次的數(shù)據(jù)作為當(dāng)前爐次的重要參考，采用自相關(guān)系數(shù)法確定各影響變量對(duì)w（[Si]）時(shí)滯的大小，為增強(qiáng)預(yù)測(cè)精度提供基礎(chǔ)；GOOD R P等[34]利用影響鐵水質(zhì)量的各因素間強(qiáng)相關(guān)性，采用主成分分析方法確定影響鐵水[Si]、[P]、[S]和[C]的最關(guān)鍵參數(shù)。從而降低模型復(fù)雜度，提高建模的準(zhǔn)確率、效率。此外，Chuanhou Gao等[35]采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)針對(duì)復(fù)雜工業(yè)過程進(jìn)行機(jī)理建模的方式受到了越來越廣泛的關(guān)注；部分國外學(xué)者建立了周期性鐵水[Si]含量預(yù)測(cè)的離散時(shí)間序列模型，為提高模型的估計(jì)性能，對(duì)模型的線性與非線性部分分別處理；陳建等[36]采用直接檢測(cè)得到的風(fēng)壓、風(fēng)量、風(fēng)溫及簡單計(jì)算得到的透氣性等10個(gè)冶煉因素對(duì)鐵水[Si]含量進(jìn)行預(yù)報(bào)，并通過在模型中引入滑動(dòng)窗口對(duì)訓(xùn)練樣本進(jìn)行更新等。均收得較好建模及應(yīng)用效果。

在模型進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)方面，周平等[37]針對(duì)高爐煉鐵過程上述特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)高爐鐵水[Si]等成分指標(biāo)在線估計(jì)，建立了基于精度綜合評(píng)價(jià)與遺傳參數(shù)優(yōu)化的鐵水質(zhì)量（MIQ）多輸出支持向量回歸（M-SVR）動(dòng)態(tài)模型，并從模型估計(jì)趨勢(shì)、估計(jì)誤差等方面對(duì)建模進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，進(jìn)一步地，為獲得具有最優(yōu)參數(shù)的M-SVR動(dòng)態(tài)模型，采用遺傳算法對(duì)M-SVR的伸縮向量和懲罰因子參數(shù)進(jìn)行了全局尋優(yōu)。在某高爐進(jìn)行的工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，所得模型能夠根據(jù)實(shí)時(shí)輸入數(shù)據(jù)的變化對(duì)多元鐵水質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)，達(dá)到預(yù)期效果。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步和數(shù)學(xué)模型研究的深入，越來越多的方法應(yīng)用于數(shù)學(xué)模型建模、模型精度的提升及評(píng)價(jià)工作。Ilkay Saracoglu等[38]根據(jù)達(dá)爾文進(jìn)化論中的“生存競爭”和“優(yōu)勝劣汰”原則，將遺傳算法（GA）應(yīng)用到w（[Si]）預(yù)測(cè)模型；TANG Xianlun等[39]將遺傳算法（GA）與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，得到的w（[Si]）估計(jì)精度近似一階自回歸模型預(yù)測(cè)結(jié)果。潘偉等[40]為更好地量化反映高爐數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，經(jīng)過假設(shè)檢驗(yàn)，證實(shí)了高爐鐵水[Si]質(zhì)量分?jǐn)?shù)序列同時(shí)存在異方差性和非對(duì)稱性兩種特性，并在此基礎(chǔ)上建立了爐溫預(yù)測(cè)模型；潘偉[41]在前人研究基礎(chǔ)上，分別建立了基于高斯子過程和魯棒高斯過程的爐溫預(yù)測(cè)模型，模型通過協(xié)方差函數(shù)與協(xié)方差矩陣將冶煉過程的過去狀態(tài)與未來狀態(tài)進(jìn)行聯(lián)系，為爐溫預(yù)測(cè)模型建立提供更有效的基礎(chǔ)方法及思路；潘偉[40]以國內(nèi)較典型大型高爐在線采集的冶煉過程數(shù)據(jù)為對(duì)象，利用高斯過程模型對(duì)高爐冶煉過程中爐溫預(yù)測(cè)、噪聲模型、爐溫變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)等進(jìn)行研究，對(duì)基礎(chǔ)模型預(yù)測(cè)的殘差序列再建模，并使用高斯過程模型對(duì)殘差序列建模，利用大型高爐實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真研究，改進(jìn)了模型精度和預(yù)測(cè)結(jié)果。

機(jī)器學(xué)習(xí)作為近年來興起的一門多領(lǐng)域交叉學(xué)科，在高爐煉鐵過程建模方面得到了成功應(yīng)用。崔桂梅等[42]利用支持向量機(jī)方法對(duì)輸入變量和鐵水[Si]質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系建立高爐爐溫變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型，得到了對(duì)下一爐爐溫的趨勢(shì)發(fā)展預(yù)測(cè)結(jié)果；Manin R D等[43]通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)高爐冶煉過程進(jìn)行建模，以及將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于高爐鐵水[Si]質(zhì)量分?jǐn)?shù)預(yù)測(cè)，在多座高爐應(yīng)用得到了較好的預(yù)測(cè)效果；劉祥官等[44]開展了基于模糊數(shù)學(xué)的模糊模型、偏最小二乘模型等其他一些模型的研究，從不同數(shù)學(xué)角度對(duì)高爐實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù)迸行了數(shù)據(jù)挖掘并建立相應(yīng)模型，為解決基于模型得到的預(yù)測(cè)值進(jìn)行可信度分析及對(duì)高爐系統(tǒng)的噪聲形態(tài)進(jìn)行研究。此外，TANG Xian-lun等[45]基于混沌粒子群優(yōu)化支持向量機(jī)建立了穩(wěn)定性較強(qiáng)的鐵水[Si]含量預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)絕對(duì)誤差小于0.03的樣本數(shù)占總樣本數(shù)的比例達(dá)到90 %以上。

此外，劉祥官[46]建立了反映高爐冶煉過程的多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，可以使用樣本空間模型算法求出，從而得到最佳爐溫與最佳控制參數(shù)的范圍。趙敏[47]建立了基于熱傳導(dǎo)方程的爐缸侵蝕模擬模型，并采用有限差分的方法估計(jì)爐缸的侵蝕狀況，給出相應(yīng)的等溫線。這種模擬模型有助于維護(hù)爐缸的設(shè)備安全運(yùn)行，是設(shè)備安全運(yùn)行監(jiān)控的數(shù)學(xué)模型。

3.4 高爐爐前工作概述及其智能化進(jìn)展

高爐爐前崗位擔(dān)任著及時(shí)排盡冶煉過程結(jié)束產(chǎn)生的大量渣鐵的任務(wù)，開、封鐵口是經(jīng)常性操作，即時(shí)、高效進(jìn)行加裝炮泥、換釬作業(yè)是是滿足高爐高冶煉強(qiáng)度生產(chǎn)的核心要求之一。其崗位特點(diǎn)是：作業(yè)環(huán)境惡劣；人機(jī)結(jié)合頻率很高，屬于典型的重復(fù)性重體力勞動(dòng)，又存在很大機(jī)械傷人、灼傷、輻射傷等安全風(fēng)險(xiǎn)因素。從作業(yè)系統(tǒng)的安全性、流程穩(wěn)定性、運(yùn)行成本出發(fā)，在爐前實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加炮泥、自動(dòng)換釬等高度自動(dòng)化作業(yè)具有積極意義。

隨著計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化技術(shù)、電磁導(dǎo)航技術(shù)的進(jìn)步，這使得將具有的良好目標(biāo)識(shí)別及環(huán)境適應(yīng)能力的AGV系統(tǒng)（無人搬運(yùn)車）應(yīng)用于高爐爐前復(fù)雜環(huán)境實(shí)現(xiàn)裝泥、換釬自動(dòng)化作業(yè)成為現(xiàn)實(shí)。孫帥等[48]設(shè)計(jì)了一種基于灰度傳感器的AGV差速調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理，并通過無線通訊實(shí)現(xiàn)了小車自動(dòng)上下樓梯、自動(dòng)運(yùn)行并合理避障等功能；李曉輝[57]給出了利用自動(dòng)化控制系統(tǒng)使自動(dòng)換釬、自動(dòng)加炮泥裝置作業(yè)的功能描述和流程化方案。自動(dòng)加泥系統(tǒng)組成為：裝載機(jī)器人、多功能夾具、AGV小車、炮泥載具、視覺定位系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)；作業(yè)流程為：AGV小車自動(dòng)取泥→無人運(yùn)輸→小車達(dá)到泥位→自動(dòng)裝泥（機(jī)器手自動(dòng)進(jìn)行壓炮動(dòng)作、裝滿判斷）→裝泥完畢→AGV小車及機(jī)械手自動(dòng)歸位。過程中出現(xiàn)炮泥不足情況時(shí)，AGV小車可自動(dòng)補(bǔ)泥；炮泥填裝時(shí)間可調(diào)至滿足爐前生產(chǎn)的需求為準(zhǔn)；系統(tǒng)具有遙控、現(xiàn)場(chǎng)控制、控制室控制等功能。自動(dòng)換釬系統(tǒng)組成為：換釬機(jī)構(gòu)、行走軌道、釬架及電控系統(tǒng)。作業(yè)流程：機(jī)械手抓住開口機(jī)上鉆桿→開鐵口機(jī)動(dòng)作→拆卸鉆桿→機(jī)械手移動(dòng)抓取待換鉆桿→將鉆桿移到換釬位→開鐵口機(jī)動(dòng)作→安裝鉆桿→機(jī)械手歸位。自動(dòng)換釬設(shè)施自帶釬架可放置兩種規(guī)格各15根以上的鉆桿，自動(dòng)換釬機(jī)可根據(jù)需要自動(dòng)選取釬架上的釬具，可實(shí)現(xiàn)電、液驅(qū)動(dòng)。賈祥瑞[49]設(shè)計(jì)了爐前泥炮自動(dòng)加裝炮泥、開口機(jī)自動(dòng)換釬工作具體控制方案，核心內(nèi)容包括：AGV小車作業(yè)無人化；引入視覺導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)從炮泥框架取、還炮泥工作；利用視覺定位系統(tǒng)準(zhǔn)確定位換釬裝置；將無線通信技術(shù)應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備。首次在高爐爐前實(shí)現(xiàn)開口機(jī)換釬、泥炮加炮泥工作無人化應(yīng)用。

4 結(jié)語

近年來，我國鋼鐵行業(yè)呈現(xiàn)總體經(jīng)濟(jì)效益下滑趨勢(shì)，分析為一定程度上存在的產(chǎn)業(yè)集約化程度低、能源和資源消耗大、自主創(chuàng)新能力弱等是其主因之一。和國外發(fā)達(dá)鋼企相比，這種差距主要體現(xiàn)在生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)、流程信息化水平等方面。將快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)、信息化技術(shù)與傳統(tǒng)鋼鐵生產(chǎn)工藝相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)鐵前工序智能化升級(jí)成為提升效率與產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、增強(qiáng)競爭力的必經(jīng)之路和最有效途徑之一。在國內(nèi)眾多學(xué)者和鋼鐵企業(yè)多年努力之下，無人化料場(chǎng)、無人化天車、自動(dòng)燒爐、自動(dòng)裝泥等一批智能化新技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐并取得良好的安全、技術(shù)指標(biāo)和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。尤其是，不斷通過新的技術(shù)和方法建立新的控制精度和實(shí)用性俱佳的高爐冶煉數(shù)學(xué)模型來揭示高爐本體內(nèi)復(fù)雜的物理化學(xué)變化規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)高爐冶煉過程、冶煉技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的持續(xù)優(yōu)化、發(fā)揮產(chǎn)能規(guī)模效應(yīng)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。