冶煉廠生產過程中的自動化控制設計及節(jié)能措施分析

陸永軍

（甘肅酒鋼集團宏興鋼鐵股份有限公司不銹鋼分公司，甘肅 嘉峪關 735100）

近年來，隨著我國科技實力不斷提升，以冶金工業(yè)為代表的高耗能傳統(tǒng)工業(yè)類型正面臨著轉型的迫切需要，以此更好地平衡市場需求與“資源”“環(huán)?！薄俺杀尽敝g的沖突問題。面對這一情況，冶煉廠需要積極尋求新型生產技術，從而解決以軋制工序為代表的能源消耗不合理現象，更好地提高自身企業(yè)綜合實力，為國家經濟建設活動提供更多支持與助力。

1 冶煉廠生產過程中的主要耗能環(huán)節(jié)

1.1 金屬煉制環(huán)節(jié)

在冶煉廠的完整生產流程當中，僅僅“冶金”一道工序便幾乎占據了總耗能情況的35%左右，因此可以說是現階段冶煉廠技術革新工作中的關注焦點之一。傳統(tǒng)的冶金工序需要經歷“焦爐”與“高爐”等兩道煉制環(huán)節(jié)，于是人們基于對能源合理利用的工作要求，對這兩道工序進行了相應的改進。例如在焦爐生產過程中，人們先后研發(fā)出了干熄焦法等工藝，并配合燃料干燥技術顯著提高了能源使用效率；而在高爐生產環(huán)節(jié)，人們主要是針對能源的循環(huán)利用視角，研發(fā)了燃氣余壓發(fā)電、熱風爐余熱回收、干式除塵等具體技術來實現減少能源損耗，并提高金屬冶煉工作效率的目的[1]。

1.2 冶金環(huán)節(jié)

冶金同樣是冶煉廠生產過程中的主要能源損耗環(huán)節(jié)，針對其在以往生產過程中存在的問題，人們先后研發(fā)出了平爐冶金、精煉環(huán)節(jié)、連鑄技術等新型工藝，并配合廢廢物料的預熱、轉爐燃氣回收、廢渣熱能回收、電爐二次燃燒等余能回收技術，雖然在一定程度上緩解傳統(tǒng)工藝存在的高耗能現象，但是由于人為控制不夠精確等因素的存在，依舊無法保障節(jié)能效果達到理想狀態(tài)。

1.3 金屬的軋制環(huán)節(jié)

冶煉生產過程中的主要成本費用幾乎都集中在軋制環(huán)節(jié)，并涉及到冷軋、胚料加熱、退火、熱軋等高耗能工藝，因此在這一階段所產生的能源成本占據了金屬加工總成本的65%～70%，可以說是當前冶煉廠實施節(jié)能生產的關鍵之處。而現階段人們對于軋鋼節(jié)能生產技術的研發(fā)主要側重于通過合理的計算爐內溫度以及熱回收技術來減少軋制時間從而實現減少能源消耗的目的，因此在實際生產階段通常也較為依賴計算機自動控制的精確計算，從而實現對能源利用效率的最大化[2]。

2 基于物聯網部署的冶煉工業(yè)爐

通過對以上生產環(huán)節(jié)中的節(jié)能技術分析可以發(fā)現，現階段國內技術的研發(fā)方向主要集中于對物理能與化學能的回收利用，從而實現在冶金生產過程中，高度精確的控制其能源損耗問題。因此基于物聯網部署的冶煉工業(yè)爐實質上是一種以環(huán)境傳感器為主要核心部件的冶金生產系統(tǒng)，通過工業(yè)物聯網對其生產流程的全面覆蓋，實現對生產全過程所產生的各項物理數據進行采集以及監(jiān)測，并基于中樞控制系統(tǒng)的統(tǒng)籌部署，來實現對整個生產系統(tǒng)各個子單元設備的精確控制。據試驗成果顯示，經過物聯網實施覆蓋后的冶金生產系統(tǒng)，以其水泵、電機、壓縮機、風機等各項子單元電氣設備總耗能為1.6億kW為標準，可以有效節(jié)省其能源損耗率10%～15%；而在更換新型節(jié)能設備的基礎上，可以將此數據再度上調2%～3%；輔助新型冶金自動化技術之后，該數據可再度提高5%～8%[3]。

但在實際生產過程中，由于物聯網系統(tǒng)的工作原理主要依靠數據采集而進行系統(tǒng)的全面控制，因此設計前期需要重點關注以下問題：①傳感器覆蓋范圍內需要確?？臻g開闊，避免存在障礙物而影響到傳感器的數據采集與監(jiān)測功能；②數據采集端需要保證各個基礎傳感器具有相同的感應半徑與網絡通訊半徑，以保證均勻覆蓋工作區(qū)域，不會產生數據遺漏現象。具體而言，即要求以傳感器自身感應半徑為中心，每一個圓形測控區(qū)間為O（x，rs），其通訊區(qū)間也需要保證為O（x，rs）；③對傳感器組成區(qū)域連通網絡進行優(yōu)化處理，確保各個子單元與中樞系統(tǒng)之間的工作暢通。

3 以物聯網為核心的冶金生產自控節(jié)能設計

3.1 風機自動化控制設計

風機是冶金過程中的重要機電設備，通過合理控制風壓強度，可以有效調控生產過程中的煤熱比例問題，從而在滿足生產需求的同時，有效降低機組的能耗、電耗問題。因此在物聯網視域下，工作人員可以通過風壓設定的方式，來對風門施加相應荷載，以此控制其具體開度，從而實現合理控制能源供給與機組生產溫度之間的比例關系。為了更好實現這一目的，工作人員需要基于不同冶煉情況下對于爐內溫度與冶煉時長的相關需求，來縝密計算風壓強度與工業(yè)爐內燃燒效果之間的平衡關系，從而通過初試設定來精確控制系統(tǒng)中心根據傳感器網絡反饋回來的相關信號實施數據控制[4]。

3.2 爐排繪制的參數化程序設計

爐排繪制是冶煉廠自動生產過程中的一項關鍵環(huán)節(jié)，由于涉及到的操作環(huán)節(jié)復雜，并且精確度要求極高，因此工作人員可以采用CAD系統(tǒng)來簡化其設計流程，并提高初始參數設計的準確性。爐排繪制的初始參數主要服務于今后工作人員的菜單操控，因此關于爐排的單位標準可以以6噸為界限，并根據機組工作過程中根據爐排片數、位置、起點、傾角等相關數據來設計爐排尺寸與間距相隔。隨后利用AutoLISP軟件，在圖紙的指定位置插入爐排圖像，并根據設計需求在對話框內輸入爐排的具體間隔、數量，從而可以有效避免干擾因素，自動根據合理方案來生成水平排列的爐排列陣。

3.3 爐墻繪制的參數化程序設計

爐墻繪制程序同樣基于CAD技術來實現，其在實際工作過程中可以首先將不同類型的爐墻參數輸入到系統(tǒng)當中，然后自動生產相關的爐墻模型。隨后工作人員在進行參數設置的過程中可以通過點擊不同的爐墻類型，來自動生產相應的幻燈片，通過模擬機組系統(tǒng)的工作效果來幫助工作人員選擇并調控爐墻結構尺寸。

4 冶煉廠自動化技術節(jié)能實踐效果

4.1 高爐生產控制

高爐生產控制主要是通過傳感裝置對其工作系數的感應，使系統(tǒng)中樞能夠自動對燃料供給與風機工作效率進行操控，從而有效實現節(jié)約能源的目的。通過物聯網技術對某容積為1000立方的高爐進行控制，可以有效根據傳感器網絡反饋回來的溫度參數來對風門開度、燃料供給進行控制，在系統(tǒng)預設的生產系數下不僅有效減少了冶金過程中出現廢品的幾率，同時還能夠保證能源供應的合理化，減少了1%～3%的能源使用情況，合計一年約節(jié)省4000噸燃料。不僅實現了節(jié)能目的，也在保證生產質量的前提下降低了原材料成本。

在實際生產過程中，該環(huán)節(jié)還可以通過對多相流煤粉檢測技術，來實現對煤氣的回收與循環(huán)利用，如此不僅能夠對煤塊燃料進行二次利用，也可以有效保證金屬冶煉過程中的生產溫度。具體操作可以采用鎳鉻一鎳硅熱電偶對爐內溫度進行實時監(jiān)控，然后結合余壓放電來控制煤氣釋放的穩(wěn)定性與燃燒強度，以此保證設備的安全穩(wěn)定運行。

4.2 電爐生產控制

電爐生產控制是在進行生產作業(yè)之前，由人工在操作面板上設置生產批次當中的材料重量與規(guī)格，然后由電爐電極微控程序進行統(tǒng)一控制，合理安排電爐的功率輸出及作業(yè)時長，如此不僅能夠實現節(jié)能目的，也可以更加合理的規(guī)劃生產材料使用情況。相較于傳統(tǒng)生產模式，這種技術可以有效提升15%～20%的生產效率，并減少電路工作期間3%～14%的能源數損耗。此外在傳統(tǒng)的冶金流水線中常常會用到沖渣水泵、轉爐排煙機、皮帶運輸機、高爐除塵風機等高耗能設備，這些電氣設備通常都會具有周期性的耗能負荷特點。針對這一特點，人們可以采用交流變頻等自動化調控技術，進一步在已有基礎上繼續(xù)節(jié)省20%～40%的電能。

4.3 金屬軋制加熱爐生產控制

金屬軋制加熱爐控制是較為典型的數字化模型與智能調控技術的應用代表，其通過傳感網絡對于工作過程中的各項工作數據采集，來靈活的向水平與縱向系統(tǒng)進行拓展，并根據上位機所發(fā)出的具體指令來調控自身工作參數，從而實現了對整個生產過程進行精細化控制，不僅能夠有效提高生產加工效率，也使得機組各項生產參數誤差被縮小到0.6%以內。據實際工作數據測量現實，在該項技術調控下，加熱爐內的恒溫誤差可以控制在5攝氏度，并且燃料燃燒過程中會自動感應并調節(jié)爐內空氣比例，不僅確保天然氣的充分燃燒，還能夠節(jié)省4%左右的能源使用情況。

5 結語

綜上所述，本文首先分析了傳統(tǒng)冶金工業(yè)中主要產生能源損耗的相關環(huán)節(jié)，進而對基于物聯網技術下的自動化工業(yè)生產模式進行了解讀，并提出其設計構想，最后以實踐生產應用為例，詳細介紹了實際生產過程中的技能技術與措施，希望能夠有效推動當前冶煉廠的生產模式轉型。