高爐爐前數(shù)字化生產(chǎn)管理系統(tǒng)的優(yōu)勢

供稿|王敏，任榮霞 / WANG Min, REN Rong-xia

內(nèi)容導(dǎo)讀

高爐爐前工作環(huán)境是高爐生產(chǎn)最重要的場所，也是高爐生產(chǎn)勞動強度最大的場所，爐前工作需要完成出渣、出鐵操作、控制鐵水罐的鐵水裝入量，完成鐵溝耐材的管理、修砌，并負(fù)責(zé)與爐內(nèi)操作人員完成必要的通信聯(lián)絡(luò)，文章通過對爐前生產(chǎn)管理各個環(huán)節(jié)深入研究，通過增加靜態(tài)電子軌道衡、鐵水罐紅外熱像儀、鐵水罐號自動識別儀器等措施，建立了數(shù)字化生產(chǎn)管理系統(tǒng)，對提高高爐爐前生產(chǎn)效率，提高數(shù)據(jù)統(tǒng)計的準(zhǔn)確性，降低爐前操作人員勞動強度，提升管理的自動化水平，具有非常重要的意義。

鋼鐵廠是典型的流程制造業(yè)，而高爐生產(chǎn)是鋼鐵廠的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)。隨著大型高爐的發(fā)展，近年來，通過煉鐵工作者的不懈努力，中國在大型高爐生產(chǎn)管理和操控技術(shù)等方面取得了突出的成績和效果，并且專家系統(tǒng)已在冶金工業(yè)生產(chǎn)中獲得十分普遍的應(yīng)用。但是，目前高爐專家系統(tǒng)的應(yīng)用多集中于高爐爐內(nèi)生產(chǎn)的管理，對高爐爐前生產(chǎn)管理的自動化、數(shù)字化則重視不夠，作者根據(jù)多年從事煉鐵工藝設(shè)計的經(jīng)驗，設(shè)計了高爐爐前數(shù)字化生產(chǎn)管理系統(tǒng)，為煉鐵生產(chǎn)的進(jìn)一步智能化提供數(shù)據(jù)支撐。

高爐爐前生產(chǎn)特點以及存在的問題

高爐爐前生產(chǎn)特點

大型高爐爐前具有生產(chǎn)節(jié)奏快、物流量大、環(huán)境溫度高、生產(chǎn)設(shè)備多、勞動強度大等特點，高爐爐前需要完成每天12～15次出鐵、出渣的工作，出鐵操作要求鐵水罐車在出鐵場擺動鐵溝下面準(zhǔn)確對位，爐前工人需要在出鐵前觀察鐵水罐內(nèi)部耐材侵蝕情況，以判斷鐵水罐是否可以安全裝入鐵水，出鐵過程需要人工觀察罐內(nèi)鐵水液位變化情況，控制鐵水裝入量，鐵水罐即將裝滿時需要操作人員及時操作擺動鐵溝，切換到另一側(cè)的鐵水罐繼續(xù)出鐵，因此爐前工人安全生產(chǎn)責(zé)任重大。爐前還要完成鐵渣溝耐材的維護(hù)、更換工作，勞動強度大。

目前生產(chǎn)模式存在的問題

目前國內(nèi)的爐前生產(chǎn)管理模式存在的問題：

(1) 爐內(nèi)和爐前基本上只能依靠人工通訊完成信息傳遞，爐內(nèi)操作人員對爐前生產(chǎn)情況、出鐵情況等信息了解不全面、不及時，爐內(nèi)操作員了解出鐵情況的方法是在出鐵時到出鐵場直接進(jìn)行觀察，鐵水流動狀況需要憑借經(jīng)驗進(jìn)行判斷，未到爐前的爐內(nèi)其他人員則不能及時掌握出鐵情況，每次出鐵量的統(tǒng)計需要由高爐—轉(zhuǎn)爐區(qū)段間的動態(tài)電子軌道衡計量后反饋回來，時效性差；

(2) 爐前工人對鐵水罐的使用和管理也基本依靠人工操作模式，手段單一、安全性低；

(3) 爐前工人對鐵水溝耐材的使用壽命(通鐵量)統(tǒng)計基本依靠人工計算完成，準(zhǔn)確性、及時性差；

(4) 鐵水罐鐵水裝入量基本依靠爐前工人通過“人眼”觀察控制，準(zhǔn)確性差。

多年來高爐爐前生產(chǎn)一直處于傳統(tǒng)生產(chǎn)管理模式，自動化程度低、工人勞動強度高、效率低、準(zhǔn)確性和安全性差、人工成本高，與現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)對生產(chǎn)管理的標(biāo)準(zhǔn)要求不相匹配，切實提高高爐爐前生產(chǎn)管理的自動化程度，提高勞動效率，加強安全生產(chǎn)是當(dāng)前爐前生產(chǎn)的迫切需求。

高爐爐前數(shù)字化生產(chǎn)管理系統(tǒng)

大型高爐通常具有3～4個出鐵場，采用擺動鐵溝出鐵方式，鐵水采用鐵水罐車運輸，目前多采用“一罐到底”的方式進(jìn)入轉(zhuǎn)爐車間并兌入轉(zhuǎn)爐，“一罐到底”的方式具有布置緊湊、物流簡捷、鐵水周轉(zhuǎn)快、鐵水溫降小及粉塵排放少等優(yōu)勢[1]，這是目前鐵鋼界面組織鐵水運輸?shù)某Ｒ?guī)模式。在此基礎(chǔ)上，為了提高高爐爐前生產(chǎn)管理的自動化程度，增設(shè)爐前生產(chǎn)管理設(shè)備及檢測儀器：

(1) 在鐵水罐接鐵水位置處的鐵路線下方設(shè)置靜態(tài)電子軌道衡，準(zhǔn)確測量鐵水罐空罐重量以及裝入鐵水的實時重量，方便爐前操作人員準(zhǔn)確控制鐵水罐的鐵水裝入量，并配置了雷達(dá)液面測量裝置，保證鐵水罐裝載容量滿足煉鋼要求[2]；

(2) 在出鐵場下設(shè)置鐵水罐號識別系統(tǒng)以及鐵水罐車定位系統(tǒng)，準(zhǔn)確識別進(jìn)入出鐵場的每個鐵水罐的編號，并準(zhǔn)確控制鐵水罐車在爐下接受鐵水的位置；

(3) 配備鐵水罐內(nèi)襯溫度紅外測溫儀，用于檢測記錄周轉(zhuǎn)回來的鐵水罐的空罐溫度；

(4) 在出鐵場下方鐵路線沿線配置紅外熱像儀，對進(jìn)出爐下的鐵水罐外表面進(jìn)行紅外測溫及成像，利用紅外熱像儀圖像生成檢測報告，以此為依據(jù)判斷鐵水罐耐材侵蝕情況。

靜態(tài)電子軌道衡是比較難于安裝的設(shè)備。對于已經(jīng)建成的大型高爐，由于大型高爐通常有3～4個鐵口，日常生產(chǎn)時只有2個鐵口交替工作，其余1～2個鐵口和對應(yīng)的擺動鐵溝處于檢修和備用狀態(tài)，因此可以在不影響生產(chǎn)的前提下，先行在備用鐵口對應(yīng)的出鐵場下的鐵路線上安裝電子靜態(tài)軌道衡等相應(yīng)檢測儀表設(shè)備，然后依次在其他鐵口和爐前設(shè)備上再配置相應(yīng)設(shè)備和檢測儀表。對于只有兩個鐵口的高爐，可以組織在一段時間內(nèi)，利用單鐵口出鐵的時間，在另一個鐵口對應(yīng)的鐵路線上安裝無基坑不斷軌靜態(tài)電子軌道衡，盡可能減少對高爐生產(chǎn)的影響。

鐵水罐號識別儀器、鐵水罐車定位儀器、紅外熱像儀、雷達(dá)液面測量裝置等其他儀表的安裝均很簡單，不會影響高爐正常生產(chǎn)。鐵水罐號識別儀器和紅外熱像儀可以安裝在出鐵場下方鐵路線兩側(cè)的柱子上，安裝和使用均很方便，不影響高爐的生產(chǎn)，可以在線安裝。鐵水罐在進(jìn)、出爐下時，可以自動對鐵水罐進(jìn)行罐號識別并自動拍照成像，將相關(guān)信息自動傳送到自動化系統(tǒng)中。上述設(shè)備和檢測儀器安裝完畢后，配合擺動鐵溝以及爐前已有的鐵水溫度檢測儀表，通過將這些新增的檢測設(shè)備的輸出數(shù)據(jù)與原有檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，可以形成一套爐前生產(chǎn)數(shù)字化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)高爐爐前生產(chǎn)管理的數(shù)字化、自動化。

自動化管理功能

強化高爐生產(chǎn)管理

生產(chǎn)中，高爐的每個鐵口都有編號，相對應(yīng)的每個擺動鐵溝都有編號，每個擺動鐵溝下面的靜態(tài)電子軌道衡也都有編號，擺動鐵溝和靜態(tài)電子軌道衡在工作狀態(tài)時都可以輸出信息進(jìn)入管理系統(tǒng)，可以使?fàn)t內(nèi)操作人員準(zhǔn)確了解處于工作狀態(tài)的鐵口編號、對應(yīng)的擺動鐵溝編號、對應(yīng)的鐵路線靜態(tài)電子軌道衡編號，以及鐵水罐的鐵水裝入量的實時變化，通過這些信息可以在電腦屏幕上制作出模擬畫面，動態(tài)描述出鐵過程，將鐵水罐內(nèi)鐵水重量的動態(tài)變化信號轉(zhuǎn)化為鐵水液位信號，使?fàn)t內(nèi)人員更直觀、生動地了解出鐵信息。鐵水罐車定位系統(tǒng)可以協(xié)助機車將鐵水罐車停在靜態(tài)電子軌道衡上的準(zhǔn)確位置，實現(xiàn)在靜態(tài)電子軌道衡的精確稱量區(qū)間內(nèi)進(jìn)行稱量，使鐵水的稱量精度不受影響，同時，還可以保證鐵水罐車在擺動鐵溝下面沿著罐車行進(jìn)方向準(zhǔn)確對位，使擺動鐵溝內(nèi)鐵水安全流入鐵水罐，減少反復(fù)調(diào)動機車的操作，既節(jié)省了時間，又保證了安全。改造前，高爐每次出鐵量的信息通常是由設(shè)置在高爐—轉(zhuǎn)爐區(qū)段間的動態(tài)電子軌道衡進(jìn)行稱量結(jié)算，然后將信息返回到高爐車間，這存在相當(dāng)長時間的滯后性，特別是多高爐的生產(chǎn)組織，當(dāng)出現(xiàn)不同高爐鐵水罐需要混合編組去往轉(zhuǎn)爐車間時，因為需要區(qū)分不同的高爐鐵水產(chǎn)量，增加了信息傳遞的復(fù)雜性。而數(shù)字化系統(tǒng)的建立可以使?fàn)t內(nèi)操作人員第一時間了解每次出鐵出了幾罐鐵水、每次出鐵量、每個罐的裝入量、出鐵過程中出鐵速率的變化情況，便于分析掌握出鐵對爐況的影響以及確定開、堵鐵口的時機，同時，可以自動化生成爐前出鐵過程數(shù)據(jù)管理表格，為高爐專家系統(tǒng)提供強有力的數(shù)據(jù)支撐。

快捷實現(xiàn)對鐵水罐的管理

鐵水罐是鋼鐵冶金企業(yè)運輸鐵水的重要工具，鐵水罐具有一定的生命周期[3]。傳統(tǒng)方式需要人工對鐵水罐的使用次數(shù)進(jìn)行計數(shù)，以使用次數(shù)作為鐵水罐使用壽命長短的衡量。鐵水罐內(nèi)襯的傳統(tǒng)檢查方法是工人通過“人眼”觀察鐵水罐內(nèi)部，并通過手持測溫儀檢測鐵水罐外表殼體溫度，兩者相結(jié)合來判斷鐵水罐耐材侵蝕情況。上述方式具有及時性差、準(zhǔn)確性差、勞動強度大的缺點。而鐵水靜態(tài)電子軌道衡和罐號識別儀器的使用，配合紅外測溫儀、紅外熱像儀檢測鐵水罐空罐內(nèi)襯溫度、鐵水罐外表殼體溫度，可以自動地精確統(tǒng)計鐵水罐在一個生命周期內(nèi)的使用次數(shù)、每次裝入鐵水量、總計裝鐵水量等信息。也可以自動統(tǒng)計單個鐵水罐一天內(nèi)以及生命周期內(nèi)在單座高爐、多座高爐間的周轉(zhuǎn)次數(shù)、周轉(zhuǎn)周期、周轉(zhuǎn)期間的罐溫變化，為優(yōu)化鐵水罐周轉(zhuǎn)時間和周轉(zhuǎn)數(shù)量提供數(shù)據(jù)支撐，優(yōu)化鐵水的組織調(diào)度、改善鐵水罐運行周期，是縮短運輸或等待時間的有效手段。提高鐵水罐利用率，對鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排，改善技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和降低生產(chǎn)成本具有重要意義。鐵水罐紅外熱像儀的使用，通過生成的鐵水罐溫度場圖像，自動分析形成檢測報告，及時掌握鐵水罐耐材侵蝕變化情況，可以總結(jié)出鐵水罐在使用過程中耐材侵蝕變化的規(guī)律，耐材侵蝕薄弱部位的分布規(guī)律，有針對性的采取維修措施，有針對性的完善鐵水罐耐材的設(shè)計、砌筑，保障鐵水罐的安全運轉(zhuǎn)，也可以進(jìn)一步提高鐵水罐耐材的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。綜合上述檢測數(shù)據(jù)，可以自動生成鐵水罐數(shù)據(jù)管理表格。

提高鐵水溝耐材管理的效率及準(zhǔn)確性

高爐出鐵場鐵水主溝耐材維護(hù)通常以一個生命周期內(nèi)的通鐵水量作為衡量耐材設(shè)計、耐材質(zhì)量，以及砌筑質(zhì)量的依據(jù)，主溝及渣鐵溝的通鐵量能達(dá)到14～20萬t[4]?，F(xiàn)行統(tǒng)計辦法是爐前操作人員根據(jù)耐材使用周期人工計算通鐵量。大型高爐一般3～4條鐵溝，生產(chǎn)時主鐵溝交替出鐵，因此給單條主鐵溝的耐材通鐵量計算帶來了困難，需要人工進(jìn)行區(qū)分并分別統(tǒng)計，計算量也比較大，容易出現(xiàn)計算錯誤。如果幾條鐵水溝在出鐵過程中的交替有不規(guī)則性，工作人員很難及時跟進(jìn)統(tǒng)計，這就給最終統(tǒng)計單條鐵水溝通鐵量的準(zhǔn)確性、及時性帶來了很大困難，不能準(zhǔn)確評價鐵溝耐材質(zhì)量。擺動鐵溝和鐵水罐靜態(tài)電子軌道衡的配合使用解決了上述問題，可以準(zhǔn)確計算每條鐵水溝的每次通鐵量、生命周期內(nèi)的通鐵次數(shù)、累計通鐵量。當(dāng)鐵水溝需要進(jìn)行中期修補時，中期修補的通鐵量、時間等信息也方便查詢。統(tǒng)計的自動化程度高、及時性強、準(zhǔn)確性高，能夠準(zhǔn)確建立對鐵水溝耐材的評價體系，可以自動生成鐵水溝耐材數(shù)據(jù)管理表格。

“一罐到底”工藝的有力支撐

近年來一種新型的鐵鋼界面生產(chǎn)組織模式“一罐到底”模式日益得到企業(yè)的認(rèn)可，并在多家企業(yè)得到應(yīng)用。在“一罐到底”生產(chǎn)模式中，高爐爐前擺動溜槽是爐前鐵水裝入鐵水罐的重要設(shè)備，其工作效率的高低和自動化系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響到鐵水出鐵效率[5]。鐵水罐鐵水裝入量通常由爐前工人通過“人眼”觀察，并操控擺動鐵溝來控制鐵水罐內(nèi)最終液面高度，但人工方式通過控制液面高度來實現(xiàn)控制鐵水裝入量的方法誤差大，并且隨著鐵水罐耐材的侵蝕，相同的液面高度，鐵水裝入量也會存在較大差異。因此，人工方式執(zhí)行“一罐到底”操作模式時，轉(zhuǎn)爐內(nèi)鐵水裝入量難以準(zhǔn)確控制，不能滿足對鐵水裝入量要求嚴(yán)格的轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝。擺動鐵溝下方設(shè)計靜態(tài)電子軌道衡，出鐵時鐵水罐的鐵水裝入量實時顯示在出鐵場上的顯示屏幕上，在即將達(dá)到目標(biāo)噸位的時候，可以通過報警的方式提醒爐前工人及時操作擺動鐵溝，將鐵水裝入量的波動控制在允許的波動范圍內(nèi)，實現(xiàn)了鐵水裝入量的精確性控制，發(fā)揮了“一罐到底”操作模式的優(yōu)勢。

結(jié)束語

擺動鐵溝、靜態(tài)電子軌道衡、鐵水罐罐號識別裝置、紅外熱像儀均為目前在鋼鐵冶金行業(yè)使用成熟的工藝設(shè)備和檢測儀器，能夠保證高爐爐前數(shù)字化生產(chǎn)管理系統(tǒng)的運行。對于新建高爐，在進(jìn)行設(shè)計時，可以同步配套設(shè)計高爐爐前數(shù)字化生產(chǎn)管理系統(tǒng)。高爐爐前數(shù)字化生產(chǎn)管理系統(tǒng)的建立，可以極大提高高爐爐前生產(chǎn)管理的及時性、準(zhǔn)確性、安全性，降低生產(chǎn)成本、管理成本，建立豐富的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，全面改變傳統(tǒng)的爐前操作以人工模式為主的方式，降低爐前操作人員的勞動強度，實現(xiàn)自動化、數(shù)字化管理，大幅提升高爐爐前生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化程度，為進(jìn)一步的爐前智能化生產(chǎn)管理打好基礎(chǔ)，在高爐生產(chǎn)應(yīng)用中具有較高的推廣價值。