淺析煉鐵高爐生產過程的自動化控制

范俊慧

在煉鐵高爐生產的過程當中，原料系統以及熱風系統已經通過計算機技術的應用實現了自動化控制。目前，煉鐵高爐生產過程的自動化控制已經取得了較大的發(fā)展。

1 相關概述

1.1 高爐自動化的簡要回顧

高爐煉鐵是鋼鐵生產中的非常重要的一個環(huán)節(jié)，也是煉鐵工藝中最普遍使用的一個手法。這種煉鐵方法是由古人發(fā)明的豎爐煉鐵發(fā)展并逐漸改進而成的。采用高爐的技術來煉鐵的話，爐的本體從上而下分為了5個部分，分別是爐喉、爐身、爐腰、爐腹、爐缸，當實際工作時，這5各部分分別做工，共同致力于鋼鐵的冶煉。高爐煉鐵工藝長時間以來能夠收到鋼鐵產業(yè)的青睞，甚至在全世界的鋼鐵生產中都占據著主導地位，主要是因為高爐煉鐵技術具有操作工藝簡單，生產效率高，產出高消耗少，經濟效益高等優(yōu)點。就目前我國的高爐煉鐵技術發(fā)展情況來看，主要經歷了以下幾個階段：從最開始的傳統陳舊的操作技術，即通過外界的壓力或操作來調控爐內的生產環(huán)境，并且通過大量的儀表盤以及人工的判斷來監(jiān)測爐內的各項情況與指標，再進行相應的流程調整，以增強成品的飽和度。隨著科學技術的發(fā)展與進度，煉鐵行業(yè)在新的科技環(huán)境下也有了新的需求，從以往的人工操作流程居多向自動化控制方向轉變，并且由于自動化技術的進步與優(yōu)化，近幾年我國的煉鐵技術已經有了突飛猛進的提高。從高爐技術自動化的發(fā)展歷程可以看出，我國鋼鐵生產行業(yè)的發(fā)展在不斷的順應時代潮流，在優(yōu)化與改進自身技術流程的同時，也在積極的學習與借鑒國外的其他優(yōu)秀經驗，例如引進設備、吸引優(yōu)秀人才等，不斷對自動化技術進行優(yōu)化與調整。綜合來看，我國目前的高爐煉鐵技術基本處于國際市場上的常規(guī)水平，更重要的關注點已經開始向低耗減排進行側重了。

1.2 煉鐵高爐自動化控制系統的基本設置

煉鐵高爐的自動化控制系統是一個強大的電子化維護體系，其中包括了生產設備的鏈接系統、電氣裝備、相關儀表儀器的監(jiān)控裝置等多個部分組成，形成一個流程完整、功能強大的自動化控制系統。自動化的系統最主要是的為了滿足鋼鐵生產企業(yè)的生產要求，為生產目的服務，為順應新技術時代搭建自動化生產體系，但不同的企業(yè)對于自動化控制系統的運用是有所差異的，這主要取決于企業(yè)的規(guī)模、經濟實力與實際的需求，然后使用規(guī)模不一的系統。每個企業(yè)確定了需要的系統后，再根據具體的場地、生產環(huán)境進行設備的布控，在布控的環(huán)節(jié)中，要充分考慮到整體環(huán)境與場景，根據實際建設的難度然后有針對性的設計布控方案。同時為了保證自動化系統的整體運行的穩(wěn)定性與安全性，在設置系統的時候要尤為注重整體環(huán)節(jié)效率的把控以及安全性能的監(jiān)測，使整個系統能夠自動排查與處理各項異常情況，即使系統出現故障時，局部也可正常工作，以此來保障生產進程的順利有序進行。

1.3 煉鐵高爐電氣自動化系統功能和優(yōu)點分析

1.3.1 具有自動化控制功能

煉鐵高爐自動化控制系統是指使用熔爐煉鐵的過程中，各個組成部分共同工作的同時能夠由自動化控制系統實時并準確的測量、監(jiān)督爐內的溫度、壓力、壓強等，當檢測到某一指標不符合已經設定好的固定范圍指標時，可以通過智能化的算法自動調節(jié)或控制各項指標，最終達到安全、高效生產的目的，而非通過人工的判斷來甄別整個生產流程的合規(guī)性。通過自動化的控制系統較于以往傳統的老舊方法來看，除了生產效能更高之外，生產車間的安全性能也能得到大大的保賬，這主要是由于當設備出現異常或問題時，自動化控制系統可以快速及時的找到問題源并作出相應的保護措施，以保證生產環(huán)境中人員、資產的安全，減少企業(yè)的經濟損失。

1.3.2 具有生產過程監(jiān)控功能

高爐煉鐵對于鋼鐵的生產來說只是其中一個環(huán)節(jié)，因為鋼鐵的生產不是單一的制造環(huán)節(jié)，而是具有一些列的操作環(huán)節(jié)，涉及到諸多的生產工藝與技術。電氣自動化的控制技術在煉鐵環(huán)節(jié)中的使用是非常有必要的，自動化的技術能夠提高生產的效率及安全性，此外，還有一個作用對于企業(yè)的管理層或監(jiān)督部門來說是非常有意義的，即對生產中的各個環(huán)節(jié)進行監(jiān)督與管理。一方面，監(jiān)督生產設備性能的穩(wěn)定性，自動化系統可以對生產過程中涉及到的所有設備進行關聯與監(jiān)測，每一臺設備的運行路徑與運行時間，并隨時對機器的性能進行監(jiān)督，當設備的性能出現問題或異常時，自動化系統就會進行預警提醒，提示操作人員可能發(fā)生的問題，以便相關負責人員能夠在問題發(fā)生之前對設備進行檢修與維護，降低生產安全事故的發(fā)生率與損失，一定程度上還可以減輕維修人員的檢測工作量；另一方面項目管理人員還可以通過自動化設備隨時監(jiān)督生產工人的工作情況以及整條生產線的加工情況，為生產流程的調整與優(yōu)化提供數據支撐。

2 創(chuàng)新綠色低碳煉鐵技術

2.1 氫冶金技術

“低碳環(huán)保”是目前全球各個國家都在追求的目標，鋼鐵的生產從目前的技術手段來看，生產過程中主要使用的燃料是煤炭，在煤炭高溫燃燒的過程中會產生大量的有害氣體，這對于綠色及環(huán)保的追求來說，這些污染物質正是環(huán)境污染的主要來源。為了順應綠色環(huán)保的時代潮流，我國各行各業(yè)都在積極的探索綠色能源的開發(fā)與利用，尤其是這些傳統的耗能較高的行業(yè)，更應該積極轉變理念，減少化石能源的消耗，從我國鋼鐵行業(yè)的領頭企業(yè)寶武集團來看，該企業(yè)早就在2016年開始了綠色能源這一塊的大量投入與研究，研究重點主要聚集在氫能的利用。鋼鐵生產中主要排放出來的污染氣體就是二氧化碳，這是空氣污染的主要物質，要節(jié)能減排，就要控制二氧化碳的排放，就當前相關專業(yè)人員的研究結果來看，基本可以確定的是氫氣煉鋼是現有技術中二氧化碳排放量最少的，也是最綠色的一項技術。除了寶武集團之外，我國其他的鋼鐵行業(yè)大企業(yè)，例如河鋼宣鋼、中晉太行等都已經在使用制氫、用氫的技術了，并且通過實際的運用可以看出氫能煉鋼已經取得了比較滿意的效果，碳排放量已經大幅度降低。

2.2 鐵焦工藝

鐵焦是指將低品位煤和鐵礦石粉碎到規(guī)定粒度，并按一定比例混合后壓制成型，經干餾、炭化，形成含有金屬鐵的一種新型焦炭。鐵焦由于高反應性，可降低高爐熱儲備區(qū)溫度，促進高爐內鐵氧化物的還原，從而改善高爐的反應效率及碳利用率，進而降低高爐燃料比和實現CO2減排。目前，JFE鋼鐵、日本制鐵、神戶制鋼三家企業(yè)聯合開發(fā)了鐵焦工藝，建設成日產300t的鐵焦基地，能夠降低高爐10%的能源消耗；通過數值模擬研究了高反應焦對高爐熱儲備區(qū)溫度的影響規(guī)律，結果表明，每噸生鐵能降低還原劑25kg～35kg。研究發(fā)現，高爐使用鐵焦后，熱儲備區(qū)溫度顯著降低了150℃，每噸生鐵節(jié)省還原劑35kg。發(fā)現鐵焦的強度低于普通焦炭，在高爐中配加鐵焦能夠節(jié)約焦炭6%。因此，提高高爐中碳的反應性是降低煉鐵過程中二氧化碳排放的一項創(chuàng)新措施，具有廣闊的應用前景。但由于鐵焦熱強度低，替代焦炭量少，高爐CO2減排有限。

2.3 基于改質焦爐煤氣的豎爐還原－電爐工藝

目前，國內外生產海綿鐵所需的富氫還原氣體主要通過天然氣重整獲得，然而我國天然氣資源匱乏，難以滿足鋼鐵行業(yè)的大規(guī)模應用。我國含有豐富的焦爐煤氣資源，每年約產1916億m3，焦爐煤氣中含有大量H2、CH4和CO，其中H2、CH4含量分別為56%和27%左右。CH4遇高溫會裂解成H2和C參與還原反應，但同時導致碳的大量沉積，抑制氣固還原反應的進行，所以需要將甲烷重整改質，以進一步提高焦爐煤氣中氫含量，從而改善豎爐的還原反應效率。當前焦爐煤氣主要作為燃料使用，沒有充分利用其還原性，造成了嚴重的資源浪費。為此，將改質焦爐煤氣作為氣基豎爐的還原氣，不僅解決了焦爐煤氣資源化利用問題，還為現階段氣基豎爐生產提供了一種獲得富氫還原氣的方法。

3 煉鐵高爐生產過程自動化控制的方法

3.1 原料系統自動化控制

煉鐵高爐運行時對原料系統的控制越來越穩(wěn)定，原料系統可完整記錄下高爐內進料量和消耗量數值，原料消耗期間會刪除漏斗內所剩的原料值，以達到煉鐵高爐裝入原料的精準性，以防系統計數出現差異。煉鐵高爐原料系統自動化控制可依照統計數據結果而進行補料。同時該系統還可提供精準的定值。如某正在運行中的煉鐵高爐，我們重點研究了自動化控制在原料系統中的應用情況，煉鐵原料系統自動化控制定值特指卸空后重量值，當輸入進去稱量漏斗數值后，系統會記錄漏斗滿載情況，煉鐵原料自動化控制系統將所測定數值記錄下來，對比每次稱量數值，對存在較大誤差數值進行矯正。矯正流程為：PC設備提供煉鐵原料系統卸料設定值，設備依據不同原料品類給出設定值，原料自動控制系統內的傳感器可給出漏斗中的原料數值，設定數值對比情況可發(fā)送至供料給料機。煉鐵原料自動控制系統內磁力比較運算器可給出實際稱量值，若原料的實際稱量值達到給定值的95%時，供料設備會接收到系統發(fā)出的指令，減緩供料，可有效防止實際稱量數量超出設定重量。當實際稱量數量達到了給定值的100%時，供料設備會自動停運，PC設備提示“滿”，最終顯示的數值是稱量值，若煉鐵原料上料過程出現問題，供料給料機接收到自動化控制系統發(fā)出的滿料信息后未停止供料，緊急制動命令會自動生效，上料設備會根據所接受到系統發(fā)出指令而進行關閉料斗，當料斗停止運行后，給料器可進行啟動，依據實際情況決定是否可以運行，以達到精準給料。煉鐵原料系統自動化控制重點是確保給料的準確性，防止給料過度或不給情況發(fā)生，以提升煉鐵生產率。

3.2 技術設備的應用

成像設備這一應用，能夠在很大程度上提高煉鐵高爐自動化控制的準確性，這一設備主要通過在爐的頂部放置一個與之配套的成像設備，再加上用氬氣流套筒的保護，在操作室中設置一個監(jiān)視設備，從而做到時刻觀察著高爐中的反應來做出全方位的安全保護。隨著布料方式的樣數增加，布料的精確性也相應提升，利用率增加，成本也隨之降低。更有意思的是，如果有了成像設備，在進行高爐維護養(yǎng)護工作時，還能擁有更加真實有效的數據作為工作人員后續(xù)養(yǎng)護工作過程中的重要依據，這是目前各大煉鋼高爐自動化控制發(fā)展的主要方向。有效利用人際界面功能，以實現煉鐵高爐生產的集中自動化控制，最終對煉鐵高爐的整個生產過程所運行的參數數據進行全方位的自動化控制。這也從側面督促煉鐵作業(yè)人員在生產過程中全面掌握各設備的功能及運行狀態(tài)，通過人機界面的監(jiān)控和顯示能夠將整個煉鐵高爐生產設備生產的畫面直接傳輸到配套的計算機上。這樣一來，PC設備可對煉鐵相關設備進行有效控制，當某個設備出現故障，自動控制系統接收指令及時發(fā)出報警信號，便于工作人員及時進行處理，這也為工作人員對設備進行日常檢修工作提供維修依據，通過人機界面監(jiān)控技術能夠實現煉鐵高爐生產過程自動化控制的資源和數據共享。經過研究發(fā)現，煉鐵自動化控制系統加入了PLC系統，更便于對煉鐵高爐在運行過程中的全方位管理與控制。不是單一的降低了煉鐵高爐在運行期間所出現的故障率，還能夠對整個煉鐵高爐生產過程的自動化控制進行實時的監(jiān)控和狀態(tài)檢測，這也在很大程度上增強了工作人員具體操作的便捷性和效率。

3.3 對計算機技術加強應用

目前，在鋼鐵企業(yè)的高爐煉鐵設備當中，自動化控制系統的應用已經變得非常普遍，通過該系統的有效應用，能夠針對各種高爐煉鐵設備進行自動化控制及管理，包括上料設備、礦焦槽設備等等，其不僅可以減少設備運行當中的人工操作，將相關人員的工作量有效降低，還能實現高爐煉鐵設備的自動化控制，從而將人員因素對設備正常運行的影響降到最低。最重要的是，運用計算機技術，能夠針對高爐煉鐵設備設置遠程維護系統，相關人員只需要登錄系統，通過遠程診斷維護中心，即可對高爐煉鐵設備進行實時的監(jiān)控，且在設備出現故障問題以后，系統會及時發(fā)出故障警報，并向相關人員發(fā)送告警信息，包括故障位置分析、故障原因分析以及故障處理方法推薦等，使相關人員能夠快速明確故障位置，并結合相關信息以及現場實際情況對問題進行及時、有效的處理，從而提高故障處理的效率和質量，將故障影響降到最低。除此之外，利用計算機技術，企業(yè)還可以通過診斷維護中心對高爐煉鐵設備的各項問題進行咨詢，而廠家技術管理人員則可以通過移動端在任何地點、任何時間接入網絡，為用戶提供相應的技術服務。滿足用戶的設備使用需求和維護管理需求。

4 高爐自動化技術在未來的發(fā)展趨勢

高爐自動化技術在未來會充分利用現代化信息技術，充分利用計算機當中的通訊功能、圖像處理功能，并且結合各種儀表技術，建立起一個現代化的工作平臺，實現整個工作的網絡化發(fā)展。在未來當中，高爐自動化控制系統會更加先進，設備會更為齊全，會朝向生態(tài)化、可視化等方向發(fā)展。首先，來看生態(tài)高爐。生態(tài)高爐主要立足的是環(huán)境保護理念，最大限度地降低生產過程當中能源的消耗，減少污染物的排放。而實現的渠道是通過降低高爐生產活動當中內反應的強度，以及強化檢測和控制環(huán)節(jié)當中降低反應強度，不斷提高高噴煤比，以此來優(yōu)化操作流程，減少生產過程當中二氧化硫、一化硫等硫化物的排放力度。其次，來看可視化高爐?？梢暬郀t主要利用的是智能化檢測技術、數據處理技術以及傳感技術等，對于整個高爐工藝生產流程進行有效的監(jiān)督，以及檢測，再將所采集到的數據轉化為圖像。工作人員通過這些圖像可以總結高爐內部生產的機理數據，總結相關的經驗，對高爐的操作活動進行優(yōu)化，以此來提高高爐運行過程當中的穩(wěn)定性，提高高爐的使用壽命。最后，來看低成本高爐。低成本高度主要是在自動化的基礎之上，進一步減少高爐建設活動當中的建設成本投入，生產過程當中，人力資源的投入。實現整個生產過程的自動化控制，來提高生產的質量和效率，減少工作當中勞動力的使用，同時還能夠減少人工檢測和故障排查方面的經費。

5 結語

隨著高爐煉鐵自動化系統不斷完善，為工作人員營造良好的工作環(huán)境，通過遠程控制不同設備，積極參與高爐煉鐵不同環(huán)節(jié)，及時做好監(jiān)測工作。