冶煉廠生產(chǎn)過程中的自動化控制設(shè)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(guān) 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(zhuǎn)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(chǎn)技術(shù)，從而解決以軋制工序為代表的能源消耗不合理現(xiàn)象，更好地提高自身企業(yè)綜合實力，為國家經(jīng)濟建設(shè)活動提供更多支持與助力。

1 冶煉廠生產(chǎn)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(chǎn)流程當(dāng)中，僅僅“冶金”一道工序便幾乎占據(jù)了總耗能情況的35%左右，因此可以說是現(xiàn)階段冶煉廠技術(shù)革新工作中的關(guān)注焦點之一。傳統(tǒng)的冶金工序需要經(jīng)歷“焦?fàn)t”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(yīng)的改進。例如在焦?fàn)t生產(chǎn)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(shù)顯著提高了能源使用效率；而在高爐生產(chǎn)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?xì)庥鄩喊l(fā)電、熱風(fēng)爐余熱回收、干式除塵等具體技術(shù)來實現(xiàn)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(chǎn)過程中的主要能源損耗環(huán)節(jié)，針對其在以往生產(chǎn)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(shù)等新型工藝，并配合廢廢物料的預(yù)熱、轉(zhuǎn)爐燃?xì)饣厥铡U渣熱能回收、電爐二次燃燒等余能回收技術(shù)，雖然在一定程度上緩解傳統(tǒng)工藝存在的高耗能現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)生的能源成本占據(jù)了金屬加工總成本的65%～70%，可以說是當(dāng)前冶煉廠實施節(jié)能生產(chǎn)的關(guān)鍵之處。而現(xiàn)階段人們對于軋鋼節(jié)能生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)主要側(cè)重于通過合理的計算爐內(nèi)溫度以及熱回收技術(shù)來減少軋制時間從而實現(xiàn)減少能源消耗的目的，因此在實際生產(chǎn)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(xiàn)對能源利用效率的最大化[2]。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)部署的冶煉工業(yè)爐

通過對以上生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的節(jié)能技術(shù)分析可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段國內(nèi)技術(shù)的研發(fā)方向主要集中于對物理能與化學(xué)能的回收利用，從而實現(xiàn)在冶金生產(chǎn)過程中，高度精確的控制其能源損耗問題。因此基于物聯(lián)網(wǎng)部署的冶煉工業(yè)爐實質(zhì)上是一種以環(huán)境傳感器為主要核心部件的冶金生產(chǎn)系統(tǒng)，通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對其生產(chǎn)流程的全面覆蓋，實現(xiàn)對生產(chǎn)全過程所產(chǎn)生的各項物理數(shù)據(jù)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(xiàn)對整個生產(chǎn)系統(tǒng)各個子單元設(shè)備的精確控制。據(jù)試驗成果顯示，經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)實施覆蓋后的冶金生產(chǎn)系統(tǒng)，以其水泵、電機、壓縮機、風(fēng)機等各項子單元電氣設(shè)備總耗能為1.6億kW為標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)備的基礎(chǔ)上，可以將此數(shù)據(jù)再度上調(diào)2%～3%；輔助新型冶金自動化技術(shù)之后，該數(shù)據(jù)可再度提高5%～8%[3]。

但在實際生產(chǎn)過程中，由于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的工作原理主要依靠數(shù)據(jù)采集而進行系統(tǒng)的全面控制，因此設(shè)計前期需要重點關(guān)注以下問題：①傳感器覆蓋范圍內(nèi)需要確?？臻g開闊，避免存在障礙物而影響到傳感器的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測功能；②數(shù)據(jù)采集端需要保證各個基礎(chǔ)傳感器具有相同的感應(yīng)半徑與網(wǎng)絡(luò)通訊半徑，以保證均勻覆蓋工作區(qū)域，不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)遺漏現(xiàn)象。具體而言，即要求以傳感器自身感應(yīng)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(wǎng)絡(luò)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(lián)網(wǎng)為核心的冶金生產(chǎn)自控節(jié)能設(shè)計

3.1 風(fēng)機自動化控制設(shè)計

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

3.2 爐排繪制的參數(shù)化程序設(shè)計

爐排繪制是冶煉廠自動生產(chǎn)過程中的一項關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于涉及到的操作環(huán)節(jié)復(fù)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(shè)計流程，并提高初始參數(shù)設(shè)計的準(zhǔn)確性。爐排繪制的初始參數(shù)主要服務(wù)于今后工作人員的菜單操控，因此關(guān)于爐排的單位標(biāo)準(zhǔn)可以以6噸為界限，并根據(jù)機組工作過程中根據(jù)爐排片數(shù)、位置、起點、傾角等相關(guān)數(shù)據(jù)來設(shè)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(jù)設(shè)計需求在對話框內(nèi)輸入爐排的具體間隔、數(shù)量，從而可以有效避免干擾因素，自動根據(jù)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(shù)化程序設(shè)計

爐墻繪制程序同樣基于CAD技術(shù)來實現(xiàn)，其在實際工作過程中可以首先將不同類型的爐墻參數(shù)輸入到系統(tǒng)當(dāng)中，然后自動生產(chǎn)相關(guān)的爐墻模型。隨后工作人員在進行參數(shù)設(shè)置的過程中可以通過點擊不同的爐墻類型，來自動生產(chǎn)相應(yīng)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(diào)控爐墻結(jié)構(gòu)尺寸。

4 冶煉廠自動化技術(shù)節(jié)能實踐效果

4.1 高爐生產(chǎn)控制

高爐生產(chǎn)控制主要是通過傳感裝置對其工作系數(shù)的感應(yīng)，使系統(tǒng)中樞能夠自動對燃料供給與風(fēng)機工作效率進行操控，從而有效實現(xiàn)節(jié)約能源的目的。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對某容積為1000立方的高爐進行控制，可以有效根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)反饋回來的溫度參數(shù)來對風(fēng)門開度、燃料供給進行控制，在系統(tǒng)預(yù)設(shè)的生產(chǎn)系數(shù)下不僅有效減少了冶金過程中出現(xiàn)廢品的幾率，同時還能夠保證能源供應(yīng)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(xiàn)了節(jié)能目的，也在保證生產(chǎn)質(zhì)量的前提下降低了原材料成本。

在實際生產(chǎn)過程中，該環(huán)節(jié)還可以通過對多相流煤粉檢測技術(shù)，來實現(xiàn)對煤氣的回收與循環(huán)利用，如此不僅能夠?qū)γ簤K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(chǎn)溫度。具體操作可以采用鎳鉻一鎳硅熱電偶對爐內(nèi)溫度進行實時監(jiān)控，然后結(jié)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(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

4.2 電爐生產(chǎn)控制

電爐生產(chǎn)控制是在進行生產(chǎn)作業(yè)之前，由人工在操作面板上設(shè)置生產(chǎn)批次當(dāng)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?qū)崿F(xiàn)節(jié)能目的，也可以更加合理的規(guī)劃生產(chǎn)材料使用情況。相較于傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，這種技術(shù)可以有效提升15%～20%的生產(chǎn)效率，并減少電路工作期間3%～14%的能源數(shù)損耗。此外在傳統(tǒng)的冶金流水線中常常會用到?jīng)_渣水泵、轉(zhuǎn)爐排煙機、皮帶運輸機、高爐除塵風(fēng)機等高耗能設(shè)備，這些電氣設(shè)備通常都會具有周期性的耗能負(fù)荷特點。針對這一特點，人們可以采用交流變頻等自動化調(diào)控技術(shù)，進一步在已有基礎(chǔ)上繼續(xù)節(jié)省20%～40%的電能。

4.3 金屬軋制加熱爐生產(chǎn)控制

金屬軋制加熱爐控制是較為典型的數(shù)字化模型與智能調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用代表，其通過傳感網(wǎng)絡(luò)對于工作過程中的各項工作數(shù)據(jù)采集，來靈活的向水平與縱向系統(tǒng)進行拓展，并根據(jù)上位機所發(fā)出的具體指令來調(diào)控自身工作參數(shù)，從而實現(xiàn)了對整個生產(chǎn)過程進行精細(xì)化控制，不僅能夠有效提高生產(chǎn)加工效率，也使得機組各項生產(chǎn)參數(shù)誤差被縮小到0.6%以內(nèi)。據(jù)實際工作數(shù)據(jù)測量現(xiàn)實，在該項技術(shù)調(diào)控下，加熱爐內(nèi)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(yīng)并調(diào)節(jié)爐內(nèi)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(jié)語

綜上所述，本文首先分析了傳統(tǒng)冶金工業(yè)中主要產(chǎn)生能源損耗的相關(guān)環(huán)節(jié)，進而對基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的自動化工業(yè)生產(chǎn)模式進行了解讀，并提出其設(shè)計構(gòu)想，最后以實踐生產(chǎn)應(yīng)用為例，詳細(xì)介紹了實際生產(chǎn)過程中的技能技術(shù)與措施，希望能夠有效推動當(dāng)前冶煉廠的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型。