大數(shù)據(jù)技術(shù)在智能煉鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用

侯建勇，王冬寒，焦峰斌，姜 茜

（1.新疆大學(xué)商學(xué)院，新疆烏魯木齊 830008；2.中冶華天工程技術(shù)有限公司，安徽馬鞍山 243061）

前言

我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展迅速，2020 年粗鋼產(chǎn)量為10.647 億t[1]，依然位居世界首位。鋼鐵生產(chǎn)全流程包括焦化、煉鐵、煉鋼、軋鋼、動(dòng)力等階段性分廠，煉鐵廠是鐵前生產(chǎn)的重要單元。煉鐵工序的智能化貫穿整個(gè)煉鐵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造、服務(wù)等環(huán)節(jié)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)網(wǎng)等信息技術(shù)與煉鐵工藝相結(jié)合，將系統(tǒng)打造為具有感知、學(xué)習(xí)、決策、執(zhí)行、適應(yīng)等功能的新模式[2]。

大數(shù)據(jù)技術(shù)是利用互聯(lián)網(wǎng)對(duì)大量多類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理的新興技術(shù)。工業(yè)大數(shù)據(jù)是把信息化與工業(yè)化進(jìn)行融合，利用大數(shù)據(jù)查找工業(yè)生產(chǎn)的基本零部件、設(shè)備單元的信息，查找數(shù)據(jù)來源，從源頭解決問題。工業(yè)大數(shù)據(jù)主要表現(xiàn)在系統(tǒng)故障診斷、降本增效、產(chǎn)品創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化等[3]。

在鋼鐵工業(yè)自動(dòng)化與信息化的融合進(jìn)程中，殷瑞鈺院士[4]提出智能化鋼廠應(yīng)當(dāng)從流程運(yùn)行要素出發(fā)構(gòu)建運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的物理模型，繼而構(gòu)建全流程的網(wǎng)絡(luò)化和信息化模型，通過物理模型和信息模型的融合來實(shí)現(xiàn)鋼鐵智能化。王國棟院士[5]提出了通過信息物理系統(tǒng)(Cyber Physical Systems,CPS)來實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)智能化發(fā)展的途徑。工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)涉及多條生產(chǎn)線、多類業(yè)務(wù)、多級(jí)系統(tǒng)，完成基于多協(xié)議的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)時(shí)空變換、數(shù)據(jù)匹配，將數(shù)據(jù)精準(zhǔn)關(guān)聯(lián)到物料上，形成以物料為中心的數(shù)據(jù)集合[6]。在以往傳統(tǒng)煉鐵生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)燒結(jié)配料及料層厚度不均、煙氣溫度與濕度波動(dòng)大，以及高爐生產(chǎn)以經(jīng)驗(yàn)為主的“黑箱”問題等。以中天鋼鐵550 m2燒結(jié)機(jī)和1 580 m3高爐為研究對(duì)象，結(jié)合江蘇中天鋼鐵的實(shí)際情況，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能模型、移動(dòng)互聯(lián)等技術(shù)，研發(fā)建立煉鐵全流程智能互聯(lián)平臺(tái)，提高煉鐵產(chǎn)線的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平。為企業(yè)降本增效、打通數(shù)據(jù)孤島，實(shí)現(xiàn)從智能單元到智能生產(chǎn)線的升級(jí)。

1 工業(yè)大數(shù)據(jù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 工業(yè)大數(shù)據(jù)研究現(xiàn)狀

隨著德國工業(yè)4.0 和美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，以及中國“十四五”規(guī)劃的展開，工業(yè)大數(shù)據(jù)的全面應(yīng)用已經(jīng)成為生產(chǎn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重心[7]。

李毅仁等[8]在采用大數(shù)據(jù)對(duì)鋼鐵智能制造體系架構(gòu)的闡述中談到，河北鋼鐵在現(xiàn)有的鋼鐵企業(yè)信息系統(tǒng)與五層架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，融合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和CPS 建思想，助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)資源共享及能力協(xié)同、降低成本與提高效率的目標(biāo)。姚林等[9]對(duì)鋼鐵企業(yè)智能制造分析后指出，企業(yè)智能升級(jí)可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程間價(jià)值鏈的最大化。馬福濤等[10]采用了大數(shù)據(jù)及機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在鐵前領(lǐng)域的應(yīng)用研究，引入深度模型來探索解決高爐“黑箱”問題的辦法。肖鵬[11]采用CISDigtial 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，從高爐煉鐵的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到運(yùn)維，打通了高爐冶煉的全生命周期數(shù)據(jù)鏈。Xie 等[12]采用一系列智能感知、智能算法，開發(fā)智能操爐系統(tǒng)“虛擬工長”，實(shí)現(xiàn)智能操爐與智能煉鐵大數(shù)據(jù)、在線仿真和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，并結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality,AR)與靈境技術(shù)(Virtual Reality,VR)實(shí)現(xiàn)了高爐冶煉的可視化，解決了高爐操作“黑箱”的弊端。

1.2 工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著鋼鐵工業(yè)的產(chǎn)能升級(jí)和“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”的開展，工業(yè)化大數(shù)據(jù)技術(shù)在鋼鐵智能制造中迅速展開。目前已在多數(shù)大中型鋼鐵企業(yè)得以應(yīng)用，如武鋼、寶鋼、山鋼、河鋼、首鋼、鞍鋼、中天、南鋼、安鋼、柳鋼、攀鋼、三明、津西、重鋼、馬鋼等。

白瑞國等[13]對(duì)大數(shù)據(jù)過程質(zhì)量控制系統(tǒng)在河鋼承鋼的應(yīng)用進(jìn)行了分析并得出結(jié)論：采用智能檢測(cè)與判定質(zhì)量控制后成材率提升0.05%，噸礦成本降低0.7 元，每年節(jié)省費(fèi)用約600 萬元。王映紅等[14]對(duì)唐鋼的智能化平臺(tái)搭建后的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)后發(fā)現(xiàn)：三年以來對(duì)于儀表的維護(hù)和管理強(qiáng)度大幅下降，故障處理也有了檢測(cè)數(shù)據(jù)作為支撐。王新東[15]對(duì)唐鋼新區(qū)以“環(huán)保綠色化、工藝前沿化、產(chǎn)線智能化、流程高效化、產(chǎn)品高端化”的理念建設(shè)新廠區(qū)，使企業(yè)各項(xiàng)能耗指標(biāo)均達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。董軍等[16]對(duì)鞍鋼“精鋼云”平臺(tái)搭建后，為企業(yè)處理了海量數(shù)據(jù)、降本增效，降低人工成本，降低人為錯(cuò)誤率，賦予機(jī)器自我學(xué)習(xí)能力；并且進(jìn)一步提升工業(yè)企業(yè)在輔助決策、風(fēng)險(xiǎn)內(nèi)控、綠色生產(chǎn)、信用評(píng)估等方面的能力。劉曉萍等[17]對(duì)興澄特鋼的大數(shù)據(jù)平臺(tái)智能煉鐵應(yīng)用后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鐵水品質(zhì)優(yōu)等品提高8.8%。

2 大數(shù)據(jù)智能平臺(tái)的建立

2.1 煉鐵云平臺(tái)的搭建

中天鋼鐵與中冶賽迪合作搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，采用“物聯(lián)網(wǎng)－大數(shù)據(jù)－智能制造－云技術(shù)－移動(dòng)互聯(lián)”技術(shù)，打造“云－邊－端”協(xié)同制造系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 大數(shù)據(jù)智能煉鐵互聯(lián)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合了燒結(jié)、高爐煉鐵的特點(diǎn)加強(qiáng)了邊緣智能系統(tǒng)的架構(gòu)，模型及計(jì)算先在邊緣端準(zhǔn)備再傳入云端。信息采集端采用柔性熱電偶、納米傳感器，可精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)燒結(jié)機(jī)和高爐內(nèi)的爐體燃燒溫度及循環(huán)水熱負(fù)荷。采用kepserver 及IHD 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫來處理原有自動(dòng)化PLC 的數(shù)據(jù)，將整個(gè)燒結(jié)-高爐生產(chǎn)線的設(shè)備監(jiān)測(cè)、過程監(jiān)測(cè)、燃料監(jiān)控上傳到邊緣側(cè)，將邊緣側(cè)數(shù)據(jù)上傳至kafka 消息隊(duì)列，將數(shù)據(jù)處理后存入數(shù)據(jù)庫后的Hadoop 平臺(tái)。模型可自行判斷、學(xué)習(xí)與決策，形成“職能工段長”制。

2.2 煉鐵輔助智能化技術(shù)

2.2.1 智能運(yùn)輸系統(tǒng)

智慧鐵水運(yùn)輸是采用管理數(shù)據(jù)化、調(diào)度智能化、運(yùn)輸無人化相融合，爭(zhēng)取達(dá)到零事故、減少人工、增效降耗的目的。同時(shí)還可以提高機(jī)車與罐車的利用率，智能判斷鋼包變形及是否需修理，自動(dòng)決策并執(zhí)行鋼包輸送維修車間。在高爐至煉鋼、軋鋼工序的有軌輸送工作，即將實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)自動(dòng)控制、無人化運(yùn)行。

2.2.2 微納米傳感器

對(duì)高爐爐缸溫度的檢測(cè)是高爐生產(chǎn)工序最重要的檢測(cè)部分。微納米傳感器具有體積小、精度高、可數(shù)據(jù)集成、反應(yīng)快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)爐內(nèi)關(guān)鍵部位的溫度、熱流強(qiáng)度的全面監(jiān)測(cè)。新型傳感器的使用為破解高爐生產(chǎn)“黑箱”問題，提供了一項(xiàng)有力保障，傳感器見圖2。

圖2 微納米傳感器及安裝示意圖

3 智能控制系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 燒結(jié)智能控制系統(tǒng)

燒結(jié)是將各種鐵礦石和石灰、焦粉按一定比例配合后，在混合燃?xì)馊紵a(chǎn)生的高溫火焰烘烤的情況下，將礦石粉料燒結(jié)成塊狀顆粒團(tuán)后，再送往高爐煉鐵的過程。燒結(jié)礦在提高了冶金性能的同時(shí)，又去除了礦石中大部分的硫化物、硫酸鹽和硝酸鹽等，為提煉出優(yōu)質(zhì)鐵水提供了基本保障。中天鋼鐵南區(qū)550 m2燒結(jié)機(jī)由中冶華天、中冶長天設(shè)計(jì)和制造，配套了旋轉(zhuǎn)噴霧半干法(SDA)脫硫+布袋除塵器+選擇性催化還原技術(shù)(SCR)脫硝設(shè)施。

按照燒結(jié)大數(shù)據(jù)智能模型計(jì)算的要求，對(duì)燒結(jié)各點(diǎn)生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)測(cè)點(diǎn)、智能儀表，進(jìn)行信息采集，獲得動(dòng)態(tài)感知并確保準(zhǔn)確后進(jìn)行精準(zhǔn)分析和智能診斷，從而優(yōu)化決策并執(zhí)行決策。燒結(jié)智能控制系統(tǒng)模型包括：終點(diǎn)預(yù)測(cè)模型、一致性調(diào)整模型、返料比調(diào)整模型、粒度優(yōu)化模型、料倉儲(chǔ)存狀態(tài)模型等。利用模型算法進(jìn)行智能化控制，再對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行分析，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制。終點(diǎn)預(yù)測(cè)模型見圖3所示。

圖3 燒結(jié)終點(diǎn)預(yù)測(cè)模型

燒結(jié)機(jī)料層厚度目前基本上保持在750～950mm，為了防止布料不均、燃燒溫度分布不均、局部燒不透、局部過燒等不良生產(chǎn)狀態(tài)的出現(xiàn)，在燒結(jié)機(jī)機(jī)頭燒嘴處、中部升溫段、尾部高溫段設(shè)置紅外成像儀，查看料層燒結(jié)狀態(tài)和品質(zhì)。及時(shí)根據(jù)反饋信息做出決策，執(zhí)行風(fēng)機(jī)變頻器和風(fēng)門開度調(diào)節(jié)，調(diào)整布料厚度和燃?xì)夤?yīng)流量及配比。

3.2 高爐智能管理系統(tǒng)

高爐是煉鐵工藝的主體設(shè)備，將燒結(jié)礦冶煉成生鐵。能源消耗來源于焦炭、噴煤、煤氣或重油等，最近又出現(xiàn)氫冶金等類型的新技術(shù)，逐漸在鋼鐵冶煉中應(yīng)用。中天鋼鐵1 580 m3高爐由中冶京誠設(shè)計(jì)與總包，屬于常州廠區(qū)目前單體最大的高爐。南通海門精品鋼基地新建高爐為2 400 m3高爐2座，建成后將逐漸淘汰常州北廠區(qū)的2×510 m3和2×550 m3高爐。

高爐設(shè)備容積大、內(nèi)部高溫高壓，生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜，副產(chǎn)高爐灰和高爐煤氣，又屬于易燃易爆的生產(chǎn)區(qū)域。建立智能管理系統(tǒng)旨在提升高爐生產(chǎn)的穩(wěn)定性和安全性，包括數(shù)據(jù)采集、操作管理、智能分析、質(zhì)量管理和安全預(yù)警等五個(gè)部分。

為了使高爐生產(chǎn)在線監(jiān)測(cè)的可視化，在項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)時(shí)可對(duì)高爐進(jìn)行了數(shù)學(xué)仿真，如圖4 所示。在工業(yè)化平臺(tái)搭建時(shí)，采用微納米熱電偶、紅外成像儀、雷達(dá)液位計(jì)等智能工業(yè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，結(jié)合冶金動(dòng)力學(xué)、數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算、運(yùn)行狀態(tài)推理、數(shù)字映射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)爐體可視化。高爐可視化模型如圖5所示。

圖4 高爐爐體數(shù)學(xué)仿真[11]

圖5 高爐生產(chǎn)可視化控制模型

4 互聯(lián)云端平臺(tái)應(yīng)用

互聯(lián)云端平臺(tái)可將配料、燒結(jié)、球團(tuán)、輸運(yùn)等各個(gè)煉鐵工序的工業(yè)數(shù)據(jù)集成，作為一個(gè)整體進(jìn)行分析、診斷、決策和執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、互聯(lián)互通，如圖6。若系統(tǒng)內(nèi)某點(diǎn)出現(xiàn)異常警報(bào)，則可根據(jù)需解決的問題，自主選擇系統(tǒng)內(nèi)部各點(diǎn)的參數(shù)，包括鐵礦石配比、石灰和焦粉配入量，生料入量、料層厚度、臺(tái)車車速、火焰溫度、熟料溫度、煙氣成分、環(huán)冷換熱溫度、膠帶機(jī)輸送能力、煤氣用量、焦炭用量、爐缸溫度、高爐煤氣產(chǎn)量、爐缸壓力和噴煤量等。

圖6 煉鐵工序聯(lián)動(dòng)分析模型

5 結(jié)語

中天鋼鐵南區(qū)煉鐵廠大數(shù)據(jù)平臺(tái)建成后，實(shí)現(xiàn)了從進(jìn)料－燒結(jié)－高爐－外運(yùn)的整個(gè)流程數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、協(xié)同分析以及流程優(yōu)化。采用VR 和AR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高爐動(dòng)態(tài)監(jiān)控、運(yùn)行狀況診斷、智能檢測(cè)與矯正、數(shù)字模擬仿真、智能學(xué)習(xí)與培訓(xùn)。

工業(yè)大數(shù)據(jù)智能平臺(tái)運(yùn)行一年來，經(jīng)測(cè)算得出：煉鐵所用燃料噸礦下降6.5 kg，鐵水優(yōu)級(jí)品率提升9.1%，年增效益約1 350 萬元。智能化新技術(shù)的使用對(duì)企業(yè)降耗提效有著較為明顯的效果，煉鐵智能化平臺(tái)的推廣有著廣闊的發(fā)展前景。