大數據技術在煉鋼質量控制中的應用

畢 丹， 劉 偉

（凌源鋼鐵集團有限責任公司， 遼寧 凌源 122504）

0 引言

在當前社會消費升級、產業迭代以及供給側改革等大環境下，市場對鋼材的需求逐漸增強，而大多數鋼鐵企業在煉鋼質量控制中缺乏智能化、自動化的管理技術，未能對煉鋼過程實施有效控制。基于此，在煉鋼質量控制過程中引入大數據技術，便于跟蹤日常生產，及時發現生產異常。還可以針對每個工序及全局生產節奏，結合用戶需求抽取關鍵質量指標，進行趨勢分析，避免質量風險的發生。

1 煉鋼質量控制過程大數據參數配置

在煉鋼質量分析或指標計算時，經常按鋼種類別匯總數據做分析。基于大數據控制的煉鋼質量管理系統提供鋼種類別定義配置功能，在數據源配置中定義數據來源、用途和字段構成信息等，滿足參數的可配置化，報警規則的可配置化，評價規則的可配置化[1]。

1）自動分析任務配置：為實現自動化的煉鋼質量指標分析，提供自定義任務參數配置功能，以向導模式進行配置，提高易用性。

2）名稱字典管理：對煉鋼過程關鍵工序命名進行標準化管理，在參數配置模塊進行統一定義。工藝指標字典：根據客戶產線范圍和工序設備構成情況，收集各個工序、設備關鍵指標項進行統一定義，為大數據平臺實時監控、過程跟蹤和質量評價提供標準化數據。

3）工序事件定義：規范定義各個工序過程中的事件名稱，作為工序時段定義的標準輸入項。具體工序事件定義以現場二級的工序事件定義為準。

4）實時監控告警規則配置：煉鋼實時監控針對每個工序進行指標告警閾值配置，超出閾值時進行實時告警。

5）權限管理：質量大數據系統根據角色進行權限分配，根據用戶組織數據進行用戶初始化，根據用戶崗位不同分配到不同的角色中。各個角色用戶可查看本角色權限范圍內的功能和數據，并可在授權范圍內選定條件進行查看、分析和導出數據。

2 煉鋼質量控制大數據系統設計要點

2.1 數據采集設計要點

數據采集模塊程序開發的原則是通用、可配置化、可擴展和功能模塊化等，配置有2 個接口，用于存儲源表結構信息。該模塊數據加載到大數據系統分為三個步驟[2]：數據文件傳輸并加載至HDFS 中、HDFS文件映射到Hive 外部表以及外部表同步HBase 數據表或ORC 表。

2.2 煉鋼數據處理設計要點

大數據工序內部通過爐號將當前工序下的工藝指標數據、檢化驗數據和過程指標數據等多維度數據關聯，同時擴充相關爐次所在設備、所在工位、對應班組、對應鋼種和規格等爐次屬性，為多維度的數據提取分析提供數據支撐。跨工序數據整合，以爐號為主線，將轉爐、LF 精煉連鑄及軋鋼等數據進行組裝，為跨工序、多維度業務分析提供數據服務。

2.3 數據存儲設計要點

數據存儲模塊以數據文件形式傳輸到大數據平臺，存儲為ORC 事務表，數據庫接口方式提供數據的數據源，通過Sqoop 抽取到大數據平臺，以ORC 表方式存儲。數據查詢模塊提供JDBC 驅動包，通過定制查詢頁面提供客戶查詢數據，也可按工序、設備、鋼種、規格、物料和時間等多種條件進行數據查詢，允許其他應用程序直接通過SQL 查詢獲取結果集，并通過Excel 格式導出。

3 煉鋼質量控制大數據系統搭建

煉鋼質量控制大數據系統架構如圖1 所示，包括質量追溯、質量監控、質量評價和質量分析等事中控制及事后分析功能。事中控制主要是通過質量評價和質量監控實現質量的在線評價與監控，并與信息化系統對接，避免批量質量問題發生。事后分析主要是通過質量分析和質量追溯對質量數據進行確認與追溯，實現根因分析和問題定位。

圖1 煉鋼質量控制大數據系統架構

3.1 煉鋼工序過程追溯

該環節不僅展示工序概況，還包括事件跟蹤、實時監控告警分析和指標趨勢跟蹤等幾類信息的跟蹤，能夠追溯到各工序秒級或毫秒級指標數據，并展現當前追溯的爐次全工序周期內告警趨勢及明細詳情。

3.1.1 產品狀態追溯

產品狀態追溯用于查詢目標產品及產品對應的爐次涉及的坯料最新的位置，包括在哪個庫房、是否取材、是否出庫以及是否發給用戶。

3.1.2 加料信息追溯

加料信息追溯包括工序加料過程列表和加料信息詳情兩部分。加料過程列表以樹形圖形式展現爐次—工序—加料名稱—加料時間4 個層次的信息。

3.1.3 檢化驗信息追溯

檢化驗信息追溯功能將所有工序檢化驗結果進行分類統計，并提供每個類別檢化驗數據明細。包括各工序鋼水成份信息、鋼渣成份信息、鋼坯低倍信息和鋼材性能信息。

3.2 過程實時監控

實時監控范圍包括轉爐、LF 爐和連鑄機等工序下的主體設備。監控內容包括各設備實時爐次屬性信息、實時指標趨勢、實時事件、檢化驗結果、過程質量評分、評級和預判等各類信息的監控跟蹤。

3.2.1 轉爐工序監控

包括但不限于爐次開始、廢鋼加入、鐵水加入、加料、測溫取樣、主吹開始、主吹結束、補吹狀態、雙渣吹煉、出鋼開始、出鋼結束、濺渣開始、濺渣結束和爐次結束等。可以實時了解最新生產進度，具體實時事件項以現場二級定義的冶煉事件為準。轉爐工序關鍵指標展示區域顯示爐次關鍵實時數據，包括但不限于爐齡作業時間、測溫時間、終點碳、終點溫度、轉爐冶煉周期、氧槍槍齡、出鋼口次數和氧耗等指標[3]。

轉爐實時告警分析包括告警時間、告警指標和告警級別等信息，提供時間維度和指標維度的告警分布統計。時間維度告警實時統計以折線圖顯示當前爐次告警次數變化趨勢，橫坐標為時間，縱坐標為告警次數。通過“當天爐次”操作切換當天總告警數量變化趨勢。指標維度告警統計以指標名稱為橫坐標，以各指標報警數量為縱坐標，以柱狀圖等形式展現告警指標范圍和每個指標告警數量分布，集中呈現當前爐次在當前工序的告警指標范圍。

3.2.2 LF 工序實施監控

包括但不限于鋼包到達、鋼包就位、爐次開始、變壓器換檔、電流換檔、加料、測溫、軟吹開始、軟吹結束、送電、停電、喂絲開始、喂絲結束、斷路器合閘、爐次結束和鋼包吊離等。LF 工序關鍵指標展示區域顯示爐次關鍵實時數據，包括但不限于作業時間、測溫時間、溫度、通電周期、電耗、精煉周期、軟吹時間、軟吹流量、進站溫度和出站溫度。

LF 實時告警分析提供LF 工序時間維度和指標維度的告警分布統計，時間維度告警實時統計以折線圖等顯示當前爐次告警次數變化趨勢，橫坐標為時間，縱坐標為告警次數。通過“當天爐次”操作切換當天總告警數量變化趨勢。指標維度告警統計以指標名稱為橫坐標，以各指標報警數量為縱坐標，以柱狀圖等形式展現告警指標范圍和每個指標告警數量分布。集中呈現當前爐次在當前工序的告警指標范圍，便于分析潛在風險。

3.2.3 連鑄工序監控

連鑄工序關鍵指標展示區域顯示連鑄工序關鍵實時數據，包括但不限于開澆時間，澆鑄時間，液相線，過熱度、結晶器液面自動控制命中率、溫度拉速匹配和成坯率等指標。

連鑄實時告警分析提供時間和指標兩個維度的告警分析。時間維度告警實時統計以折線圖顯示連鑄工序告警次數變化趨勢，橫坐標為時間，縱坐標為告警次數，缺省顯示當前爐次周期內告警分布情況。另外，還提供全天告警分布的分析，便于對比當前爐次告警分布與當天其他爐次告警分布的差異，輔助判斷是否存在異常。指標維度告警統計以指標名稱為橫坐標，以各指標報警數量為縱坐標，以柱狀圖等形式展現告警指標范圍和每個指標告警數量分布。集中呈現當前爐次在連鑄工序的告警指標范圍，便于分析潛在風險。

3.3 過程質量評價

過程質量評價包含指標評價和爐次評價，其依據工藝標準，以工序指標數據為基礎，采用目標偏差率、合規率和階梯打分等多種打分算法，對關鍵質量指標進行打分評價[4]。根據指標評價結果，進一步對爐次進行評價打分，通過打分評價實現質量精細化管理。

指標評價，以爐次為周期，提取爐次周期內的關鍵質量指標作為評價對象，針對每個爐次周期內各指標進行打分評價。根據各工序關鍵指標標準上下限的特點和指標值的特點，進行分類分析，提供有針對性的評價算法。

3.3.1 評價算法

針對單值指標，如爐次終點碳，指標值是單一數值，系統提供目標偏差率、階梯打分兩種算法進行評價。針對多值指標，如拉速，在一個爐次周期內對應一組數據，針對這類指標系統提供合規率和目標偏差率&合規率組合評價兩種評價算法。

3.3.2 指標評價報告

針對每個工序下的每個指標進行評價后，系統生成指標評價報告。

爐次評價如表1 所示，在實際煉鋼質量管理控制中，經常根據指標的屬性和重要性分不同組進行分類評價。評價之前需要預先定義爐次指標組包含的指標范圍和權重。

表1 爐次指標組包含的指標范圍和權重

3.4 煉鋼質量分析

3.4.1 實時指標分析

實時指標以秒級或毫秒級間隔采集，能夠精細化反映生產過程中指標變化趨勢，有助于回顧生產過程，了解生產控制細節。該環節若按時段對比分析，對比同一時段不同指標項的趨勢，有助于發現指標間相互影響關系[5]。若按爐次對比分析，通過對比質量異常爐次和優等爐次之間指標趨勢關系，輔助分析質量異常爐次的問題根源。

3.4.2 爐次分析

爐次分析以爐號為主線，關聯爐次轉爐、精煉和連鑄各工序關鍵指標數據，提供數據查詢，快速了解每個爐次基本信息。通過指標趨勢分析、指標對比分析，直觀展示指標特征，發現指標異常的爐次。爐次分析主要功能如表2 所示。

表2 爐次分析主要功能表

3.4.3 質量分析工具

質量分析工具模塊提供從數據提取、數據預處理到數據分析全過程的數據分析功能。通過數據提取功能引入待分析數據，通過數據預處理功能完成數據分析之前數據準備工作，包括數據過濾、轉換和數據分布特征的預分析。

數據分析方面，系統提供圖形分析、Cpk 分析、SPC 分析、相關分析和主成分分析等多種分析工具，幫助用戶更加便捷地進行數據分析。數據提取模塊完成待分析數據的提取、預處理過程，系統提供多種數據提取方式和預處理功能，輔助用戶在正式分析之前對數據進行多維度篩選和整理。

1）系統支持以大數據平臺、外部Excel 文件以及用戶在系統中保存的數據集作為分析的目標數據集。

2）字段范圍選擇：針對提取的數據集，系統提供字段篩選功能，只保留目標分析字段，對無關字段進行刪減。

3）數據檢查：對當前的數據集進行初步的空值檢查和數據分布統計，便于了解數據構成情況。

4）單條刪除：在數據列表中針對個別單條數據，提供單條刪除功能，方便對數據進行更細粒度的篩選。

5）數據預處理：系統提供刪除空值、指定字段值范圍和指定數據分類等方式進行數據預處理。

6）數據導出Excel：處理結果數據支持導出為本地Excel 文件，在系統外進一步分析或作為輸入數據再次導入系統分析。

4 結語

本文從煉鋼質量控制過程大數據參數配置出發，在介紹煉鋼質量控制大數據系統的設計要點的基礎上，對煉鋼質量控制大數據系統進行了設計，科學精準地控制煉鋼過程，有效提升了鋼材質量。