一、研究的背景與問題
項目應(yīng)用數(shù)字技術(shù)解決了煉鐵傳統(tǒng)工藝導(dǎo)致的設(shè)備難題；以現(xiàn)場問題解決為目標，針對高爐熱風(fēng)系統(tǒng) 4 座熱風(fēng)爐交替燒爐送風(fēng)時，因應(yīng)力沖擊導(dǎo)致的耐材破損、波紋補償器結(jié)構(gòu)燒穿等，需要頻繁停爐檢修的工藝技術(shù)難題，建立了高爐熱風(fēng)管系數(shù)字化實時應(yīng)力可視化監(jiān)測模型。
為了解決高爐熱風(fēng)系統(tǒng) 4 座熱風(fēng)爐交替燒爐送風(fēng)時，因應(yīng)力波動引發(fā)的耐材破損、結(jié)構(gòu)燒穿等難題，開展了鋼結(jié)構(gòu)與耐材結(jié)構(gòu)協(xié)同穩(wěn)定性優(yōu)化研究。通過開發(fā)在線無焊接箱型可調(diào)式位移穩(wěn)定調(diào)節(jié)系統(tǒng)，有效解決了結(jié)構(gòu)位移超設(shè)計標準所導(dǎo)致的波紋補償器失效、耐材松動脫落等現(xiàn)象，保障波紋補償器穩(wěn)定運行及耐材軸向穩(wěn)固。為應(yīng)力可視精準監(jiān)測創(chuàng)造良好條件。開發(fā)壓力式傳感器檢測大量程拉應(yīng)力裝置，構(gòu)建熱風(fēng)管系可視化實時應(yīng)力監(jiān)測模型；實現(xiàn)換爐數(shù)字化應(yīng)力線性均勻上升，達成現(xiàn)有操作無法實現(xiàn)的理想目標。
該項目研發(fā)高爐熱風(fēng)管系換爐應(yīng)力數(shù)字化線性控制模型 V1.0，并開發(fā) IT 與 OT 技術(shù)融合的邊緣可視化軟件，突破傳統(tǒng)工藝目標 PID 調(diào)節(jié)技術(shù)邊界，實現(xiàn)傳統(tǒng)經(jīng)典工藝目標PID場景應(yīng)用；不僅解決了高爐煉鐵生產(chǎn)傳統(tǒng)工藝設(shè)備難題及高爐大型化凸顯的行業(yè)痛點，也為高爐熱風(fēng)裝備在現(xiàn)有邊界內(nèi)實現(xiàn)長壽奠定了關(guān)鍵技術(shù)。我國有近千座高爐，且此新技術(shù)投入回收期僅需2-3個月，還可在線進行改造應(yīng)用，推廣應(yīng)用市場較大。
尤其是換爐應(yīng)力數(shù)字化線性調(diào)節(jié)模型及融合 IT 與 OT 邊緣可視化軟件等，填補多項行業(yè)空白，處國際領(lǐng)先水平；實現(xiàn)了無形應(yīng)力的可視可控。因此該技術(shù)不僅局限于冶金領(lǐng)域，憑借其經(jīng)濟性、穩(wěn)定性與快捷性方面的突出優(yōu)勢，具備向電力、化工等領(lǐng)域拓展應(yīng)用的廣闊前景，為傳統(tǒng)制造業(yè)持續(xù)優(yōu)化進步開辟了經(jīng)濟可視穩(wěn)定快捷的數(shù)字智能路徑。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
項目圍繞高爐煉鐵傳統(tǒng)工藝熱風(fēng)爐交替送風(fēng)產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力難題解決，與現(xiàn)有裝備邊界限制；應(yīng)用數(shù)字技術(shù)揭示傳統(tǒng)工藝應(yīng)力波動特征，發(fā)明目標逼近法PLC 快速運算智能調(diào)控模型，實現(xiàn)換爐應(yīng)力數(shù)字化控制，保障熱風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，達成滿足高爐煉鐵生產(chǎn)提升工藝與大型化安全穩(wěn)定生產(chǎn)需求的總體目標；同時低成本攻克大型高爐痛點難題,找到最經(jīng)濟最快捷的技術(shù)路徑。
三、主要創(chuàng)新性成果
1、開發(fā)無焊接箱型可調(diào)式熱風(fēng)出口位移調(diào)控裝置
大型高爐煉鐵生產(chǎn)，為了提升生產(chǎn)效率及循環(huán)利用高爐生產(chǎn)產(chǎn)生的煤氣，通常配備4座熱風(fēng)爐，采用“二燒二送”工藝，將空氣通過熱風(fēng)爐加熱到1250℃左右，匯總到熱風(fēng)總管進入熱風(fēng)圍管，均勻分入36～42送風(fēng)支管，經(jīng)過風(fēng)口鼓入高爐內(nèi)部，進行燃燒和氧化還原反應(yīng)，完成高爐煉鐵生產(chǎn)將鐵礦石冶煉成合格鐵水。
熱風(fēng)總管由鋼殼、補償器、穩(wěn)定拉桿及耐材組成，正常生產(chǎn)運行中為了保持風(fēng)溫的穩(wěn)定2小時“換爐”一次，熱風(fēng)總管在不同位置承受巨大“盲板力”的作用，鋼殼將產(chǎn)生一定的位移，管系鋼殼結(jié)構(gòu)的位移量達15～20mm以上超過耐材與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)承受量,運行5年后熱風(fēng)總管呈弓形，無法調(diào)回直線狀態(tài)，管系耐材工作狀態(tài)惡化不斷加劇。
研發(fā)的熱風(fēng)爐熱風(fēng)管道位移調(diào)整控制裝置，可在線安裝在熱風(fēng)爐熱風(fēng)出口的中心線位置，由安裝在熱風(fēng)爐上的半環(huán)抱箍與熱風(fēng)總管上的整環(huán)抱箍，通過箱型大拉桿連接為一體，兩邊對稱布置2個箱型大拉桿，大拉桿采用方法蘭采用多螺栓連接，箱型大拉桿強度可保障鋼殼結(jié)構(gòu)位移量控制在5mm內(nèi)滿足耐材軸向穩(wěn)定運行的要求；同時通過在箱型拉桿方法蘭中安裝墊片調(diào)整，可將4座熱風(fēng)爐總管中心線位置調(diào)整恢復(fù)到原設(shè)計的直線狀態(tài)。
2、研發(fā)熱風(fēng)總管波紋補償器耐材防徑向松動結(jié)構(gòu)
熱風(fēng)管系位移穩(wěn)定系統(tǒng)，雖有效控制管系鋼殼的位移量，然應(yīng)對交替換爐送風(fēng)的特殊工藝，熱風(fēng)管系上熱風(fēng)爐與總管之間、總管與圍管之間、每座熱風(fēng)爐位置之間，安裝了數(shù)個波紋補償器。換爐應(yīng)力導(dǎo)致的位移波動主要由波紋補償器來吸收，從而致使內(nèi)部耐材松動，尤其是波紋補償器頂部700～900工作磚砌筑泥漿在交替波動的位移作用下破損后被風(fēng)吹走，導(dǎo)致耐材松動脫落。隨著耐材技術(shù)的進步澆筑料澆筑、異形組合磚砌筑，應(yīng)對爐窯高強度、大型化、快節(jié)奏發(fā)展，改進傳統(tǒng)砌筑方式，優(yōu)化波紋補償器耐材徑向防松動結(jié)構(gòu)。
熱風(fēng)總管波紋補償器防松動耐材結(jié)構(gòu)，采用波紋補償器工作層耐材上部1600拱頂整體結(jié)構(gòu)（或大塊異形組合結(jié)構(gòu)），與下部2000多磚砌筑結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)，協(xié)同應(yīng)對交替送風(fēng)熱風(fēng)壓力波動，產(chǎn)生的徑向應(yīng)力波動由下部多磚砌筑結(jié)構(gòu)緩沖吸收，從而而保護上部拱頂整體結(jié)構(gòu)不受損而產(chǎn)生裂紋，確保不竄漏風(fēng)而保障鋼殼結(jié)構(gòu)溫度穩(wěn)定強度良好，從而保障耐材與鋼殼、及下部多磚耐材與拱頂整體耐材相互協(xié)同作用、相互協(xié)同保護，保證了整體耐材在這種特殊工作狀態(tài)下，始終保持波紋補償器設(shè)計邊界不突破實現(xiàn)長壽目標。
3、發(fā)明熱風(fēng)爐出口防耐材松動新結(jié)構(gòu)
高爐大型化風(fēng)量風(fēng)壓大幅提升，換爐時爐內(nèi)熱氣流以7.5m/s左右的速度完成熱交換，經(jīng)熱風(fēng)出口進入￠1800的熱風(fēng)總管氣流速度急劇增加到50m/s左右，高速氣流在熱風(fēng)爐出口處上方拐900急彎，對位于爐體內(nèi)側(cè)的熱風(fēng)出口上部拐彎處的耐火材料工作層（砌筑的工作層耐火磚）產(chǎn)生強力沖涮，造成該處耐材松動脫落，進而導(dǎo)致拱頂處坍塌；最后逐步致使熱風(fēng)爐出口上方的大墻磚耐材松動、脫落，繼而引發(fā)熱風(fēng)爐出口上方爐殼燒穿的惡劣事故，迫使熱風(fēng)爐停爐降溫，進行長達6個月左右的大修。
針對現(xiàn)有技術(shù)中熱風(fēng)爐熱風(fēng)出口存在的上述問題，發(fā)明了熱風(fēng)爐熱風(fēng)出口結(jié)構(gòu)及其砌筑工藝，具有高穩(wěn)定性來抵御急速、高溫、強風(fēng)侵蝕的能力顯著增強，可極大的延長熱風(fēng)爐熱風(fēng)出口處爐體壽命。尤其對熱風(fēng)進口拐彎處增設(shè)機翼流線型凸臺結(jié)構(gòu)，可最大限度的彌補相貫線處承受出口拐彎處強沖擊能力；保證耐材在此特殊苛刻的工作狀態(tài)下的穩(wěn)定長壽。
4、創(chuàng)建了高爐熱風(fēng)管系實時應(yīng)力檢測系統(tǒng)
高爐單列式熱風(fēng)爐熱風(fēng)管道系統(tǒng)，由4個高爐熱風(fēng)爐單元組成，每個熱風(fēng)爐單元的熱風(fēng)出口水平中心線位置兩邊已經(jīng)在線增設(shè)了箱型大拉桿穩(wěn)定裝置，該裝置不僅控制了熱風(fēng)出口的軸向位移；同時8個箱型拉桿的協(xié)同也控制了熱風(fēng)總管的軸向位移控制在了5mm內(nèi)。實現(xiàn)了熱風(fēng)管系的整體位移穩(wěn)定達到了設(shè)計要求。
在8個熱風(fēng)爐出口已經(jīng)增設(shè)的箱型穩(wěn)定大拉桿中安裝大量程拉應(yīng)力檢測裝置，實時采集熱風(fēng)管系工作應(yīng)力波動建立實時應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，利用先前的方法蘭連接方式方便應(yīng)力檢測裝置的安裝調(diào)整，實施中發(fā)現(xiàn)將8個檢測元件數(shù)據(jù)標定到同一數(shù)值。
創(chuàng)建在線安裝高爐熱風(fēng)管系實時應(yīng)力檢測系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)的冷態(tài)安裝裝態(tài)與熱態(tài)工作裝態(tài)位移偏差嚴重超標的難題；熱風(fēng)管系軸向位移穩(wěn)定控制恢復(fù)調(diào)整系統(tǒng)，實現(xiàn)了單列式熱風(fēng)爐熱風(fēng)管系移量調(diào)控到3mm以內(nèi)，進一步保障了高爐熱風(fēng)管系耐材長期運行的安全性、穩(wěn)定性。且在高爐休風(fēng)時還具有反向預(yù)應(yīng)力作用，更有效的保護了波紋補償器。實現(xiàn)了波紋補償器在安全位移范圍內(nèi)穩(wěn)定運行而不再破損。
5、發(fā)明應(yīng)用壓力式傳感器檢測大量程拉應(yīng)力數(shù)據(jù)采集裝置
現(xiàn)代化大型工業(yè)生產(chǎn)具有強負荷、高壓力、快速度、急流量的生產(chǎn)運行特點，針對該現(xiàn)狀可通過監(jiān)測壓力設(shè)備保護拉桿拉應(yīng)力變化情況，掌握對應(yīng)設(shè)備實時運行狀況。在壓力管道、容器、設(shè)備的加強保護拉桿中，安裝應(yīng)用牛頓第三定律原理發(fā)明了法蘭與螺栓組合結(jié)構(gòu)的壓力式應(yīng)力傳感器檢測拉應(yīng)力裝置，實時監(jiān)測拉桿超大拉應(yīng)力變化，建立設(shè)備實時應(yīng)力可視化監(jiān)測模型。
現(xiàn)場實施中壓力式應(yīng)力傳感器選用稱重傳感器。常用壓力式稱重傳感器量程可高達5×106牛頓。通常壓力管道容器設(shè)備四周均勻安裝2～8個拉桿。每個拉桿中間安裝同一型號壓力式稱重傳感器。數(shù)個傳感器之和為設(shè)備應(yīng)力量模擬數(shù)據(jù)。
實施中左側(cè)三片法蘭連接螺栓全部從奇數(shù)號孔穿過，右側(cè)三片法蘭連接螺栓全部從偶數(shù)孔穿過，壓力傳感器安裝在中間2片法蘭中，通過螺栓調(diào)整對壓力傳感器進行標定，每個拉桿初始顯示傳感器的數(shù)據(jù)保持一致。
6、研發(fā)了壓力管道實時應(yīng)力監(jiān)測模型
由于高壓力管道、容器等設(shè)備都配套設(shè)計保護拉桿組，研究的實時應(yīng)力監(jiān)測模型方案是在每個保護拉桿中，介入安裝法蘭及螺栓組合結(jié)構(gòu)大量程實時應(yīng)力檢測裝置；建立壓力管道、容器設(shè)備的實時應(yīng)力檢測模型，可直觀的看到壓力管道、容器等設(shè)備工作應(yīng)力波動趨勢，結(jié)合設(shè)備生產(chǎn)運行工藝特點與對應(yīng)的可視化應(yīng)力曲線，就能夠透明的掌握對應(yīng)設(shè)備運行狀況；對設(shè)備應(yīng)力變化趨勢進行預(yù)判，依靠PLC系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型精準調(diào)控設(shè)備運行進程參數(shù)，有效控制壓力管道的應(yīng)力變化趨勢，緩解沖擊載荷波動，保障設(shè)備安全平穩(wěn)運行。
①建立壓力管道實時應(yīng)力監(jiān)測模型控制邏輯
現(xiàn)場實施時通過現(xiàn)場儀表顯示箱調(diào)整傳感器調(diào)整固定螺栓，保證每個應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)相同。完成模型初始計算模型數(shù)值設(shè)定。用量化的數(shù)據(jù)保證大直徑壓力管道的受力均勻，進一步提升了穩(wěn)定性、安全性。
②標定應(yīng)力監(jiān)測模型F總值流程
按照計算設(shè)備應(yīng)力的1.3倍數(shù)據(jù)，調(diào)整設(shè)備穩(wěn)定運行時儀表顯示初始值 F總1。當(dāng)設(shè)備停機檢修時系統(tǒng)顯示F總2。
設(shè)備穩(wěn)定運行的實際應(yīng)力模擬數(shù)據(jù)：
F標= F總1- F總2
設(shè)備再次穩(wěn)定運行時以F標數(shù)值為系統(tǒng)基準值，重新調(diào)整緊固螺栓完成應(yīng)力模擬數(shù)值的標定。
7、掌握高爐熱風(fēng)換爐換爐工藝下實時應(yīng)力波動場景
針對現(xiàn)代大型高爐熱風(fēng)管系運行出現(xiàn)熱風(fēng)閥法蘭松動漏風(fēng)、波紋補償器發(fā)紅、耐材松動脫落、總管發(fā)紅、熱風(fēng)爐出口松動脫落及熱風(fēng)爐出口區(qū)域大墻磚破損等系列問題，提供了高爐熱風(fēng)管系換爐應(yīng)力線性調(diào)節(jié)應(yīng)用場景。
大型高爐4座熱風(fēng)爐換爐應(yīng)力線性運行框如圖9所示。根據(jù)熱風(fēng)爐工藝布置特點，在每座熱風(fēng)爐與熱風(fēng)總管連接的熱風(fēng)出口安裝建立熱風(fēng)出口應(yīng)力檢測模型系統(tǒng)。通過應(yīng)力變化曲線找到冷風(fēng)閥、熱風(fēng)閥動作的對應(yīng)關(guān)系，制定換爐應(yīng)力波動線性控制目標。編制數(shù)學(xué)線性控制模型程序；精準控制閥門開關(guān)液壓伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)換爐應(yīng)力波動線性化。
高爐熱風(fēng)管系實時應(yīng)力監(jiān)測模型，檢測到高爐熱風(fēng)出口在生產(chǎn)換爐操作時，可視化應(yīng)力曲線圖如圖10所示，驗證了計算出管道波動盲板應(yīng)力從6×105牛頓突增到18×105牛頓，300秒增加了3倍；關(guān)鍵是可視化應(yīng)力曲線揭示了未知的冷風(fēng)閥開啟時有30秒左右應(yīng)力突增2倍多，是導(dǎo)致耐材與波紋管頻繁破損的關(guān)鍵是波紋補償器失效的要因；為數(shù)字化線性控制明確了方向。
8、發(fā)明目標逼近法PLC快速運算智能調(diào)控模型
為實現(xiàn)換爐應(yīng)力均勻線性上升，只有依靠數(shù)字智能技術(shù)；將采集到的高爐熱風(fēng)管系換爐應(yīng)力的最大值SAMax減去應(yīng)力最小值SAMin，除以換爐應(yīng)力時間（單位秒）得出換爐瞬時目標值SATarget/s，每次換爐時每秒檢測實時熱風(fēng)管系應(yīng)力與目標值SATarget對比，小于目標值則加快換爐閥門開啟速度；反之大于目標值則減緩換爐閥門開啟速度；即換爐閥門不再是勻速開關(guān)。
通過閥門開關(guān)的液壓系統(tǒng)精度升級，以出口短管實時應(yīng)力數(shù)據(jù)變化為依據(jù)，精準控制閥門開啟進程的方式建立數(shù)學(xué)模型，以PLC程序給出指令，由伺服閥實現(xiàn)智能應(yīng)力上升線性控制換爐操作閥門，降低換爐過程中波動的關(guān)鍵沖擊載荷，鋼殼結(jié)構(gòu)的位移量從3mm降低到了1mm左右，保障了整個熱風(fēng)系統(tǒng)耐材不在松動、不破損，熱風(fēng)爐壽命大大延長，保障了熱風(fēng)管系鋼殼結(jié)構(gòu)與波紋補償器關(guān)鍵高壓生產(chǎn)設(shè)備安全穩(wěn)定運行，有望實現(xiàn)熱風(fēng)爐不再涼爐檢修。
四、應(yīng)用情況與效果
馬鋼A B高爐驗證大型高爐熱風(fēng)爐管系，建立熱風(fēng)管系實時應(yīng)力監(jiān)測模型以及換爐應(yīng)力智能線性上升控制模型，精準調(diào)節(jié)換爐閥門運行過程控制，告竣換爐應(yīng)力線性均勻上升，達成現(xiàn)有操作無法實現(xiàn)的理想目標。降低了換爐應(yīng)力沖擊載荷，減少了設(shè)備沖擊疲勞負荷、保障耐材穩(wěn)定工作、大幅延長鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備使用壽命，滿足熱風(fēng)爐長壽目標需求；實現(xiàn)人工操作無法達成的理想目標，真正提升了數(shù)字智能技術(shù)的用戶體驗感。
馬鋼A高爐2021年12月大修結(jié)束投入生產(chǎn)，2022年10月熱風(fēng)換爐應(yīng)力智能線性控制系統(tǒng)投入運行，B高爐2022年12月大修結(jié)束投入生產(chǎn)，暫沒有投入熱風(fēng)換爐應(yīng)力智能線性控制系統(tǒng)；2023年6月實時對比2座高爐熱風(fēng)管系紅外監(jiān)控溫度數(shù)據(jù)，運行18個月的A高爐優(yōu)于運行6個月的B高爐，平均溫度低13.25℃，最高溫度低26℃，運維優(yōu)勢明顯。
應(yīng)用成熟、可靠、經(jīng)濟的檢測設(shè)備，采用壓力式稱重傳感器，發(fā)明大量程拉力檢測裝置，準確采集到換爐的沖擊拉應(yīng)力，開發(fā)壓力管道應(yīng)力可視化監(jiān)測模型，成功的揭示了高爐熱風(fēng)爐傳統(tǒng)工藝的應(yīng)力波動特征，是智能制造的首選場景，更是傳統(tǒng)制造業(yè)應(yīng)用數(shù)字技術(shù)解決當(dāng)期難題最經(jīng)濟快捷的技術(shù)路徑。不僅保障熱風(fēng)爐長周期安全穩(wěn)定運行，也契合了當(dāng)前低碳煉鐵技術(shù)進步的智能制造需求。
信息來源：馬鞍山鋼鐵股份有限公司
