一、研究的背景與問題
隨著國家對鋼鐵行業(yè)環(huán)保和節(jié)能減排要求的提高，政府出臺(tái)一系列相關(guān)政策，鼓勵(lì)鋼鐵企業(yè)采用新技術(shù)、新工藝，實(shí)現(xiàn)綠色、低碳、高效的生產(chǎn)方式。高爐智能布料調(diào)控技術(shù)作為鋼鐵行業(yè)的重要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)之一，可以通過優(yōu)化布料過程，降低能耗和排放，滿足環(huán)保政策的要求。
競爭壓力增大：全球鋼鐵市場競爭激烈，企業(yè)間的競爭壓力不斷增大。為在市場中保持競爭力，鋼鐵企業(yè)需要不斷尋求技術(shù)創(chuàng)新和突破。高爐智能布料調(diào)控技術(shù)作為鋼鐵行業(yè)的重要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)之一，可以幫助企業(yè)提升生產(chǎn)效率、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而在市場中獲得競爭優(yōu)勢。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，智能化已經(jīng)成為鋼鐵行業(yè)的重要發(fā)展趨勢。高爐智能布料調(diào)控技術(shù)作為鋼鐵行業(yè)智能化的重要體現(xiàn)之一，可以實(shí)現(xiàn)對高爐布料過程的自動(dòng)化、智能化控制，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
目前，高爐智能布料調(diào)控技術(shù)已經(jīng)取得一定的研究成果和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。但是該技術(shù)仍存在一些挑戰(zhàn)和問題，如技術(shù)成熟度、系統(tǒng)穩(wěn)定性、成本控制等，需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
1、項(xiàng)目研究技術(shù)路線
智能制造技術(shù)已成為世界制造業(yè)發(fā)展的客觀趨勢，而高爐布料制度是高爐冶煉工藝的核心環(huán)節(jié)，如何對布料制度的合理性進(jìn)行定量化分析，在生產(chǎn)過程中隨著原料質(zhì)量、料批大小、高爐爐料結(jié)構(gòu)、焦炭負(fù)荷、風(fēng)量等的改變，如何根據(jù)爐況變化對布料制度進(jìn)行合理優(yōu)化調(diào)整。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能系統(tǒng)實(shí)施高爐智能布料調(diào)控技術(shù)來降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、減少爐況波動(dòng)迫在眉睫。
圖1 項(xiàng)目研究技術(shù)路線
興澄煉鐵從如何對布料制度的合理性進(jìn)行定量化分析，如何對料面形狀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以及如何提高冶煉過程中的穩(wěn)定性和可靠性等方面出發(fā)，開展高爐智能布料調(diào)控技術(shù)研發(fā)，項(xiàng)目研究的技術(shù)路線如圖1所示。
2、項(xiàng)目實(shí)施方案
（1）高爐布料制度的定量化分析
監(jiān)測指標(biāo)：為了對布料制度的合理性進(jìn)行定量化分析，需要監(jiān)測一系列關(guān)鍵指標(biāo)，如原料質(zhì)量、料批大小、高爐爐料結(jié)構(gòu)、焦炭負(fù)荷、風(fēng)量等。這些指標(biāo)的變化將直接影響高爐的冶煉效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
數(shù)據(jù)采集與分析：通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)時(shí)采集高爐冶煉過程中的數(shù)據(jù)，包括溫度、壓力、流量等。利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，以評估布料制度的合理性。
建立模型：研究爐料的顆粒狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，建立合理的數(shù)學(xué)表達(dá)式，是開發(fā)高爐數(shù)學(xué)模型和建立合理布料操作的需要。
（2）高爐智能布料調(diào)控技術(shù)的研發(fā)
軟件開發(fā)：采用CS架構(gòu)，使用.NET語言進(jìn)行開發(fā)，包括服務(wù)端、客戶端、Socekt通訊服務(wù)等。
功能設(shè)計(jì)：包括動(dòng)態(tài)模擬高爐裝料過程、料面形狀、料面下移過程，實(shí)時(shí)計(jì)算分析布料矩陣對應(yīng)的徑向礦焦層厚度及礦焦比分布，為高爐操作者布料制度調(diào)整提供量化依據(jù)。
軟件測試及優(yōu)化：利用興澄特鋼1#高爐短期休風(fēng)的機(jī)會(huì)，對高爐極限角、布料軌跡及料面形狀等內(nèi)容進(jìn)行軟件測試和分析優(yōu)化。
（3）高爐智能布料調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用
實(shí)時(shí)調(diào)整：根據(jù)爐況變化，實(shí)時(shí)調(diào)整布料制度。例如，當(dāng)原料質(zhì)量下降時(shí)，可以適當(dāng)縮小焦礦布料角度，以維持邊緣和中心兩道氣流，保證爐況順行。
診斷與優(yōu)化：利用云計(jì)算和人工智能算法，對高爐冶煉過程進(jìn)診斷和預(yù)測。根據(jù)診斷結(jié)果，提前調(diào)整布料制度，以應(yīng)對可能出現(xiàn)的爐況波動(dòng)。
智能化決策：通過智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對高爐布料制度的智能化決策。系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和預(yù)測結(jié)果，自動(dòng)調(diào)整布料參數(shù)，使高爐的冶煉過程更加穩(wěn)定和高效。
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、高爐布料制度評估模型的建立
通過研究爐料的顆粒狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，建立合理的數(shù)學(xué)表達(dá)式和布料制度評估模型，能夠準(zhǔn)確分析高爐現(xiàn)行的布料矩陣以及布料矩陣調(diào)整后的料面形狀。這一模型為高爐布料制度的優(yōu)化提供科學(xué)的量化依據(jù)。
2、高爐智能布料調(diào)控技術(shù)的研發(fā)
研發(fā)基于CS架構(gòu)的高爐智能布料調(diào)控軟件，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成、三維可視化模擬、料流軌跡及下移過程監(jiān)控等功能，實(shí)現(xiàn)高爐裝料過程的動(dòng)態(tài)模擬和實(shí)時(shí)監(jiān)控。
該技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算分析布料矩陣對應(yīng)的徑向礦焦層厚度及礦焦比分布，為操作員提供布料制度的優(yōu)化建議，并支持離線模擬驗(yàn)證，幫助確定最佳布料策略。
3、高爐冶煉過程的智能化決策支持
結(jié)合云計(jì)算和人工智能算法，對高爐冶煉過程進(jìn)行診斷和預(yù)測，提前調(diào)整布料制度以應(yīng)對可能出現(xiàn)的爐況波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高爐布料制度的智能化決策。這一創(chuàng)新提高高爐冶煉過程的穩(wěn)定性和效率，降低生產(chǎn)成本和能源消耗。
四、應(yīng)用情況與效果
高爐智能布料調(diào)控技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用在興澄煉鐵應(yīng)用后，高爐爐況能保持穩(wěn)定順行，而且?guī)淼慕?jīng)濟(jì)效益十分可觀，實(shí)施效果如下：
1、高爐智能布料調(diào)控技術(shù)通過實(shí)時(shí)調(diào)整布料制度，如根據(jù)原料質(zhì)量變化調(diào)整焦礦布料角度，確保爐內(nèi)原料分布均勻，有利于煤氣流的均勻分布和充分利用，提高煤氣利用率。同時(shí)利用云計(jì)算和人工智能算法，對高爐冶煉過程進(jìn)行診斷和預(yù)測，提前發(fā)現(xiàn)爐況波動(dòng)的趨勢，并據(jù)此調(diào)整布料制度，避免爐況波動(dòng)導(dǎo)致的煤氣利用效率下降。
圖2 成果應(yīng)用前后煤氣利用率變化情況
從圖2可以看出，1#高爐的煤氣利用率從2022年的46.82%逐年上升至2024年的48.96%；2#高爐的煤氣利用率從2022年的49.00%逐年上升至2024年的50.16%；3#高爐的煤氣利用率從2022年的47.03%逐年上升至2024年的49.17%。綜合來看，高爐智能布料調(diào)控技術(shù)在三個(gè)高爐應(yīng)用后，各高爐的煤氣利用率在2022年至2024年間均顯示出上升趨勢。
2、從圖3中可以看出，1#高爐綜合入爐品位從2022年的58.01%逐年下降至2024年的57.42%；2#高爐綜合入爐品位從2022年的57.74%逐年下降至2024年的57.53%；3#高爐綜合入爐品位從2022年的58.01%逐年下降至2024年的57.53%。通常情況下，當(dāng)鐵礦石品位降低時(shí)，需要更多的焦炭來提供足夠的熱量和還原能力，以將鐵礦石中的氧化鐵還原成金屬鐵，所以高爐綜合入爐品位的下降會(huì)導(dǎo)致焦比上升。
圖3 成果應(yīng)用前后綜合入爐品位變化情況
然而，從圖4中可以看出，盡管綜合入爐品位有所下降，三座高爐的焦比卻呈現(xiàn)下降趨勢：1#高爐焦比從2022年的335.27 kg/t逐年下降至2024年的305.06 kg/t；2#高爐焦比從2022年的310.97 kg/t逐年下降至2024年的296.45 kg/t；3#高爐焦比從2022年的334.94 kg/t逐年下降至2024年的304.77 kg/t。由于高爐智能布料調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用，通過實(shí)時(shí)調(diào)整布料制度，優(yōu)化原料和焦炭的分布，即使在原料質(zhì)量下降的情況下，也能提高煤氣利用率，從而降低焦比。
圖4 成果應(yīng)用前后焦比變化情況
3、興澄煉鐵高爐的主要生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)整體呈現(xiàn)向好趨勢，特別是一級(jí)品率的顯著提高和焦比、燃料比的下降，表明產(chǎn)品質(zhì)量的提升，主要生產(chǎn)指標(biāo)如下表1所示：
表1 興澄煉鐵高爐生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)
信息來源：江陰興澄特種鋼鐵有限公司
