球團工藝是鋼鐵原料制備的關鍵工序之一，高比例球團精料冶煉是低碳高爐的主要發(fā)展方向，且球團法是我國貧細散雜的鐵礦石精選后最優(yōu)造塊方式，全球主流的非高爐煉鐵工藝氣基豎爐直接還原也以優(yōu)質的氧化球團為原料。我國現(xiàn)有球團生產(chǎn)線近300條，產(chǎn)能超2億噸，且球團礦占高爐煉鐵原料的比例仍在不斷增加。然而，現(xiàn)有大部分球團生產(chǎn)線的造球過程仍處于盲控、粗控狀態(tài)，給水量、給料量、造球機轉速等影響球團產(chǎn)質量的關鍵參數(shù)依賴人工經(jīng)驗，且現(xiàn)場缺乏有效的生球實時檢測手段，異常情況頻繁出現(xiàn)，導致造球生產(chǎn)不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率低、能耗高、污染嚴重等問題。基于上述背景及現(xiàn)存問題，智能造球系統(tǒng)架構共分為六層，基礎自動化層為底層執(zhí)行機構和設備，獲取的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸層的TCP/IP和OPC協(xié)議，經(jīng)PLC中轉后至服務器進行處理，同時將生球粒度數(shù)據(jù)、生產(chǎn)控制參數(shù)等關鍵數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)存儲層的各類數(shù)據(jù)庫中。應用層的視覺檢測、水料速控制等模型和算法讀取相關數(shù)據(jù)處理后做出控制決策，反饋至底層執(zhí)行機構，表現(xiàn)層負責生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時展示及人工控制參數(shù)的輸入。通過數(shù)據(jù)流自低向上、控制決策流自頂向下的方式，實現(xiàn)造球過程的智能控制。本項目基于成球可控關鍵參數(shù)研究，開發(fā)了原料穩(wěn)定制備技術、生球粒徑智能識別技術、高質高效智能造球控制技術、產(chǎn)質量評價技術及裝備，涵蓋了配料混料、生球分析、造球過程控制、成球效果評價的造球全流程，實現(xiàn)了穩(wěn)定造球及成球產(chǎn)質量的提高。造球是基于“滴水成球、霧水長大、無水緊密”的規(guī)律，將細磨物料加水潤濕，在機械力和毛細力的作用下滾動而形成一定粒度生球的過程。影響造球成球率的因素復雜，主要包括原料性能、機械設備、工藝參數(shù)。從原料性能的角度分析，受原料種類、物化特性、粘結劑種類和用量等因素的影響；從機械設備的角度分析，受造球機的轉速、傾角、邊高、刮刀以及高壓輥磨等因素的影響；從工藝參數(shù)的角度分析，受到來料量、給水量、造球時間等因素的影響。水分率和混勻度是造球原料的兩個關鍵工藝參數(shù)，直接影響造球系統(tǒng)成球效果。本項目通過研究原料水分波動對造球過程的影響規(guī)律，構建了水分率合格度評價體系，提出了精礦干燥水分率適宜分布區(qū)間，為干燥過程明確了控制目標。基于鐵礦原料與微波的強耦合特性，研究了不同水分率原料的脫水效率，采用濕度變異系數(shù)法，發(fā)明了混勻度在線評價系統(tǒng)，有效保障了造球原料的混勻效果。為保證造球過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性，需要穩(wěn)定的原料供應系統(tǒng)。本項目開發(fā)了結構簡單、功能可靠的缺料異常診斷裝置及旋轉式內(nèi)壁防粘結裝置，通過在料倉下料口處設置的物料檢測板及其連接的行程開關，實現(xiàn)物料料面高度及平整性的實時檢測。若檢測到缺料斷料異常，則啟動旋轉式內(nèi)壁防粘結裝置以清除堵料，避免了缺料、斷料等異常工況導致停產(chǎn)停機，確保了原料供應的穩(wěn)定性。圓盤造球機的球盤區(qū)域可分為成核區(qū)、長球區(qū)、穩(wěn)定區(qū)和出球區(qū)，本項目對比分析了在球盤不同區(qū)域分析粒徑的可能性及其效果，成核區(qū)和長球區(qū)生球尚未完全成型，分析粒徑無意義。因此，本項目基于“滴水成球、霧水長大、無水緊密”的造球規(guī)律，開發(fā)了出球區(qū)、穩(wěn)定區(qū)的成球圖像采集與分析技術，為造球過程智能控制提供關鍵參數(shù)。造球生產(chǎn)要求的適宜生球粒徑為8mm-16mm，為了滿足生產(chǎn)控制及現(xiàn)場工藝需求，需對生球粒徑設置合理的分布區(qū)間，同時對各區(qū)間占比設置適宜的控制目標。基于此，本項目提出了滿足控制要求的最佳粒徑分段統(tǒng)計標準及控制目標，為造球過程的智能穩(wěn)定控制提供數(shù)據(jù)基礎。針對出球區(qū)對反饋控制的滯后性及成球穩(wěn)定區(qū)相對超前的問題，本項目開發(fā)了基于機器視覺的生球粒徑檢測方法，通過對出球區(qū)全范圍、高精度、快速圖像采集，采用圓匹配分割圖像分析算法，發(fā)明了出球區(qū)粒徑精確識別技術，精度達±0.1mm；發(fā)明了穩(wěn)定區(qū)粒徑識別技術，克服球重疊交叉的難題。成球效果取決于造球機加水量、物料量及球盤轉速三個關鍵生產(chǎn)參數(shù)，現(xiàn)有球團生產(chǎn)線上前述三個參數(shù)的控制仍憑人工生產(chǎn)經(jīng)驗，導致生球成球質量差、成球率波動大。本項目通過研究水分對造球過程的影響規(guī)律，耦合出球分析的滯后性特點，開發(fā)了遞變性非恒量調(diào)水優(yōu)化控制技術，并結合實時生球粒徑視覺檢測結果，根據(jù)視覺分析得出的生球粒徑的分布區(qū)間統(tǒng)計結果及變化趨勢，確定目標加水量并形成遞變加水決策，有效提高了造球的質量和效率。造球機轉速過小，物料上升達不到圓盤的頂點，將造成母球形成區(qū)間空料，若轉速過大，盤內(nèi)物料將被甩到盤邊，造成盤心空料，甚至使母球形成過程停止。本項目開發(fā)了高魯棒性調(diào)速調(diào)料優(yōu)化控制技術，結合生球粒徑視覺檢測結果，分析不合格小球及大球的占比變化，以確定當前最優(yōu)目標轉速和給料量，有效解決原料條件異常時的特殊工況，保證造球機轉速適宜，從而確保造球生產(chǎn)過程的穩(wěn)定和高效。為了進一步提高造球盤生產(chǎn)過程的效率和穩(wěn)定性，實現(xiàn)造球盤無人值守的目標，本項目開發(fā)了造球盤大球自動剔除裝置，該裝置安裝在造球盤出球區(qū)上方大球易聚集的位置，經(jīng)過耙取、篩分、返料等步驟定時清除造球盤中的大球，并記錄大球的質量及清除時間，避免大球過多對成球效果的不利影響。造球系統(tǒng)產(chǎn)質量評價指標主要包括成品球產(chǎn)量以及生球合格率，其中成品球產(chǎn)量通過皮帶秤獲??；成球率檢測通過皮帶稱重計量經(jīng)過篩分系統(tǒng)的生球，并計算返礦量及平均成球率，該方法只能獲取整個造球系統(tǒng)的成球率而無法獲取單臺造球機的成球率。本項目采用基于原料與出球時空匹配的數(shù)據(jù)跟蹤技術，開發(fā)了單機成球率及系統(tǒng)成球率軟測量技術，通過對進入每臺造球機的物料量、給水量進行數(shù)據(jù)跟蹤，實時掌握成球狀態(tài)，從而為造球管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析及工藝水平提升提供數(shù)據(jù)支撐。同時，為了實現(xiàn)生球質量的在線評價，避免人工采樣檢測生球抗壓及下落強度帶來的誤差，本項目采用全自動取樣機器人與智能視覺定位技術，研制了生球強度在線檢測裝置，實現(xiàn)了生球質量評價的無人化。1、開發(fā)了高效穩(wěn)定的智能造球供料系統(tǒng)。探明了來料水分波動對造球過程的影響規(guī)律，構建了水分合格度評價體系及干燥過程最優(yōu)參數(shù)制度；研發(fā)了基于全流程數(shù)據(jù)跟蹤采集隊列與系統(tǒng)建模的無稱重倉位精確軟測量技術，開發(fā)了在線缺料異常工況診斷系統(tǒng)及裝置，研制了旋轉式內(nèi)壁防黏結裝置，供料系統(tǒng)效率與穩(wěn)定性顯著提升。2、發(fā)明了球團粒徑智能識別及預測技術。研究了造球盤出球區(qū)及穩(wěn)定區(qū)球團的運行規(guī)律，發(fā)明了重疊生球精確分割的粒徑智能識別技術，研發(fā)了基于全流程關鍵參數(shù)數(shù)據(jù)跟蹤隊列與長短時間序列預測的粒徑智能預測技術，實現(xiàn)了實時、實位的數(shù)字化成球，避免依賴人工經(jīng)驗產(chǎn)生的生球粒徑檢測誤差。3、開發(fā)了高質高效智能造球控制系統(tǒng)。研究了造球機可控成球關鍵參數(shù)對造球過程的影響規(guī)律，開發(fā)了異常工況下高魯棒性無人值守造球控制技術，首創(chuàng)了基于成球工藝關鍵參數(shù)預測技術的智能造球無人化控制技術，實現(xiàn)了造球過程的精準化和無人化。4、構建了生球產(chǎn)質量智能評價體系?；趤砹吓c出球時空匹配的數(shù)據(jù)跟蹤技術及全自動取樣機器人與智能視覺定位技術，開發(fā)了單機成球率及系統(tǒng)成球率軟測量技術，研制了生球強度在線檢測裝置，實現(xiàn)了全過程無人化的成球狀態(tài)實時監(jiān)測及生球質量在線評價。本項目已獲授權專利14件，其中發(fā)明專利13件；發(fā)表學術論文4篇；獲軟件著作權14項。2021年，本項目通過中冶集團科技成果鑒定，整體技術達國際領先水平。2022年，本項目獲冶金科學技術獎二等獎。本項目成果已成功至河北敬業(yè)鋼鐵、湖北金盛蘭鋼鐵、寶鋼湛江鋼鐵等球團工程，取得良好的經(jīng)濟和社會效益。目前已與中鋼濱海、燕鋼、越南和發(fā)等國內(nèi)外多家大型鋼鐵企業(yè)簽訂合同并正在實施。以120萬噸球團生產(chǎn)線為例，使用本項目技術后，供料穩(wěn)定性、成球產(chǎn)質量等多項性能大幅提升，且生態(tài)環(huán)境效益顯著。年產(chǎn)生球量提高6.1%，生球綜合合格率由79.3%提高至85.6%，返料量降低28%，年節(jié)電、節(jié)約煤氣折算標煤約246.9噸，減排CO2685.8噸；生球平均落下強度由5.5次提升至6次，生球抗壓強度由10.1N/個上升至11.1N/個，生球粒徑標準偏差由7.3%下降至2.2%，返礦量由51.75t下降至36t；現(xiàn)場崗位人數(shù)由11人減至4人。
