前言

隨著“碳達峰碳中和目標”“十四五規(guī)劃”等政策的推出，我國鋼鐵行業(yè)正在經(jīng)歷由“高速發(fā)展”到“淘汰落后產(chǎn)能，實現(xiàn)綠色、智能、可持續(xù)的高質量發(fā)展”的變化，同時還明確了鋼鐵行業(yè)在工藝裝備、鋼種質量、綠色發(fā)展、智能制造等方面的發(fā)展目標。此外，《關于促進鋼鐵工業(yè)高質量發(fā)展的指導意見》中也提到要把增強創(chuàng)新發(fā)展能力作為行業(yè)高質量發(fā)展的首要任務，突出了技術創(chuàng)新與改革的重要性和核心地位。

為響應國家政策并提高企業(yè)效益，近年來鋼鐵行業(yè)的兩化融合發(fā)展水平不斷提升，加大數(shù)字智能化的技術創(chuàng)新與集成力度已成為各鋼鐵企業(yè)轉型升級的主要手段，其中以高爐煉鐵的智能化與預測應用最為主要。鑒于高爐生產(chǎn)所涉及的工序眾多，其相關的數(shù)據(jù)存儲量龐大，類別繁雜，再加之高爐的動態(tài)生產(chǎn)導致數(shù)據(jù)本身存在非線性、波動性、滯后性、量綱差距大等特點，大數(shù)據(jù)技術在高爐煉鐵智能化領域中具有廣泛的發(fā)展前景與應用空間。

大數(shù)據(jù)技術的價值主要體現(xiàn)在對數(shù)據(jù)的高吞吐量以及信息處理的迅捷能力等方面，通過將大數(shù)據(jù)技術應用在高爐工藝產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)中，我們可以挖掘出隱藏在數(shù)據(jù)間的線性、非線性或者潛在規(guī)律，同時結合其它數(shù)字信息技術，例如機器學習、流式數(shù)據(jù)處理等，我們還可開發(fā)出相應的智能化系統(tǒng)以實現(xiàn)動態(tài)預測、實時預警等功能，這些也是目前研究人員和鋼鐵企業(yè)熱切關注的話題。

因此，實現(xiàn)高爐智能化有利于高爐各工序之間協(xié)同生產(chǎn)，保證高爐長期的穩(wěn)定順行，同時對產(chǎn)能提升和節(jié)能減排也具有積極的推動作用。本文將重點探討大數(shù)據(jù)技術與高爐煉鐵工藝的深度融合條件及應用現(xiàn)狀，并展望其在未來的發(fā)展前景。通過對這一領域的深入研究與探索，期待為高爐煉鐵領域的智能化、高質量發(fā)展注入新的活力，推動冶金工藝的創(chuàng)新與進步，為實現(xiàn)工業(yè)的轉型升級與可持續(xù)發(fā)展貢獻力量。

一

大數(shù)據(jù)技術的工業(yè)發(fā)展與應用趨勢

長期的工程實踐證明：特定的數(shù)學模型可以利用足夠多的代表性樣本（數(shù)據(jù)）來擬合真實情況，從而求得近似解，以解決實際問題。大數(shù)據(jù)技術正是基于上述理論，旨在運用數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)可視化以及智能評價等技術，從大體量和多類型的數(shù)據(jù)中提取潛在的高價值信息。工業(yè)大數(shù)據(jù)被定義為以智能制造模式為宗旨，圍繞流程內的多環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)而采用的一系列技術總稱。

隨著大數(shù)據(jù)，云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術不斷發(fā)展，鋼鐵工業(yè)領域已催生出適用于各種功能模塊的人工智能模型。在冶金學者的共同努力下，工業(yè)大數(shù)據(jù)技術的應用水平持續(xù)提升，其應用場景也逐步向多元化的方向發(fā)展。目前，大數(shù)據(jù)技術在工業(yè)領域的發(fā)展和應用主要呈現(xiàn)出如下趨勢：

1）智能制造驅動：大數(shù)據(jù)技術在工業(yè)生產(chǎn)中的應用將逐漸向智能制造方向演進。通過數(shù)據(jù)采集、分析和智能決策，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化、自動化和柔性化，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。

2）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合：通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術，將實現(xiàn)設備、產(chǎn)品和人員之間的信息共享和實時交互，推動整個產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同運作和智能化升級。

3）數(shù)據(jù)安全與隱私保護：隨著數(shù)據(jù)規(guī)模的不斷增大，數(shù)據(jù)安全和隱私保護成為工業(yè)大數(shù)據(jù)發(fā)展過程中的重要挑戰(zhàn)，加強數(shù)據(jù)安全技術研發(fā)和隱私保護政策制定，是確保大數(shù)據(jù)技術健康發(fā)展的關鍵。

4）邊緣計算應用：工業(yè)大數(shù)據(jù)的應用場景將逐步從中心化向邊緣化轉變。通過在生產(chǎn)現(xiàn)場、設備端和終端節(jié)點上部署邊緣計算設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理和分析，能夠顯著提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻憫俣群蜎Q策效率。 

5）生態(tài)合作與創(chuàng)新：大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展離不開產(chǎn)業(yè)生態(tài)合作和創(chuàng)新驅動。鋼鐵行業(yè)上下游企業(yè)之間的合作將更加緊密，形成產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，共同推動技術創(chuàng)新和應用落地。同時，政府、企業(yè)和科研機構之間的合作也將得到進一步加強，共同推動大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展和應用。

二

高爐煉鐵工藝應用大數(shù)據(jù)技術的條件

目前，高爐系統(tǒng)的CO2排放量占整體工業(yè)排放量的11.8%，能耗占7%，其工藝流程長，工序復雜，影響因素眾多，同時長期處在高溫、高壓，液、氣、固三相相互作用的條件下。故而，高爐冶煉不僅涉及復雜的反應過程，還是典型的“黑箱”模型，爐內的物理、化學變化規(guī)律難以描述。據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)高爐的各項技術指標幾乎已接近極限值。因此，從高爐本身的技術角度出發(fā)，我國高爐煉鐵的工藝技術水平提升已達瓶頸期，進一步的節(jié)能降耗空間有限。此外，由于高爐快節(jié)奏的強化冶煉不斷推進，高爐爐況的頻繁波動已成為常態(tài)，很難在保持上述技術指標的條件下達到長期的穩(wěn)定生產(chǎn)。

面臨上述問題，大多數(shù)鋼鐵企業(yè)為了維持高爐的順行只能被迫降低各項技術與經(jīng)濟指標。此刻，傳統(tǒng)技術已難以滿足鋼鐵工業(yè)的發(fā)展需求，而大數(shù)據(jù)技術卻為解決上述問題帶來了新的曙光，隨著工業(yè)大數(shù)據(jù)技術的快速發(fā)展，將大數(shù)據(jù)技術與冶金工業(yè)相結合，推動傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝向智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展已經(jīng)成為目前鋼鐵企業(yè)轉型升級、節(jié)能減排的重要手段。

鋼鐵企業(yè)的歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)浩瀚如煙，實時數(shù)據(jù)的體量巨大，且具有動態(tài)性、時變性、不確定性等特點，難于利用。雖然目前還沒有一種切實的方法來擬合高爐內部具體的反應過程，但其擁有的海量數(shù)據(jù)資源也為大數(shù)據(jù)技術的高效應用提供了基礎。對高爐煉鐵系統(tǒng)積累的數(shù)據(jù)集深度解析，挖掘原料成分、高爐運行參數(shù)、操作制度、生鐵質量之間的邏輯關系，結合大數(shù)據(jù)技術、機器學習算法和煉鐵理論來建立適用不同場景下的高爐煉鐵控制與調控模型有助于高度擬合高爐各設備參數(shù)之間的關聯(lián)性，為高爐的長久順行和產(chǎn)能調控提供技術保障。

但是，將大數(shù)據(jù)技術應用于高爐煉鐵領域中仍存在一些問題亟待解決：

1）數(shù)據(jù)采集信息的孤島問題嚴重：高爐工藝組成龐大，各工序往往建有單獨的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，缺乏有效的相互溝通及數(shù)據(jù)共享，造成上下游數(shù)據(jù)孤島問題嚴重。

2）數(shù)據(jù)質量和存儲技術面臨巨大挑戰(zhàn)：由于數(shù)采、設備、人為等的影響，數(shù)據(jù)質量存在錯誤、缺失等許多問題。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和文件管理方式已難以對海量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行有效保存、查詢與計算。

3）功能全面、準確的數(shù)學模型有待開發(fā)：高爐煉鐵的大數(shù)據(jù)倉庫單一，針對特定需求的功能全面、計算準確的數(shù)學模型有待開發(fā)。

4）專家經(jīng)驗的融入尚不深入：鑒于高爐生產(chǎn)的隨機性和動態(tài)性等特點，使得任何智能程度的機器模型都無法完全取代人類，目前高爐控制嚴重依賴現(xiàn)場專家的經(jīng)驗。因此，將專家經(jīng)驗量化，植入現(xiàn)有高爐大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中是實現(xiàn)高爐閉環(huán)式生產(chǎn)的必要條件。

5）數(shù)據(jù)價值尚未得到充分挖掘：大部分鋼鐵企業(yè)并沒有對海量數(shù)據(jù)進行深度挖掘，數(shù)據(jù)的重要價值未得到充分利用，造成巨大的經(jīng)濟效益流失。

在鋼鐵冶金、計算機、數(shù)理統(tǒng)計等多學科知識的交叉融合驅動下，我們可以從多源數(shù)據(jù)的高效采集與傳輸、高價值衍生參數(shù)的狀態(tài)感知與多維分析、智能決策的精準化推送和多序列數(shù)據(jù)的行為模式識別與智能推薦四個維度開展研究，運用知識圖譜、參數(shù)網(wǎng)絡、分布式存儲等新型信息管理與檢索技術實現(xiàn)大數(shù)據(jù)技術在高爐煉鐵領域中的縱深切入與橫向發(fā)展。另一方面，探索如何將語義化的專家經(jīng)驗轉換為數(shù)值型的編碼矩陣，以確保高爐調控決策的智能化、精準化推送，為現(xiàn)場生產(chǎn)提供指導。

綜上所述，基于現(xiàn)有的技術條件與功能需求，大數(shù)據(jù)技術與高爐煉鐵工藝的融合發(fā)展目標應該以構建一套符合高爐煉鐵理論、融合專家經(jīng)驗、基于數(shù)據(jù)雙向自流動的高爐智能化閉環(huán)監(jiān)測與控制系統(tǒng)為主，重點解決生產(chǎn)服務過程中的復雜性和不確定性問題，以提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)智能、高產(chǎn)、低成本的生產(chǎn)目標。

三

大數(shù)據(jù)技術與高爐煉鐵工藝的深度融合

自2020年以來，鋼鐵行業(yè)的生產(chǎn)開始進入低迷狀態(tài)，各大鋼鐵企業(yè)最關心的事情變成維持爐況的穩(wěn)定順行和優(yōu)化技術經(jīng)濟指標，最終達到降低成本的目的。近年來，華北理工大學與河鋼集團承鋼公司緊密合作，以鐵前工序為主要對象，針對前述提及的數(shù)據(jù)采集與存儲、專家經(jīng)驗的融入以及數(shù)學模型開發(fā)等問題，圍繞 “大數(shù)據(jù)平臺的建設”、“數(shù)據(jù)的標準化處理方法”、“關鍵參數(shù)的監(jiān)測預警系統(tǒng)”、“鐵前工序運行狀態(tài)的評價”和“爐況波動預警與智能調控模型”五個方面積極開展研究。

現(xiàn)已完成驗收并上線運行的項目包括：高爐煉鐵大數(shù)據(jù)平臺、燒結終點狀態(tài)預報系統(tǒng)、高爐綜合運行狀態(tài)評估系統(tǒng)、鐵水釩含量預測與決策系統(tǒng)、釩鈦高爐爐缸工作評價系統(tǒng)、高爐爐墻粘結異常狀態(tài)智能診斷系統(tǒng)、高爐懸料異常狀態(tài)智能診斷系統(tǒng)、高爐爐溫智能預測系統(tǒng)和煤氣流分布狀態(tài)智能識別模型等，取得了顯著效果。其中，高爐煉鐵大數(shù)據(jù)平臺的搭建是大數(shù)據(jù)技術與高爐煉鐵工藝深度融合的前提條件。以數(shù)據(jù)傳輸、存儲、調度、建模、交互分析等多重服務為設計原則，所采用的平臺架構見圖1。

在平臺搭建完成后，接入數(shù)據(jù)標準化的處理模塊以保證其結構性與高質量，包括數(shù)據(jù)標簽的補全、缺失值填充、異常值處理、歸一化等環(huán)節(jié)。隨后，針對特定的功能需求，采用相關性分析、理論驗證等方法研究工藝參數(shù)集與目標變量的影響關系，構造特征向量后輸入模型。當模型訓練完成后，在SaaS層實現(xiàn)功能移植與應用部署。以下將圍繞三個典型的高爐大數(shù)據(jù)應用展開介紹：

1）高爐綜合運行狀態(tài)評估系統(tǒng)。

高爐運行狀態(tài)的評價與控制是實現(xiàn)高爐智能煉鐵的關鍵技術之一，目前涉足該領域的研究較少。本課題以集成數(shù)據(jù)挖掘與分析、智能優(yōu)化與控制為一體的大數(shù)據(jù)技術為手段進行系統(tǒng)開發(fā)。首先，應用大數(shù)據(jù)挖掘技術、工藝理論和專家生產(chǎn)經(jīng)驗，研究了高爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)與鐵水產(chǎn)量、質量以及燃料比之間的關系，并建立了高爐運行情況的綜合評價和優(yōu)化體系。其次，開發(fā)了高爐運行情況的綜合打分評價系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)可以根據(jù)實時數(shù)據(jù)的運轉情況對當前高爐的運行狀態(tài)定量評分，同時給出當前波動參數(shù)的調整方向。最后，在經(jīng)過上線測試與調整優(yōu)化后，系統(tǒng)實現(xiàn)了高爐運行的智能優(yōu)化調整，為高爐智能化冶煉的應用提供了寶貴的經(jīng)驗和成功的應用范例。

系統(tǒng)于2020年8月正式部署上線，迄今為止運行情況良好，能夠準確捕捉高爐運行狀態(tài)的變化趨勢，評價結果與現(xiàn)場實際情況相符，滿足項目設計預期。

2）鐵水釩含量預測與決策系統(tǒng)。

提高釩收得率的同時保證高爐高產(chǎn)、順行是承鋼釩鈦高爐冶煉的目的和關鍵技術之一，利用傳統(tǒng)技術已很難實現(xiàn)突破和創(chuàng)新。以大數(shù)據(jù)和智能控制技術為基礎，課題組搭建了鐵水含釩量的預測與決策系統(tǒng)，實現(xiàn)了對鐵水含釩量的精準預測，并以此為依據(jù)確定了最佳鐵水含釩量與釩收得率的冶煉條件，給出調控建議，更好指導現(xiàn)場生產(chǎn)，如圖3所示。

基于釩冶煉歷史數(shù)據(jù)，通過挖掘關鍵指標與鐵水含釩量的相關性以確定顯著性變量。然后建立高爐鐵水含釩量監(jiān)測和鐵水最佳含釩量預測算法，調整超參數(shù)訓練模型。最后，模型在±5%的誤差范圍內達到95.3%的預測準確率，突破了傳統(tǒng)鐵水含釩量預測的主觀性和不確定性。該系統(tǒng)于2022年7月完成優(yōu)化調整，并在現(xiàn)場正式應用，迄今為止運行情況良好。通過采用最佳含釩量的操作調整方案，有效地提高了鐵水的最終含釩量。系統(tǒng)的應用對高爐提升并保持鐵水最佳含釩量的技術方面具有積極效果，為承鋼釩鈦公司實現(xiàn)效益最大化提供了強有力的技術支持。

3）釩鈦高爐的爐缸工作評價系統(tǒng)。

高爐爐內，尤其是爐缸區(qū)域的物化反應十分復雜，黑箱操作基本是高爐操作的唯一手段，嚴重制約了高爐的技術進步和智能化發(fā)展。具有數(shù)據(jù)挖掘、預測分析、智能控制功能的大數(shù)據(jù)技術和專家經(jīng)驗相融合為實現(xiàn)爐缸工作狀態(tài)可視化提供了關鍵技術手段。首先利用數(shù)據(jù)倉庫技術，結合煉鐵工藝和專家經(jīng)驗，建立了具有煉鐵專業(yè)特點的爐缸數(shù)據(jù)倉庫。然后，通過相關性分析、因果分析技術和煉鐵經(jīng)驗相融合，深度挖掘高爐生產(chǎn)參數(shù)與爐缸工作狀態(tài)的影響規(guī)律。最后，通過搭建人工智能模型，采用智能評估和監(jiān)測技術建立了爐缸工作評價系統(tǒng)，實現(xiàn)了高爐爐缸活躍度的智能預報，達到對爐缸工作狀態(tài)的可視化監(jiān)測。系統(tǒng)界面如圖4所示。

該系統(tǒng)2021年9月被成功部署上線，能夠實現(xiàn)對爐缸部位的實時分析和預報，具體涵蓋四個模塊，分別為爐缸侵蝕分析、爐缸活躍度預測、爐墻可視化和爐缸溫度監(jiān)測，準確捕捉高爐爐缸運行狀態(tài)趨勢，滿足項目設計預期。自2022年開爐并結合系統(tǒng)指導，目標高爐的爐缸活躍性呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的趨勢。此外，同年7月由于爐況變化導致的爐缸活躍度波動事故，也在系統(tǒng)的指導下實現(xiàn)了高爐的快速恢復。

四

高爐煉鐵應用大數(shù)據(jù)技術的未來發(fā)展

隨著大數(shù)據(jù)技術的崛起和智能制造理念的普及，高爐煉鐵應用大數(shù)據(jù)技術的未來發(fā)展備受關注。大數(shù)據(jù)技術的引入為高爐煉鐵工藝帶來了全新的發(fā)展機遇，使其從傳統(tǒng)的經(jīng)驗性生產(chǎn)模式向數(shù)字化、智能化轉型邁出了關鍵一步，在未來，大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展將主要圍繞以下幾方面展開：

1）數(shù)據(jù)應用方面：高爐煉鐵工藝將更加依賴于數(shù)據(jù)技術的應用，并逐步實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的精細化監(jiān)控與優(yōu)化。同時也將進一步覆蓋對原材料、能源和生產(chǎn)設備的智能管理面，以降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的核心競爭力。

2）智能化生產(chǎn)方面：通過在生產(chǎn)過程中引入智能感知、自動控制和智能決策等技術，根據(jù)實時數(shù)據(jù)和預測模型自動調整生產(chǎn)參數(shù)，優(yōu)化生產(chǎn)流程，最終實現(xiàn)智能化式的閉環(huán)生產(chǎn)模式。

3）綠色低碳方面：隨著綠色技術的應用和社會環(huán)保意識的提高，采用先進的環(huán)保設備和清潔生產(chǎn)技術將成為主流，以實現(xiàn)高爐的長期綠色可持續(xù)發(fā)展。

高爐煉鐵高質量發(fā)展轉型的重點在于如何從經(jīng)驗性煉鐵向數(shù)字化、模型化、網(wǎng)絡化、智能化、標準化轉變。因此，我們將在大數(shù)據(jù)與高爐煉鐵的深度融合領域繼續(xù)發(fā)力，全方面地擴展工作內容，如圖5所示，以保證鐵前環(huán)節(jié)各工序的協(xié)同轉型與升級，進一步推動高爐煉鐵的智能化進程。

五

結論

1）智能化轉型是高爐煉鐵工藝未來發(fā)展的主要方向，必須堅持以智能化為主線，構建完善的智能制造標準體系，實現(xiàn)冶煉質量和體系的全面提升，促進鋼鐵行業(yè)在新時代的健康可持續(xù)發(fā)展。

2）智能化生產(chǎn)是高爐轉型升級的現(xiàn)實需求，各鋼鐵企業(yè)應將智能化技術轉化為驅動高爐冶煉可持續(xù)發(fā)展的重要動力，通過建設智能化煉鐵平臺并利用數(shù)據(jù)模型驅動生產(chǎn)，實現(xiàn)提質增效的目標。

3）課題組針對大數(shù)據(jù)技術在高爐煉鐵領域的應用研究已經(jīng)取得了初步成效。未來將持續(xù)關注大數(shù)據(jù)技術與鐵前全工序的深度融合，推動高爐煉鐵工藝向智慧化轉型，構建符合新時代要求的高爐煉鐵工廠。

（劉小杰  靳亞濤  李宏揚  李紅瑋  李欣  段一凡）