一、研究的背景與問題

寶鋼股份寶山基地原料場是世界級特大型原料場，負(fù)責(zé)股份直屬廠部95％以上原燃料的輸入、儲存、加工處理，并向高爐、燒結(jié)、煉焦、電廠、焙燒、煉鋼六個用戶單位進(jìn)行物料輸送，年作業(yè)總量在1.3億噸以上。寶山基地原料場始建于1978年，1982年開始投運(yùn)，經(jīng)過一、二、三期工程建設(shè)，露天原料場占地190萬平方米，煤料、礦石、輔料的有效貯量分別約為80萬噸、245萬噸和62萬噸;原料系統(tǒng)配套皮帶輸送機(jī)800余條，總長約125公里。

露天工作環(huán)境下，設(shè)備和鋼結(jié)構(gòu)長期受到風(fēng)、雨、雪、物料以及潮濕環(huán)境等因素影響，大部分設(shè)備和鋼結(jié)構(gòu)腐蝕情況十分嚴(yán)重。原料區(qū)域因設(shè)備和鋼結(jié)構(gòu)腐蝕帶來的重大設(shè)備和安全隱患已成為影響原料區(qū)域安全生產(chǎn)最為突出的問題。另外，露天料場受風(fēng)力影響，料堆表面的物料易產(chǎn)生揚(yáng)塵，并在堆、取作業(yè)過程中產(chǎn)生二次揚(yáng)塵;在梅雨季節(jié)受雨水影響，料堆表面的物料在大雨沖刷下順雨水流入料堆兩側(cè)的排水溝，容易對排水溝造成堵塞而形成的積水，對周圍的地面環(huán)境造成污染，并帶來大量的物料損耗;此外，含水物料在皮帶輸送過程中易出現(xiàn)撒料現(xiàn)象，成為二次、三次污染的源頭。

隨著國際國內(nèi)對能源、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展和以人為本的不斷重視，生態(tài)智慧型原料場將是未來原料場發(fā)展的必然趨勢。為響應(yīng)和落實國家環(huán)保和上海市關(guān)于空氣污染防治工作的要求，寶鋼股份在鋼鐵行業(yè)內(nèi)率先提出建設(shè)原料場全封閉改造示范工程，2012年寶鋼股份編制形成《寶鋼股份總部煉鐵廠原料區(qū)域大修規(guī)劃》，正式啟動原料場全封閉改造工程立項和建設(shè)準(zhǔn)備工作，并將寶鋼股份原料場全封閉建設(shè)項目列入《2013-2018年寶鋼股份綠色發(fā)展規(guī)劃》。2013-2014年寶鋼股份對原料場全封閉改造規(guī)劃進(jìn)行了局部調(diào)整和完善。隨后，寶鋼股份開始策劃對東山基地、梅山基地料場進(jìn)行封閉改造。與此同時，對原燃料儲運(yùn)系統(tǒng)全流程進(jìn)行技術(shù)升級，實現(xiàn)寶鋼股份原料場要素數(shù)字化、設(shè)施設(shè)備智能化、信息資源網(wǎng)絡(luò)化和日常管理可視化，大幅提高自動化水平，進(jìn)一步優(yōu)化崗位定員。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

    特大型智慧生態(tài)原料場技術(shù)主要是為了實現(xiàn)環(huán)保高效的冶金原料物流，方案如下:

    1、以原料物流領(lǐng)域最主要的原料儲存技術(shù)為研究對象，對環(huán)保高效冶金料場技術(shù)進(jìn)行研究和應(yīng)用，解決現(xiàn)有料場技術(shù)存在的占地面積大、物料適應(yīng)性差、料場內(nèi)部環(huán)保條件差、堆取系統(tǒng)配置不靈活等問題。對于原料多品種、多貯量、多性質(zhì)貯存需求，應(yīng)用環(huán)保高效原料場關(guān)鍵技術(shù)。該關(guān)鍵技術(shù)包括復(fù)合式B/C/D/E/P型環(huán)保料場、工藝輔助技術(shù)、堆取設(shè)備配置、土建結(jié)構(gòu)優(yōu)化、生產(chǎn)操作管理、堆位布置、投資計算等。 

圖1 環(huán)保料場示意圖

2、針對新型環(huán)保料場技術(shù)運(yùn)用和破碎篩分系統(tǒng)的改造，開發(fā)和應(yīng)用了對應(yīng)的無人化關(guān)鍵設(shè)備，包括門架式刮板堆取料機(jī)、旋轉(zhuǎn)給料機(jī)、智能堆料機(jī)等創(chuàng)新設(shè)備，并通過技術(shù)集成、軟件優(yōu)化，實現(xiàn)設(shè)備的無人化操作;國內(nèi)首次對四輥破碎機(jī)輥縫調(diào)整，攻克撞輥、定位穩(wěn)定性差等問題，并通過遠(yuǎn)程設(shè)定實現(xiàn)了中控一鍵式操作，取消了崗位值守，保障了作業(yè)人員安全，提高了燃料粒度質(zhì)量，延長輥皮使用壽命。

 圖2 無人化控制邏輯關(guān)系圖

3、以全自由流程控制技術(shù)為核心的原料場智能物流系統(tǒng)，包括線路智能決策、流程自動導(dǎo)航和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)控制，適用于原料場物料輸送系統(tǒng)的建設(shè)及在線升級改造。借助先進(jìn)控制技術(shù)而構(gòu)架智能裝備系統(tǒng)及針對大型流程工業(yè)散貨原燃料的智能儲運(yùn)控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，主要包括：關(guān)鍵設(shè)備無人化、原料場自動盤庫、數(shù)字化仿真、虛擬生產(chǎn)、智能巡檢等。開發(fā)和運(yùn)用智慧運(yùn)維及原料系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)。

 圖3 原料智能決策邏輯關(guān)系

4、以在線改造技術(shù)為研究對象，開展原料場在線不停產(chǎn)改造技術(shù)研究和應(yīng)用，在不停產(chǎn)的情況下保證改造期間用戶單元的正常運(yùn)行，實現(xiàn)原料場的在線封閉。開展原料全清潔生產(chǎn)技術(shù)的研究和應(yīng)用，解決物料轉(zhuǎn)運(yùn)和輸送過程中的揚(yáng)塵、灑料問題。

三、主要創(chuàng)新性成果

1、針對原料多品種、多貯量、多性質(zhì)貯存需求，應(yīng)用環(huán)保高效原料場關(guān)鍵技術(shù)。該關(guān)鍵技術(shù)包括環(huán)保料場、工藝輔助技術(shù)、堆取設(shè)備配置、土建結(jié)構(gòu)優(yōu)化、生產(chǎn)操作管理、堆位布置等。

根據(jù)原料場各種原燃料的貯存要求，針對性的應(yīng)用新型環(huán)保料場技術(shù)，主要有B/C/D/E/P型。復(fù)合式環(huán)保型料場可有效提高單位面積貯量約150%以上，物料損耗下降約80%，廠區(qū)降塵量減少約90%，節(jié)約占地約50%。根據(jù)實際需要，B型和P型料場內(nèi)的堆取設(shè)備既可以是斗輪設(shè)備，也可以是門架式刮板設(shè)備;C型料場中部可以靈活設(shè)置成擋墻或立柱，取料輸出系統(tǒng)可以是單線或復(fù)線，從而適應(yīng)不同物料貯量和用量的需求;E型料場（煤筒倉）內(nèi)徑24m，單個筒倉的有效貯煤量可達(dá)1.1萬噸，為目前國內(nèi)鋼鐵行業(yè)單體貯煤量之最。

 圖4 新型環(huán)保料場技術(shù)應(yīng)用

以復(fù)合式環(huán)保料場為核心，針對工藝輔助技術(shù)（揚(yáng)塵控制、防止堵料、防止物料粉碎、節(jié)能降耗）、堆取設(shè)備配置、土建結(jié)構(gòu)優(yōu)化、生產(chǎn)操作管理、堆位布置及投資計算展開研究，最終形成環(huán)保高效冶金料場貯配一體系統(tǒng)解決方案。

 圖5 環(huán)保高效關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

2、針對新型環(huán)保料場技術(shù)運(yùn)用和破碎篩分系統(tǒng)的改造，開發(fā)和應(yīng)用了對應(yīng)的無人化關(guān)鍵設(shè)備。

以C型、D型、P型料場為核心，運(yùn)用配套的半門架刮板機(jī)、旋轉(zhuǎn)給料機(jī)、全門架刮板機(jī)新設(shè)備，并通過技術(shù)集成、軟件優(yōu)化，實現(xiàn)了設(shè)備的無人化操作。

 圖6 新型核心設(shè)備無人化技術(shù)應(yīng)用

國內(nèi)首次對四輥破碎機(jī)輥縫調(diào)整，攻克撞輥、定位穩(wěn)定性差等問題，并通過遠(yuǎn)程設(shè)定實現(xiàn)了中控一鍵式操作。取消了崗位值守，保障了作業(yè)人員安全，提高了燃料粒度質(zhì)量，延長輥皮使用壽命。

3、以全自由流程控制技術(shù)為核心的原料場智能物流系統(tǒng)，包括線路智能決策、流程自動導(dǎo)航和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)控制，適用于原料場物料輸送系統(tǒng)的建設(shè)及在線升級改造。借助先進(jìn)控制技術(shù)而構(gòu)架智能裝備系統(tǒng)及針對大型流程工業(yè)散貨原燃料的智能儲運(yùn)控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)。開發(fā)和運(yùn)用智慧運(yùn)維及原料穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)。

對堆取料機(jī)設(shè)備進(jìn)行無人化適應(yīng)性改造，增設(shè)設(shè)備遠(yuǎn)程智能控制功能，加裝移動裝備相關(guān)視頻集中監(jiān)控，通過三維模型等先進(jìn)技術(shù)實現(xiàn)移動裝備自動作業(yè)，實現(xiàn)包括自動對位、自動堆料、自動切入料堆、自動取料、作業(yè)到量自動停止、作業(yè)流量的自動控制等功能。

 圖8  料場無人化技術(shù)示意圖

料場信息管理功能提供原料管理界面，可輕松了解當(dāng)前料場內(nèi)各物料的基本屬性，并可通過專用界面進(jìn)行屬性數(shù)據(jù)的維護(hù)工作;并且完善的報表模塊可直接提升工作效率。包括料場盤庫管理、料場收發(fā)管理、料場電子地圖。

 圖9 料場盤庫技術(shù)示意圖

利用計算機(jī)模擬仿真技術(shù)，構(gòu)建數(shù)字化仿真模型，當(dāng)生產(chǎn)決策條件發(fā)生變更的情況下，結(jié)合現(xiàn)場當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)，模擬真實工況進(jìn)行虛擬生產(chǎn)，將完成情況生成報表和結(jié)論，作為參考依據(jù)提供給原料場，便于執(zhí)行變更決策。

 圖10 料場仿真技術(shù)示意圖

研究著重圍繞皮帶機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性發(fā)展，重點難點局部試驗，突破原有技術(shù)的禁錮，實現(xiàn)了皮帶居中約束技術(shù)、移動溜槽分料技術(shù)、減壓型物料溜槽技術(shù)、皮帶縱向撕裂報警技術(shù)、皮帶機(jī)刮板機(jī)清料技術(shù)、皮帶機(jī)滾筒免維護(hù)軸承技術(shù)等十幾項核心技術(shù)的突破。

 圖 11 皮帶機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)

借助現(xiàn)代智能檢測技術(shù)、通過關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)測和異常數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對料場設(shè)備的智能化運(yùn)維，對設(shè)備實現(xiàn)科學(xué)化、數(shù)字化管理，提高設(shè)備的壽命和利用率。

 圖12 大機(jī)回轉(zhuǎn)齒輪振動頻譜提取示意圖

4、原料場在線不停產(chǎn)環(huán)保升級改造技術(shù)。包括雙系列配料的預(yù)混勻直撥技術(shù)、整粒系統(tǒng)在線整合改造技術(shù)、綜合樞紐轉(zhuǎn)運(yùn)站在線改造技術(shù)、通廊在線封閉改造技術(shù)、網(wǎng)殼胎架滑移和在線監(jiān)測技術(shù)等。

根據(jù)實際情況，實施雙系列混勻配料技術(shù)，即按照原有混勻配料槽形式，新建基本一致的混勻配料槽，避免原有配料槽改造影響生產(chǎn)。在此基礎(chǔ)上，自主開發(fā)了預(yù)混勻直撥技術(shù)，解決了生產(chǎn)組織的難題。

根據(jù)實際情況開發(fā)出針對不同膠帶機(jī)通廊的在線改造技術(shù)，解決了膠帶機(jī)封閉在線改造難題，編制了《鋼鐵企業(yè)膠帶機(jī)鋼結(jié)構(gòu)通廊設(shè)計規(guī)范》。

 圖13 通廊封閉示意圖

采用“網(wǎng)殼累積拼裝，胎架逐步滑移”的施工方法。從料場一側(cè)開始依次安裝，滑移胎架組裝好后形成網(wǎng)殼拼裝施工區(qū)段占用少量料場場地，區(qū)域內(nèi)料場清空禁止料場堆取料設(shè)備進(jìn)入。料場堆料位置和網(wǎng)殼安裝施工區(qū)段逐步協(xié)調(diào)配合，保證正常生產(chǎn)所需的原料供應(yīng)。網(wǎng)殼施工期間對胎架的桿件應(yīng)力和變形進(jìn)行實時監(jiān)控，并將監(jiān)測結(jié)果與理論狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的受力情況和變形進(jìn)行對比，確保施工安全。 

圖14  胎架滑移技術(shù)

 圖15  網(wǎng)殼拼裝技術(shù)示意圖

5、開發(fā)原料全清潔生產(chǎn)技術(shù)的研究和運(yùn)用，解決物料轉(zhuǎn)運(yùn)和輸送過程中的揚(yáng)塵、灑料問題。

通過研究分析物料轉(zhuǎn)運(yùn)過程中運(yùn)動規(guī)律和灑料、揚(yáng)塵等污染產(chǎn)生的根本原因，提出對料流與氣流進(jìn)行引、導(dǎo)，減緩沖擊，實現(xiàn)物料和氣流集中受控運(yùn)動;對含塵氣流采用良好密封，設(shè)置防塵簾增加氣流阻力，抑制氣流運(yùn)動和粉塵逸出;采用高效多重清掃實現(xiàn)粘料有效清掃;從而實現(xiàn)整個轉(zhuǎn)運(yùn)點的清潔化轉(zhuǎn)運(yùn)。

 圖16 清潔生產(chǎn)技術(shù)

開發(fā)通廊撒料清理裝置和回程管狀膠帶機(jī)，可應(yīng)用于不同的作業(yè)場合，極大程度上降低了工人清料的勞動強(qiáng)度，實現(xiàn)清潔化輸送。

 圖17 通廊撒料清理裝置

四、應(yīng)用情況與效果

項目應(yīng)用復(fù)合式B/C/D/E/P型環(huán)保高效貯存技術(shù)建成環(huán)保高效原料場，實現(xiàn)了儲存、加工、輸送的全流程和全封閉，單期封閉面積達(dá)到約80萬m2;采用數(shù)字化料場技術(shù)開發(fā)的職能物流系統(tǒng)，實現(xiàn)了料場智慧化、無人化管理，標(biāo)志著智慧生態(tài)原料場技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位。

1、環(huán)保高效儲存與處理技術(shù)。通過工程現(xiàn)場實測、文獻(xiàn)資料記載，本成果技術(shù)與傳統(tǒng)露天料場、行業(yè)先進(jìn)水平指標(biāo)(國內(nèi)外)對比如下表：

2、智能化原料場技術(shù)。本技術(shù)與國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的綜合比較對比見下表： 

4、原料場在線不停產(chǎn)改造技術(shù)。該技術(shù)與當(dāng)期行業(yè)先進(jìn)水平指標(biāo)對比如下表：