一、研究的背景與問(wèn)題

寶鋼股份寶山基地原料場(chǎng)是世界級(jí)特大型原料場(chǎng)，負(fù)責(zé)股份直屬?gòu)S部95％以上原燃料的輸入、儲(chǔ)存、加工處理，并向高爐、燒結(jié)、煉焦、電廠、焙燒、煉鋼六個(gè)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(chǎng)始建于1978年，1982年開始投運(yùn)，經(jīng)過(guò)一、二、三期工程建設(shè)，露天原料場(chǎng)占地190萬(wàn)平方米，煤料、礦石、輔料的有效貯量分別約為80萬(wàn)噸、245萬(wàn)噸和62萬(wàn)噸;原料系統(tǒng)配套皮帶輸送機(jī)800余條，總長(zhǎng)約125公里。

露天工作環(huán)境下，設(shè)備和鋼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)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(lái)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(wèn)題。另外，露天料場(chǎng)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(guò)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(duì)排水溝造成堵塞而形成的積水，對(duì)周圍的地面環(huán)境造成污染，并帶來(lái)大量的物料損耗;此外，含水物料在皮帶輸送過(guò)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(guó)際國(guó)內(nèi)對(duì)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(chǎng)將是未來(lái)原料場(chǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。為響應(yīng)和落實(shí)國(guó)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(chǎng)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(dòng)原料場(chǎng)全封閉改造工程立項(xiàng)和建設(shè)準(zhǔn)備工作，并將寶鋼股份原料場(chǎng)全封閉建設(shè)項(xiàng)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(duì)原料場(chǎng)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(duì)東山基地、梅山基地料場(chǎng)進(jìn)行封閉改造。與此同時(shí)，對(duì)原燃料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)全流程進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)寶鋼股份原料場(chǎng)要素?cái)?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(dòng)化水平，進(jìn)一步優(yōu)化崗位定員。

二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案

    特大型智慧生態(tài)原料場(chǎng)技術(shù)主要是為了實(shí)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(chǔ)存技術(shù)為研究對(duì)象，對(duì)環(huán)保高效冶金料場(chǎng)技術(shù)進(jìn)行研究和應(yīng)用，解決現(xiàn)有料場(chǎng)技術(shù)存在的占地面積大、物料適應(yīng)性差、料場(chǎng)內(nèi)部環(huán)保條件差、堆取系統(tǒng)配置不靈活等問(wèn)題。對(duì)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(chǎng)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(chǎng)、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(jì)算等。 

圖1 環(huán)保料場(chǎng)示意圖

2、針對(duì)新型環(huán)保料場(chǎng)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(duì)應(yīng)的無(wú)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(guò)技術(shù)集成、軟件優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的無(wú)人化操作;國(guó)內(nèi)首次對(duì)四輥破碎機(jī)輥縫調(diào)整，攻克撞輥、定位穩(wěn)定性差等問(wèn)題，并通過(guò)遠(yuǎn)程設(shè)定實(shí)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(zhǎng)輥皮使用壽命。

 圖2 無(wú)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(chǎng)智能物流系統(tǒng)，包括線路智能決策、流程自動(dòng)導(dǎo)航和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)控制，適用于原料場(chǎng)物料輸送系統(tǒng)的建設(shè)及在線升級(jí)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(duì)大型流程工業(yè)散貨原燃料的智能儲(chǔ)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(wú)人化、原料場(chǎng)自動(dòng)盤庫(kù)、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(duì)象，開展原料場(chǎng)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(shí)現(xiàn)原料場(chǎng)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(guò)程中的揚(yáng)塵、灑料問(wèn)題。

三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果

1、針對(duì)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(chǎng)關(guān)鍵技術(shù)。該關(guān)鍵技術(shù)包括環(huán)保料場(chǎng)、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(chǎng)各種原燃料的貯存要求，針對(duì)性的應(yīng)用新型環(huán)保料場(chǎng)技術(shù)，主要有B/C/D/E/P型。復(fù)合式環(huán)保型料場(chǎng)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(shí)際需要，B型和P型料場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)（煤筒倉(cāng)）內(nèi)徑24m，單個(gè)筒倉(cāng)的有效貯煤量可達(dá)1.1萬(wàn)噸，為目前國(guó)內(nèi)鋼鐵行業(yè)單體貯煤量之最。

 圖4 新型環(huán)保料場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用

以復(fù)合式環(huán)保料場(chǎng)為核心，針對(duì)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(jì)算展開研究，最終形成環(huán)保高效冶金料場(chǎng)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(duì)新型環(huán)保料場(chǎng)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(duì)應(yīng)的無(wú)人化關(guān)鍵設(shè)備。

以C型、D型、P型料場(chǎng)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(guò)技術(shù)集成、軟件優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的無(wú)人化操作。

 圖6 新型核心設(shè)備無(wú)人化技術(shù)應(yīng)用

國(guó)內(nèi)首次對(duì)四輥破碎機(jī)輥縫調(diào)整，攻克撞輥、定位穩(wěn)定性差等問(wèn)題，并通過(guò)遠(yuǎn)程設(shè)定實(shí)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(zhǎng)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(chǎng)智能物流系統(tǒng)，包括線路智能決策、流程自動(dòng)導(dǎo)航和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)控制，適用于原料場(chǎng)物料輸送系統(tǒng)的建設(shè)及在線升級(jí)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(duì)大型流程工業(yè)散貨原燃料的智能儲(chǔ)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(duì)堆取料機(jī)設(shè)備進(jìn)行無(wú)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(dòng)裝備相關(guān)視頻集中監(jiān)控，通過(guò)三維模型等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)裝備自動(dòng)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)包括自動(dòng)對(duì)位、自動(dòng)堆料、自動(dòng)切入料堆、自動(dòng)取料、作業(yè)到量自動(dòng)停止、作業(yè)流量的自動(dòng)控制等功能。

 圖8  料場(chǎng)無(wú)人化技術(shù)示意圖

料場(chǎng)信息管理功能提供原料管理界面，可輕松了解當(dāng)前料場(chǎng)內(nèi)各物料的基本屬性，并可通過(guò)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(bào)表模塊可直接提升工作效率。包括料場(chǎng)盤庫(kù)管理、料場(chǎng)收發(fā)管理、料場(chǎng)電子地圖。

 圖9 料場(chǎng)盤庫(kù)技術(shù)示意圖

利用計(jì)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(chǎng)當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)，模擬真實(shí)工況進(jìn)行虛擬生產(chǎn)，將完成情況生成報(bào)表和結(jié)論，作為參考依據(jù)提供給原料場(chǎng)，便于執(zhí)行變更決策。

 圖10 料場(chǎng)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(diǎn)難點(diǎn)局部試驗(yàn)，突破原有技術(shù)的禁錮，實(shí)現(xiàn)了皮帶居中約束技術(shù)、移動(dòng)溜槽分料技術(shù)、減壓型物料溜槽技術(shù)、皮帶縱向撕裂報(bào)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(xiàng)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(cè)技術(shù)、通過(guò)關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)和異常數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)料場(chǎng)設(shè)備的智能化運(yùn)維，對(duì)設(shè)備實(shí)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(dòng)頻譜提取示意圖

4、原料場(chǎng)在線不停產(chǎn)環(huán)保升級(jí)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(cè)技術(shù)等。

根據(jù)實(shí)際情況，實(shí)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(shí)際情況開發(fā)出針對(duì)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(jì)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(chǎng)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(chǎng)場(chǎng)地，區(qū)域內(nèi)料場(chǎng)清空禁止料場(chǎng)堆取料設(shè)備進(jìn)入。料場(chǎng)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(duì)胎架的桿件應(yīng)力和變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將監(jiān)測(cè)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(duì)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(guò)程中的揚(yáng)塵、灑料問(wèn)題。

通過(guò)研究分析物料轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)規(guī)律和灑料、揚(yáng)塵等污染產(chǎn)生的根本原因，提出對(duì)料流與氣流進(jìn)行引、導(dǎo)，減緩沖擊，實(shí)現(xiàn)物料和氣流集中受控運(yùn)動(dòng);對(duì)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(dòng)和粉塵逸出;采用高效多重清掃實(shí)現(xiàn)粘料有效清掃;從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)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(chǎng)合，極大程度上降低了工人清料的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)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(xiàng)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(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)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(wàn)m2;采用數(shù)字化料場(chǎng)技術(shù)開發(fā)的職能物流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了料場(chǎng)智慧化、無(wú)人化管理，標(biāo)志著智慧生態(tài)原料場(chǎng)技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先地位。

1、環(huán)保高效儲(chǔ)存與處理技術(shù)。通過(guò)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、文獻(xiàn)資料記載，本成果技術(shù)與傳統(tǒng)露天料場(chǎng)、行業(yè)先進(jìn)水平指標(biāo)(國(guó)內(nèi)外)對(duì)比如下表：

2、智能化原料場(chǎng)技術(shù)。本技術(shù)與國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的綜合比較對(duì)比見下表： 

4、原料場(chǎng)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(duì)比如下表：