一、研究背景與問(wèn)題

球團(tuán)工藝是鋼鐵原料制備的關(guān)鍵工序之一，高比例球團(tuán)精料冶煉是低碳高爐的主要發(fā)展方向，且球團(tuán)法是我國(guó)貧細(xì)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(zhì)的氧化球團(tuán)為原料。我國(guó)現(xiàn)有球團(tuán)生產(chǎn)線近300條，產(chǎn)能超2億噸，且球團(tuán)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(tuán)生產(chǎn)線的造球過(guò)程仍處于盲控、粗控狀態(tài)，給水量、給料量、造球機(jī)轉(zhuǎn)速等影響球團(tuán)產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)依賴人工經(jīng)驗(yàn)，且現(xiàn)場(chǎng)缺乏有效的生球?qū)崟r(shí)檢測(cè)手段，異常情況頻繁出現(xiàn)，導(dǎo)致造球生產(chǎn)不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率低、能耗高、污染嚴(yán)重等問(wèn)題。

二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案

基于上述背景及現(xiàn)存問(wèn)題，本項(xiàng)目開發(fā)的高效高質(zhì)智能造球系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。智能造球系統(tǒng)架構(gòu)共分為六層，基礎(chǔ)自動(dòng)化層為底層執(zhí)行機(jī)構(gòu)和設(shè)備，獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸層的TCP/IP和OPC協(xié)議，經(jīng)PLC中轉(zhuǎn)后至服務(wù)器進(jìn)行處理，同時(shí)將生球粒度數(shù)據(jù)、生產(chǎn)控制參數(shù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的各類數(shù)據(jù)庫(kù)中。應(yīng)用層的視覺檢測(cè)、水料速控制等模型和算法讀取相關(guān)數(shù)據(jù)處理后做出控制決策，反饋至底層執(zhí)行機(jī)構(gòu)，表現(xiàn)層負(fù)責(zé)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)展示及人工控制參數(shù)的輸入。通過(guò)數(shù)據(jù)流自低向上、控制決策流自頂向下的方式，實(shí)現(xiàn)造球過(guò)程的智能控制。

圖1 智能造球系統(tǒng)架構(gòu)圖

本項(xiàng)目基于成球可控關(guān)鍵參數(shù)研究，開發(fā)了原料穩(wěn)定制備技術(shù)、生球粒徑智能識(shí)別技術(shù)、高質(zhì)高效智能造球控制技術(shù)、產(chǎn)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)及裝備，涵蓋了配料混料、生球分析、造球過(guò)程控制、成球效果評(píng)價(jià)的造球全流程，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定造球及成球產(chǎn)質(zhì)量的提高。

1、成球可控關(guān)鍵參數(shù)研究

造球是基于“滴水成球、霧水長(zhǎng)大、無(wú)水緊密”的規(guī)律，將細(xì)磨物料加水潤(rùn)濕，在機(jī)械力和毛細(xì)力的作用下滾動(dòng)而形成一定粒度生球的過(guò)程。影響造球成球率的因素復(fù)雜，主要包括原料性能、機(jī)械設(shè)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(jié)劑種類和用量等因素的影響；從機(jī)械設(shè)備的角度分析，受造球機(jī)的轉(zhuǎn)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(lái)料量、給水量、造球時(shí)間等因素的影響。具體影響因素如圖2所示。

圖2成球可控關(guān)鍵參數(shù)

2、原料穩(wěn)定制備技術(shù)

水分率和混勻度是造球原料的兩個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)，直接影響造球系統(tǒng)成球效果。本項(xiàng)目通過(guò)研究原料水分波動(dòng)對(duì)造球過(guò)程的影響規(guī)律，構(gòu)建了水分率合格度評(píng)價(jià)體系，提出了精礦干燥水分率適宜分布區(qū)間，為干燥過(guò)程明確了控制目標(biāo)。基于鐵礦原料與微波的強(qiáng)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(píng)價(jià)系統(tǒng)，有效保障了造球原料的混勻效果。

為保證造球過(guò)程的連續(xù)性和穩(wěn)定性，需要穩(wěn)定的原料供應(yīng)系統(tǒng)。本項(xiàng)目開發(fā)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能可靠的缺料異常診斷裝置及旋轉(zhuǎn)式內(nèi)壁防粘結(jié)裝置，通過(guò)在料倉(cāng)下料口處設(shè)置的物料檢測(cè)板及其連接的行程開關(guān)，實(shí)現(xiàn)物料料面高度及平整性的實(shí)時(shí)檢測(cè)。若檢測(cè)到缺料斷料異常，則啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)式內(nèi)壁防粘結(jié)裝置以清除堵料，避免了缺料、斷料等異常工況導(dǎo)致停產(chǎn)停機(jī)，確保了原料供應(yīng)的穩(wěn)定性。圖3為缺料異常診斷裝置及旋轉(zhuǎn)式內(nèi)壁防粘結(jié)裝置實(shí)物圖。

圖3 缺料異常診斷裝置

3、生球粒徑智能識(shí)別技術(shù)

圓盤造球機(jī)的球盤區(qū)域可分為成核區(qū)、長(zhǎng)球區(qū)、穩(wěn)定區(qū)和出球區(qū)，本項(xiàng)目對(duì)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(zhǎng)球區(qū)生球尚未完全成型，分析粒徑無(wú)意義。因此，本項(xiàng)目基于“滴水成球、霧水長(zhǎng)大、無(wú)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(shù)，為造球過(guò)程智能控制提供關(guān)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(chǎng)工藝需求，需對(duì)生球粒徑設(shè)置合理的分布區(qū)間，同時(shí)對(duì)各區(qū)間占比設(shè)置適宜的控制目標(biāo)?；诖?，本項(xiàng)目提出了滿足控制要求的最佳粒徑分段統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及控制目標(biāo)，為造球過(guò)程的智能穩(wěn)定控制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

針對(duì)出球區(qū)對(duì)反饋控制的滯后性及成球穩(wěn)定區(qū)相對(duì)超前的問(wèn)題， 本項(xiàng)目開發(fā)了基于機(jī)器視覺的生球粒徑檢測(cè)方法，通過(guò)對(duì)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(shí)別技術(shù)，精度達(dá)±0.1mm；發(fā)明了穩(wěn)定區(qū)粒徑識(shí)別技術(shù)，克服球重疊交叉的難題。生球穩(wěn)定區(qū)和出球區(qū)粒徑識(shí)別結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 出球區(qū)生球圖像分析結(jié)果 圖5 穩(wěn)定區(qū)生球圖像分析結(jié)果

4、高質(zhì)高效智能造球控制技術(shù)

成球效果取決于造球機(jī)加水量、物料量及球盤轉(zhuǎn)速三個(gè)關(guān)鍵生產(chǎn)參數(shù)，現(xiàn)有球團(tuán)生產(chǎn)線上前述三個(gè)參數(shù)的控制仍憑人工生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致生球成球質(zhì)量差、成球率波動(dòng)大。本項(xiàng)目通過(guò)研究水分對(duì)造球過(guò)程的影響規(guī)律，耦合出球分析的滯后性特點(diǎn)，開發(fā)了遞變性非恒量調(diào)水優(yōu)化控制技術(shù)，并結(jié)合實(shí)時(shí)生球粒徑視覺檢測(cè)結(jié)果，根據(jù)視覺分析得出的生球粒徑的分布區(qū)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果及變化趨勢(shì)，確定目標(biāo)加水量并形成遞變加水決策，有效提高了造球的質(zhì)量和效率。

造球機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)小，物料上升達(dá)不到圓盤的頂點(diǎn)，將造成母球形成區(qū)間空料，若轉(zhuǎn)速過(guò)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(guò)程停止。本項(xiàng)目開發(fā)了高魯棒性調(diào)速調(diào)料優(yōu)化控制技術(shù)，結(jié)合生球粒徑視覺檢測(cè)結(jié)果，分析不合格小球及大球的占比變化，以確定當(dāng)前最優(yōu)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和給料量，有效解決原料條件異常時(shí)的特殊工況，保證造球機(jī)轉(zhuǎn)速適宜，從而確保造球生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定和高效。

為了進(jìn)一步提高造球盤生產(chǎn)過(guò)程的效率和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)造球盤無(wú)人值守的目標(biāo)，本項(xiàng)目開發(fā)了造球盤大球自動(dòng)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(guò)耙取、篩分、返料等步驟定時(shí)清除造球盤中的大球，并記錄大球的質(zhì)量及清除時(shí)間，避免大球過(guò)多對(duì)成球效果的不利影響。造球盤大球自動(dòng)剔除裝置實(shí)物如圖6所示。

圖6 造球盤大球自動(dòng)剔除裝置

5、產(chǎn)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)及裝備

造球系統(tǒng)產(chǎn)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)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(guò)皮帶秤獲取；成球率檢測(cè)通過(guò)皮帶稱重計(jì)量經(jīng)過(guò)篩分系統(tǒng)的生球，并計(jì)算返礦量及平均成球率，該方法只能獲取整個(gè)造球系統(tǒng)的成球率而無(wú)法獲取單臺(tái)造球機(jī)的成球率。本項(xiàng)目采用基于原料與出球時(shí)空匹配的數(shù)據(jù)跟蹤技術(shù)，開發(fā)了單機(jī)成球率及系統(tǒng)成球率軟測(cè)量技術(shù)，通過(guò)對(duì)進(jìn)入每臺(tái)造球機(jī)的物料量、給水量進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤，實(shí)時(shí)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(shí)，為了實(shí)現(xiàn)生球質(zhì)量的在線評(píng)價(jià)，避免人工采樣檢測(cè)生球抗壓及下落強(qiáng)度帶來(lái)的誤差，本項(xiàng)目采用全自動(dòng)取樣機(jī)器人與智能視覺定位技術(shù)，研制了生球強(qiáng)度在線檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了生球質(zhì)量評(píng)價(jià)的無(wú)人化。生球強(qiáng)度在線檢測(cè)裝置如圖7所示。

圖7 生球強(qiáng)度在線檢測(cè)裝置

三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果

1、開發(fā)了高效穩(wěn)定的智能造球供料系統(tǒng)。探明了來(lái)料水分波動(dòng)對(duì)造球過(guò)程的影響規(guī)律，構(gòu)建了水分合格度評(píng)價(jià)體系及干燥過(guò)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(duì)列與系統(tǒng)建模的無(wú)稱重倉(cāng)位精確軟測(cè)量技術(shù)，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(zhuǎn)式內(nèi)壁防黏結(jié)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(tuán)粒徑智能識(shí)別及預(yù)測(cè)技術(shù)。研究了造球盤出球區(qū)及穩(wěn)定區(qū)球團(tuán)的運(yùn)行規(guī)律，發(fā)明了重疊生球精確分割的粒徑智能識(shí)別技術(shù)，研發(fā)了基于全流程關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)跟蹤隊(duì)列與長(zhǎng)短時(shí)間序列預(yù)測(cè)的粒徑智能預(yù)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、實(shí)位的數(shù)字化成球，避免依賴人工經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)生的生球粒徑檢測(cè)誤差。

3、開發(fā)了高質(zhì)高效智能造球控制系統(tǒng)。研究了造球機(jī)可控成球關(guān)鍵參數(shù)對(duì)造球過(guò)程的影響規(guī)律，開發(fā)了異常工況下高魯棒性無(wú)人值守造球控制技術(shù)，首創(chuàng)了基于成球工藝關(guān)鍵參數(shù)預(yù)測(cè)技術(shù)的智能造球無(wú)人化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了造球過(guò)程的精準(zhǔn)化和無(wú)人化。

4、構(gòu)建了生球產(chǎn)質(zhì)量智能評(píng)價(jià)體系?；趤?lái)料與出球時(shí)空匹配的數(shù)據(jù)跟蹤技術(shù)及全自動(dòng)取樣機(jī)器人與智能視覺定位技術(shù)，開發(fā)了單機(jī)成球率及系統(tǒng)成球率軟測(cè)量技術(shù)，研制了生球強(qiáng)度在線檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程無(wú)人化的成球狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及生球質(zhì)量在線評(píng)價(jià)。

本項(xiàng)目已獲授權(quán)專利14件，其中發(fā)明專利13件；發(fā)表學(xué)術(shù)論文4篇；獲軟件著作權(quán)14項(xiàng)。2021年，本項(xiàng)目通過(guò)中冶集團(tuán)科技成果鑒定，整體技術(shù)達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平。2022年，本項(xiàng)目獲冶金科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

四、應(yīng)用情況與效果

本項(xiàng)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(tuán)工程，取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。目前已與中鋼濱海、燕鋼、越南和發(fā)等國(guó)內(nèi)外多家大型鋼鐵企業(yè)簽訂合同并正在實(shí)施。以120萬(wàn)噸球團(tuán)生產(chǎn)線為例，使用本項(xiàng)目技術(shù)后，供料穩(wěn)定性、成球產(chǎn)質(zhì)量等多項(xiàng)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(biāo)煤約246.9噸，減排CO2685.8噸；生球平均落下強(qiáng)度由5.5次提升至6次，生球抗壓強(qiáng)度由10.1N/個(gè)上升至11.1N/個(gè)，生球粒徑標(biāo)準(zhǔn)偏差由7.3%下降至2.2%，返礦量由51.75t下降至36t；現(xiàn)場(chǎng)崗位人數(shù)由11人減至4人。