一、研究背景與問題
球團工藝是鋼鐵原料制備的關(guān)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(zhì)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(zhuǎn)速等影響球團產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)依賴人工經(jīng)驗，且現(xiàn)場缺乏有效的生球?qū)崟r檢測手段，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、污染嚴重等問題。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
基于上述背景及現(xiàn)存問題，本項目開發(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)自動化層為底層執(zhí)行機構(gòu)和設(shè)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(zhuǎn)后至服務(wù)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(guān)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(yīng)用層的視覺檢測、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)行機構(gòu)，表現(xiàn)層負責(zé)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。
圖1 智能造球系統(tǒng)架構(gòu)圖
本項目基于成球可控關(guān)鍵參數(shù)研究，開發(fā)了原料穩(wěn)定制備技術(shù)、生球粒徑智能識別技術(shù)、高質(zhì)高效智能造球控制技術(shù)、產(chǎn)質(zhì)量評價技術(shù)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(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(fù)雜，主要包括原料性能、機械設(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；從機械設(shè)備的角度分析，受造球機的轉(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，受到來料量、給水量、造球時間等因素的影響。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關(guān)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(gòu)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?；阼F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(yīng)系統(tǒng)。本項目開發(fā)了結(jié)構(gòu)簡單、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，通過在料倉下料口處設(shè)置的物料檢測板及其連接的行程開關(guān)，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(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，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)裝置實物圖。
圖3 缺料異常診斷裝置
3、生球粒徑智能識別技術(shù)
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(shù)，為造球過程智能控制提供關(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)場工藝需求，需對生球粒徑設(shè)置合理的分布區(qū)間，同時對各區(qū)間占比設(shè)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(chǔ)。
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(shù)，精度達±0.1mm；發(fā)明了穩(wěn)定區(qū)粒徑識別技術(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加水量、物料量及球盤轉(zhuǎn)速三個關(guān)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(dǎo)致生球成球質(zhì)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(shù)，并結(jié)合實時生球粒徑視覺檢測結(jié)果，根據(jù)視覺分析得出的生球粒徑的分布區(qū)間統(tǒng)計結(jié)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(zhì)量和效率。
造球機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)，結(jié)合生球粒徑視覺檢測結(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)目標轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhì)量及清除時間，避免大球過多對成球效果的不利影響。造球盤大球自動剔除裝置實物如圖6所示。
圖6 造球盤大球自動剔除裝置
5、產(chǎn)質(zhì)量評價技術(shù)及裝備
造球系統(tǒng)產(chǎn)質(zhì)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(shù)，開發(fā)了單機成球率及系統(tǒng)成球率軟測量技術(shù)，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(zhì)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(shù)，研制了生球強度在線檢測裝置，實現(xiàn)了生球質(zhì)量評價的無人化。生球強度在線檢測裝置如圖7所示。
圖7 生球強度在線檢測裝置
三、主要創(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)。探明了來料水分波動對造球過程的影響規(guī)律，構(gòu)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(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)明了球團粒徑智能識別及預(yù)測技術(shù)。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(shù)，研發(fā)了基于全流程關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)跟蹤隊列與長短時間序列預(yù)測的粒徑智能預(yù)測技術(shù)，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(zhì)高效智能造球控制系統(tǒng)。研究了造球機可控成球關(guān)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(shù)，首創(chuàng)了基于成球工藝關(guān)鍵參數(shù)預(yù)測技術(shù)的智能造球無人化控制技術(shù)，實現(xiàn)了造球過程的精準化和無人化。
4、構(gòu)建了生球產(chǎn)質(zhì)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(shù)及全自動取樣機器人與智能視覺定位技術(shù)，開發(fā)了單機成球率及系統(tǒng)成球率軟測量技術(shù)，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(zhì)量在線評價。
本項目已獲授權(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。2021年，本項目通過中冶集團科技成果鑒定，整體技術(shù)達國際領(lǐng)先水平。2022年，本項目獲冶金科學(xué)技術(shù)獎二等獎。
四、應(yīng)用情況與效果
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(shù)后，供料穩(wěn)定性、成球產(chǎn)質(zhì)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。
