一、研究的背景與問題

2019年世界粗鋼產(chǎn)量達(dá)18.70億噸，我國粗鋼產(chǎn)量達(dá)9.96億噸，占世界總量的53.3%。我國鋼鐵行業(yè)快速發(fā)展，消耗了大量的礦產(chǎn)資源，僅燒結(jié)工序綜合能耗占噸鋼10%，而且多形式的能源消耗總量也在持續(xù)上升，鋼鐵行業(yè)的節(jié)能降耗工作日益艱巨。而國內(nèi)燒結(jié)生產(chǎn)原料種類多，物化性能波動(dòng)大，主要依靠熟練操作工的經(jīng)驗(yàn)來調(diào)節(jié)和控制，影響了燒結(jié)生產(chǎn)的穩(wěn)定和優(yōu)化控制。由于鋼鐵企業(yè)普遍對燒結(jié)工序的重視程度不足，燒結(jié)僅是作為鋼鐵企業(yè)中的附屬工序，導(dǎo)致燒結(jié)工藝技術(shù)和裝備水平的提升緩慢，燒結(jié)工序成為了工藝技術(shù)發(fā)展滯后、智能化裝備水平低、工序能耗高、現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境差的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

萊蕪鋼鐵集團(tuán)銀山型鋼公司煉鐵廠（簡稱型鋼煉鐵廠）400㎡燒結(jié)機(jī)于2010年1月建成投產(chǎn)，采用萊鋼電子自主研發(fā)的專家控制系統(tǒng)，配套了部分自動(dòng)化控制裝備、過程參數(shù)檢測裝備，初期裝備水平、工藝技術(shù)條件處于行業(yè)前列，已生產(chǎn)運(yùn)行十余年，尚未進(jìn)行大規(guī)模的軟、硬件技術(shù)改造升級，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)中影響燒結(jié)過程的關(guān)鍵參數(shù)選取不全，關(guān)鍵控制參數(shù)儀表不能精確、連續(xù)在線監(jiān)測，燒結(jié)理論和控制邏輯陳舊，已經(jīng)不能很好的指導(dǎo)實(shí)際燒結(jié)生產(chǎn)。開展燒結(jié)過程的系統(tǒng)分析和深度挖潛，在燒結(jié)過程智慧控制、大數(shù)據(jù)應(yīng)用、持續(xù)節(jié)能降耗方面，有待進(jìn)一步提升。因此，對于萊鋼而言，提高燒結(jié)工序工藝技術(shù)水平，提升裝備自動(dòng)化水平，降低燒結(jié)工序能耗，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)生產(chǎn)智慧控制及大數(shù)據(jù)應(yīng)用已變得迫在眉睫。

基于以上原因，萊鋼公司引進(jìn)了和鋼科技股份有限公司率先研發(fā)科技成果，建設(shè)萊鋼400m2燒結(jié)機(jī)智慧燒結(jié)過程管控一體化平臺，以加快推動(dòng)山東省鋼鐵產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效和節(jié)能減排、綠色發(fā)展。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

采用和鋼科技智慧燒結(jié)過程管控系統(tǒng)(簡稱WSPCS)，綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)與燒結(jié)生產(chǎn)工藝、過程控制深度融合，建立原料基礎(chǔ)性能、制粒水分與原始料層透氣性的關(guān)系模型、燒結(jié)過程固體燃耗消耗技術(shù)模型、燒結(jié)過程狀態(tài)參數(shù)軟測量模型、混合料倉位模糊控制模型、燒結(jié)過程風(fēng)量模擬模型、煙道氣體流場模擬模型等數(shù)據(jù)模型，采用專家控制、模糊控制和預(yù)測控制相結(jié)合的方法，全面提升燒結(jié)過程智慧管控水平。

圖-1 WSPCS系統(tǒng)模型

圖-2 WSPCS系統(tǒng)控制邏輯

WSPCS作為燒結(jié)生產(chǎn)控制的中樞，主要是實(shí)現(xiàn)燒結(jié)工序工藝技術(shù)及燒結(jié)過程的智慧管控，實(shí)現(xiàn)從動(dòng)態(tài)配料、加水混勻、布料、點(diǎn)火、燒結(jié)過程、冷卻、質(zhì)量跟蹤的全流程監(jiān)控管理。

二、主要?jiǎng)?chuàng)新性進(jìn)展

1、建立和完善建設(shè)萊鋼400m2燒結(jié)機(jī)智能燒結(jié)產(chǎn)線

萊鋼與和鋼科技公司合作，根據(jù)智慧燒結(jié)管控系統(tǒng)工藝需求，對萊鋼400m2燒結(jié)機(jī)產(chǎn)線進(jìn)行智能化改造升級，增設(shè)了混合機(jī)智能加水設(shè)備，燒結(jié)機(jī)自動(dòng)布料設(shè)備，單點(diǎn)、多點(diǎn)熱電偶全溫度場在線檢測設(shè)備，風(fēng)量自動(dòng)匹配優(yōu)化設(shè)備、物料平衡在線檢測設(shè)備、機(jī)尾熱成像在線檢測設(shè)備等等，并集成至WSPCS系統(tǒng)，并與WSPCS系統(tǒng)中央數(shù)據(jù)庫鏈接形成遠(yuǎn)程閉環(huán)控制。

（1）自動(dòng)加水系統(tǒng)

結(jié)合物料變化情況建立原料基礎(chǔ)性能、制粒水分與原始料層透氣性的關(guān)系模型，采用預(yù)測控制算法、混合料料溫反饋、燒結(jié)過程狀態(tài)反饋確定適宜的混合料水分，根據(jù)原料動(dòng)態(tài)跟蹤及水分離線檢測結(jié)果，對水分檢測值進(jìn)行在線修正，結(jié)合反饋控制算法，實(shí)現(xiàn)混合料水分的準(zhǔn)確控制，從而達(dá)到理想的混勻和制粒效果，保證燒結(jié)過程良好的透氣性。

圖-3 自動(dòng)加水控制邏輯                 圖-4 自動(dòng)加水系統(tǒng)畫面

（2）自動(dòng)布料系統(tǒng)

燒結(jié)機(jī)自動(dòng)布料系統(tǒng)，通過測厚儀、液壓油缸、溫度場檢測、機(jī)尾紅外成像形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，確保機(jī)尾斷面終點(diǎn)位置均一穩(wěn)定，結(jié)合布料活頁門對應(yīng)的料層厚度、終點(diǎn)位置偏差情況，周期性自動(dòng)測算最適宜料層厚度，合理調(diào)整活頁門開度，匹配料層壓入量，消除臺車寬度方向上的布料偏差，保證機(jī)尾紅層厚度均勻。

圖-5 自動(dòng)布料系統(tǒng)畫面          圖-6 機(jī)尾熱成像系統(tǒng)畫面

（3）終點(diǎn)優(yōu)化控制系統(tǒng)

燒結(jié)終點(diǎn)優(yōu)化控制模型，考慮料層隨燒結(jié)臺車移動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性，建立燒結(jié)過程狀態(tài)參數(shù)TRP、BRP、BTP軟測量溫度場，通過TRP、BRP和BTP三個(gè)廢氣溫度特征點(diǎn)進(jìn)行燒結(jié)過程監(jiān)控，采用模糊邏輯控制對主抽風(fēng)機(jī)頻率、各風(fēng)箱開度、臺車速度、料層厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)等穩(wěn)定燒結(jié)過程狀態(tài)，準(zhǔn)確預(yù)判、控制燒結(jié)終點(diǎn)溫度及位置。

圖-7 WSPCS系統(tǒng)終點(diǎn)優(yōu)化控制模型

（4）風(fēng)箱執(zhí)行器升級改造

改造關(guān)鍵風(fēng)箱翻板為模擬量調(diào)整型，結(jié)合過程透氣性，及燒結(jié)過程不同階段的風(fēng)量需求實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)箱風(fēng)門。通過整體風(fēng)量匹配優(yōu)化，差異性匹配兩臺主抽風(fēng)機(jī)，降低主抽頻率，降低燒結(jié)噸礦電耗。

（5）燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱溫度檢測

根據(jù)WSPCS系統(tǒng)控制要求，特別是燒結(jié)全溫度場檢測的需求，各風(fēng)箱增加單點(diǎn)熱電偶50支，多點(diǎn)熱點(diǎn)偶22支，全方位、多維度檢測燒結(jié)過程溫度場變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)燒結(jié)過程異常，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保燒結(jié)生產(chǎn)過程穩(wěn)定。

圖-8 單點(diǎn)熱電偶                            圖-9 多點(diǎn)熱電偶

（5）燒結(jié)機(jī)機(jī)尾熱成像監(jiān)控

新增機(jī)尾成像設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)Y(jié)機(jī)機(jī)尾燒成情況，結(jié)合燒成情況反饋溫度分布，提取計(jì)算參數(shù)，通過系統(tǒng)模型模糊計(jì)算，形成調(diào)整指令，實(shí)時(shí)調(diào)整，提升燒結(jié)礦質(zhì)量穩(wěn)定性。

圖-10 機(jī)尾熱成像系統(tǒng)              圖-11 環(huán)冷機(jī)料溫檢測設(shè)備

（6）物料料溫檢測

增加二混出口混合料溫度檢測設(shè)備、環(huán)冷機(jī)燒結(jié)礦料溫檢測設(shè)備，WSPCS系統(tǒng)根據(jù)物料溫度變化，實(shí)時(shí)匹配燒結(jié)過程參數(shù)。

2、建立了遠(yuǎn)程過程控制與設(shè)備云端遠(yuǎn)程運(yùn)維

2020年7月8日，借助燒結(jié)機(jī)32h計(jì)劃停機(jī)檢修，將所有設(shè)備合茬到位，7月9日一次投入運(yùn)行成功，將現(xiàn)場生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)引入WSPCS系統(tǒng)。

WSPCS系統(tǒng)，基于5G技術(shù)，采用C/S系統(tǒng)架構(gòu)，將現(xiàn)場新增和原燒結(jié)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)傳輸至中央數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)通過各子系統(tǒng)模塊對生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，采用專家控制、模糊控制和預(yù)測控制相結(jié)合的方法，形成燒結(jié)生產(chǎn)過程調(diào)整最優(yōu)方案，轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整指令。

系統(tǒng)指令由和鋼科技智慧管控中心人員遠(yuǎn)程下達(dá)至現(xiàn)場人員，再由現(xiàn)場控制人員與車間崗位人配合完成參數(shù)調(diào)整，保障各指令得到及時(shí)有效落實(shí)。同時(shí)，WSPCS系統(tǒng)獨(dú)立于型鋼煉鐵廠控制系統(tǒng)之外，互不干擾，所有設(shè)備具備就地和遠(yuǎn)程操作兩種模式，正常生產(chǎn)時(shí)由WSPCS系統(tǒng)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，燒結(jié)主線設(shè)備停機(jī)或異常狀態(tài)時(shí)由本車間崗位人員現(xiàn)場就地控制，所有控制模式實(shí)行現(xiàn)場就地優(yōu)先原則，確保異常狀態(tài)下燒結(jié)生產(chǎn)過程安全可控。

圖-12 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)     圖-13 智慧管控中心一體化平臺

四、應(yīng)用情況及效果

WSPCS系統(tǒng)投入運(yùn)行逐步趨于正常穩(wěn)定，經(jīng)7-8月份系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試、現(xiàn)場崗位融合，運(yùn)行效果日益顯著，9-12月份燒結(jié)固體燃耗和工序能耗大幅降低。9-12月份型鋼煉鐵廠400m2燒結(jié)機(jī)指標(biāo)完成情況如下：

1、燒結(jié)工序能耗： 9-12月份燒結(jié)工序能耗平均值49.53kg/t，較1-4月份基準(zhǔn)值50.97kg/t，降低1.44kg/t。

2、燒結(jié)機(jī)固體燃耗、利用系數(shù)、電耗：9-12月份燒結(jié)礦平均固體燃料消耗降低至48.88kg/t，較1-4月份基準(zhǔn)值51.93kg/t降低3.05kg/t，達(dá)到項(xiàng)目預(yù)設(shè)目標(biāo)。其中，1-4月份燒結(jié)礦Al2O3平均值為2.06%，9-12月份燒結(jié)礦Al2O3平均值為2.09%，燒結(jié)礦中Al2O3平均水平基本保持不變。

3、燒結(jié)機(jī)噸礦新水消耗：9-12月份燒結(jié)機(jī)平均噸礦新水消耗為0.135t/t，較1-4月份平均值0.14t/t降低0.005t/t，年節(jié)約新水量約24700噸。

4、燒結(jié)機(jī)內(nèi)返率：燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)過程穩(wěn)定性、返礦平衡穩(wěn)定性提高，返礦發(fā)生量降低，9-12月份內(nèi)返率為22.06%，較1-4月份平均值23.65%，降低1.59%。

5、燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)：9-12月份燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓平均值為79.56%，RDI+3.15平均值為72.05%，F(xiàn)eO平均值為8.59%，達(dá)到項(xiàng)目預(yù)設(shè)目標(biāo)。

2020年9月5日-10日進(jìn)行階段性試點(diǎn)，燒結(jié)機(jī)滿負(fù)荷生產(chǎn)6天，燒結(jié)機(jī)平均日產(chǎn)15183t，燒結(jié)機(jī)利用系數(shù)達(dá)到1.60t/（h.m2），利用系數(shù)提升4.58%，按照月總電量平均折算階段性試點(diǎn)期間燒結(jié)機(jī)噸礦電耗為25.27kwh/t，電耗降低1.96kwh/t，燒結(jié)機(jī)利用系數(shù)、電耗均達(dá)到項(xiàng)目預(yù)設(shè)目標(biāo)。2020年1-4月份及9-12月份400m2燒結(jié)機(jī)主要指標(biāo)數(shù)據(jù)如下：

隨著400㎡燒結(jié)機(jī)WSPCS系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，燒結(jié)過程狀態(tài)持續(xù)穩(wěn)定和優(yōu)化，燒結(jié)礦質(zhì)量穩(wěn)定性大幅提高，為高爐穩(wěn)定生產(chǎn)提供了一定的原料基礎(chǔ)支持，3200m3高爐12月份生產(chǎn)指標(biāo)達(dá)到今年最好水平。自調(diào)整噴煤結(jié)構(gòu)、使用蘭炭后，9、10月份蘭炭比例分別占45.9%，36.9%，高爐燃料比略有上升。

表-1 3200m3高爐2020年1-4月份及9-12月份指標(biāo)數(shù)據(jù)