天钢高炉炼铁设备及其自动化

张学启（天津钢铁集团有限公司，天津300301）



天钢高炉炼铁设备及其自动化

张学启
（天津钢铁集团有限公司，天津300301）

[摘要]介绍了天钢高炉采用的工艺技术和装备。从设备自动化、过程自动化和管理自动化3个方面介绍了天钢高炉生产和过程管理采用的先进技术。通过采用高炉专家系统和铁区制造执行系统，取得了良好的经济效益，提升了企业的管理和自动化水平。

[关键词]设备；高炉；炼铁；过程；自动化；制造执行系；专家系统

修回日期：2015-04-02

1　引言

21世纪以来，我国新建的高炉向大型化、自动化方向发展。高炉炼铁技术取得了长足的进步，这种进步不仅表现在以主要经济技术指标不断提高为标志的高炉稳定操作技术上，还表现在装备水平以及多项设计和生产技术获得了突破。这一时期，大多数企业对高炉炼铁技术发展的方向有了新的认识，不再片面追求单一高产，而是系统地追求“高效、优质、低耗、长寿、环保”。

2　高炉炼铁工艺设备

高炉“高效、优质、低耗、长寿、环保”这一方针已被越来越多的企业认同，实现这一方针的三个要素是：精料、装备水平以及操作管理水平。

高炉的大型化对减少冶炼过程中的能源消耗、提高资源利用率、减少排放创造了有利条件。我国新建的高炉多为大型化高炉，并在装备技术方面采用了无料钟炉顶、铜冷却壁、高温热风炉、喷煤、炉前装备自动化、煤气余压发电、水渣粒化以及较完善的自动化系统等装备。天津钢铁集团有限公司（以下简称天钢）高炉系统采用了国际上处于先进水平的工艺技术和装备。

主要有：串罐无料钟炉顶、复合炉衬技术、富氧浓相大喷煤、炉前开口机和泥炮及其自动控制系统、新型环保水渣技术和装备、高炉煤气清洗技术和装备、顶燃式热风炉系统、立置环保振动筛系统、国产铜冷却壁、铁口整体钻孔技术、国产大风机等。同时天钢自主开发了软水密闭循环系统自动补水补压、炉前开口机和泥炮自动化控制系统、长寿布料溜槽、鱼雷罐铁水液面测量等技术和装备。以上新工艺、新技术和新装备的应用，使天钢高炉在工艺技术及装备处于国内外先进行列，为高效低耗打下了物质基础。

3　高炉炼铁自动化

炼铁自动化可以分为3个层面，即设备自动化、过程自动化和管理自动化。我国几乎所有的高炉都实现了设备自动化，因为高炉从配料到上料再到装料，是一个复杂的过程，需要上百台设备协调配合才能完成。设备自动化可以极大地提高工作效率，减少误操作，提高可靠性，降低人工成本，这是企业看得见的效益。但是，设备自动化的水平还有待提升，而在过程自动化和管理自动化方面，一些企业正在积极地探索，很多企业还没有意识到过程自动化和管理自动化能给企业带来可观的效益，这是本文所要表述的重点。

3.1设备自动化

几乎所有的高炉都实现了设备自动化，各企业都对高炉设备自动化极其重视，这是因为如果控制系统发生故障，将直接导致高炉休风，甚至会危及到高炉的安全生产，产生严重的后果。相当一部分企业在设备自动化方面，配备了较好的检测、控制和执行装置，其检测准确度满足高炉基本操作要求，但仍然有较大的提升空间，如按环重量布料、热风炉自动燃烧、自动换炉、交叉并联送风等。

3.2过程自动化

冶金企业铁水成本是影响产品成本的重要因素，降低铁水成本是冶金企业的主要任务之一。只有在保持高炉持续稳定生产的前提下，才有可能实现优质、低耗。因此，高炉的持续稳定生产是操作者最重要的目标。然而，高炉运行存在很多干扰因素，如操作的失误、人为因素、炉料化学成分的波动、工艺过程和热状态的改变等均会造成高炉的扰动，保持高炉长期稳定运行并不容易。

3.2.1高炉专家系统的构成和工作过程

高炉过程自动化系统（高炉专家系统）可对高炉操作炉型及状况进行评价和判断，反映炉况的趋势更加客观和正确，可使高炉操作实现统一和标准化，是高炉实现高效、低耗、长寿的重要途径。高炉专家系统的应用对高炉操作稳定具有十分重要的意义。芬兰罗德洛基公司的专家系统应用了专家系统和神经元网络两个软件平台，其中线性问题采用专家系统平台处理，非线性问题则采用神经元网络技术处理。其功能主要包括炉料计算模型、布料模型、炉身模型、技术计算、炉缸烧损模型和出铁控制模型等。系统结构如图1所示。

其工作过程如下：

（1）数据的采集和输入：数据分为3类，一是现场传感器直接测量的数据，由基础自动化系统采集并经预处理后，通过通讯的方式传送到专家系统数据库中；二是成分数据，包括原燃料成分和渣铁化验数据，由检化验系统来；三是出铁数据，包括出渣时间、出渣延迟时间，出铁起止时间、出铁量等，由工长从专家系统的画面录入。

图1　高炉专家系统结构

（2）技术计算：专家系统软件在接收到一级系统和检化验系统的数据后开始进行技术计算。技术计算分为基于时间周期的计算和基于事件的计算。计算各种指数、平均值和偏差等，技术计算的结果作为推理过程的初始值。

（3）知识库：技术计算完成后，启动系统中的知识库。系统会根据各种条件值判断采用正常状态知识库或不稳定状态知识库。

（4）推理机的推理：专家系统软件库中内置资深高炉操作专家对各种干扰状态推理和评估知识和方法。首先对干扰进行分析、识别和确定，然后根据干扰的程度，系统会自动输出建议修正控制值。系统进行短周期诊断和长周期诊断，其中短周期诊断用于指导当前的操作，长周期诊断用于确定当天高炉的操作方针。

3.2.2专家系统的实施应用

高炉专家系统的实施比设备控制要复杂得多，是一项技术和管理结合的系统工程，它需要高炉操作、化验室和自动化维护部门之间密切配合，才能完成实施应用工作。在实施过程中应特别注意以下几点：

（1）领导重视是关键。高炉专家系统是技术和管理相结合的产物，它涉及到观念的改变，部门配合等问题，一个环节出现问题，将会导致整个系统不可用。

（2）实施团队是保证。由于高炉专家系统是一项需要客户化的工程，需要高炉操作者不断地对系统参数进行调整和完善，因此，需要有一个技术水平高的团队。

（3）技术培训是基础。高炉专家系统涉及大量的操作思想，全体操作者必须深入地理解专家系统的控制思想和工作流程，操作者思路与软件系统的思想一致，并能熟练地使用软件，才能在使用过程中不断地优化和完善，系统才能成功应用。

（4）制定阶段目标，稳扎稳打。为了使高炉专家系统能够成功，将实施目标分为三个阶段：第一阶段：以监视，管理为主，这一阶段只涉及专家系统的基本功能，比较容易实现。第二阶段：完善专家系统规则库和推理机参数，预报高炉顺行状态和热状态。这一阶段需要高炉操作者完成大量的工作，专家系统基本可用。第三阶段：将专家系统自学习功能投入运行，系统建立异常炉况记录，进而不断地优化专家系统规则库及推理参数，不断地提高异常炉况预报命中率。通过在高炉的实际运行，不断确认和完善系统所使用的规则，增加新的规则，这一阶段的持续时间最长，一直持续到高炉停炉为止。

（5）数据准确是基础的前提。高炉专家系统所需要的数据包含3个方面：一是过程测量数据，它反映工艺过程的实际情况；二是成分化验数据，它反映了原、燃料的成分，不仅要保证数据的准确性，还要保证数据的实时性和对应性；三是各种参数的“值”，这些量值需要不断地调整，才能逐步使软件无限逼近真实，提高系统预报精确度。

3.2.3高炉专家系统的经济效益

高炉专家系统对稳定炉况、减少事故、降低焦比起作重要的作用，国外的高炉专家系统已普遍被接受，在我国也有不少成功应用专家系统的实例。高炉专家系统产生的效益：（1）避免炉况重大失常。（2）降低燃料消耗，提高铁水质量。（3）延长高炉寿命。（4）培养操作人才。

3.3生产管理自动化

3.3.1我国高炉精细化管理存在的问题

我国高炉生产大多处于粗放型管理阶段，还不能实现精细化管理要求，目前存在的问题是：（1）技术数据采集周期长、利用率低，管理层不能及时和充分得到反馈信息，为决策提供及时指导。（2）管理层对生产信息的掌握具有局限性，难以对生产情况进行总体和系统的分析，使决策和调控的及时性受到一定程度的影响。（3）大量数据需要人工二次采集、输入、计算，工作量大，工作效率难以提高。（4）原料场的管理还处于手工模式，特别是原料质量跟踪信息传递较慢，影响铁厂对原料的精细化管理。（5）高炉配料不能及时准确地掌握原料库存及对应的质量情况，给物料全局管理带来了一定的困难。（6）原料配料只能根据现有材料配料的状态，还不能根据市场的变化和铁水目标要求，实现最低成本配料。

3.3.2高炉精细化管理

采用信息技术手段可以很好地解决上述六类问题，这就是铁区生产管理自动化，即铁区制造执行系统（MES），其主要功能如图2所示，不再详述。

图2　铁区M ES功能模型

3.3.3精细化管理实现的效益

通过信息系统中的配料管理功能，可以实现铁水成本最低的目标，采购部门将市场资源信息、对应的质量参数和价格等条件输入到系统中，通过系统内预置的质量数据库和原料结构回归模型进行计算和模拟预测，找出满足铁水质量的最优配料方案。采购部门按此方案采购，实现成本最优。原理如图3所示。

4　结语

图3　铁水成本最优配料方案原理

高炉大型化，装备水平的提高，为提高经济技术指标创造了较好的物质条件，多数企业均能采用先进的操作理念和操作技术。但是为了更好地发挥高炉装备的先进功能，仅有先进的操作技术是不够的，必须采用先进的管理思想，采取先进的管理手段和管理方法，实现精细化管理。高炉专家系统和铁区MES的应用，能有效地帮助企业实现精细化管理，“高效、优质、低耗、长寿、环保”的目标。

参考文献

[1]马竹梧.冶金原料生产自动化技术[M].北京:冶金工业出版社，2005.

[2]谢冉东，马贡恺.信息系统工程监理质量控制实务[M].北京:清华大学出版社，2009.粉烧结煤跃朝鲜煤。

（上接第67页）Iron-m aking Equipm entand Autom ation in TISCZHANG Xue-qi

(Tianjin Iron and SteelGroup Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China)

AbstractThe paperbriefly introduces the technicalprocess and equipmentadopted to BF ofTianjin Iron and SteelGroup Company Limited (TISC)and explains the advanced technology applied to BF production and process managementfrom three aspects ofequipmentautomation,process automation and management automation.By way ofadopting BF expertsystem and manufacturing execution system atiron-making area, good economicbenefitsareobtained and themanagementand automation leveloftheenterpriseislifted.

Key wordsequipment; BF; iron-making; process; automation; manufacturing execution system; expert system

收稿日期：2015-03-10

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2015.04.019

作者简介：张学启（1964—），男，天津人，高级工程师，主要从事自动化和企业信息化的规划、建设、管理和维护工作。