高炉炉前数字化生产管理系统的优势

供稿|王敏，任荣霞 / WANG Min, REN Rong-xia

内容导读

高炉炉前工作环境是高炉生产最重要的场所，也是高炉生产劳动强度最大的场所，炉前工作需要完成出渣、出铁操作、控制铁水罐的铁水装入量，完成铁沟耐材的管理、修砌，并负责与炉内操作人员完成必要的通信联络，文章通过对炉前生产管理各个环节深入研究，通过增加静态电子轨道衡、铁水罐红外热像仪、铁水罐号自动识别仪器等措施，建立了数字化生产管理系统，对提高高炉炉前生产效率，提高数据统计的准确性，降低炉前操作人员劳动强度，提升管理的自动化水平，具有非常重要的意义。

钢铁厂是典型的流程制造业，而高炉生产是钢铁厂的重要生产环节。随着大型高炉的发展，近年来，通过炼铁工作者的不懈努力，中国在大型高炉生产管理和操控技术等方面取得了突出的成绩和效果，并且专家系统已在冶金工业生产中获得十分普遍的应用。但是，目前高炉专家系统的应用多集中于高炉炉内生产的管理，对高炉炉前生产管理的自动化、数字化则重视不够，作者根据多年从事炼铁工艺设计的经验，设计了高炉炉前数字化生产管理系统，为炼铁生产的进一步智能化提供数据支撑。

高炉炉前生产特点以及存在的问题

高炉炉前生产特点

大型高炉炉前具有生产节奏快、物流量大、环境温度高、生产设备多、劳动强度大等特点，高炉炉前需要完成每天12～15次出铁、出渣的工作，出铁操作要求铁水罐车在出铁场摆动铁沟下面准确对位，炉前工人需要在出铁前观察铁水罐内部耐材侵蚀情况，以判断铁水罐是否可以安全装入铁水，出铁过程需要人工观察罐内铁水液位变化情况，控制铁水装入量，铁水罐即将装满时需要操作人员及时操作摆动铁沟，切换到另一侧的铁水罐继续出铁，因此炉前工人安全生产责任重大。炉前还要完成铁渣沟耐材的维护、更换工作，劳动强度大。

目前生产模式存在的问题

目前国内的炉前生产管理模式存在的问题：

(1) 炉内和炉前基本上只能依靠人工通讯完成信息传递，炉内操作人员对炉前生产情况、出铁情况等信息了解不全面、不及时，炉内操作员了解出铁情况的方法是在出铁时到出铁场直接进行观察，铁水流动状况需要凭借经验进行判断，未到炉前的炉内其他人员则不能及时掌握出铁情况，每次出铁量的统计需要由高炉—转炉区段间的动态电子轨道衡计量后反馈回来，时效性差；

(2) 炉前工人对铁水罐的使用和管理也基本依靠人工操作模式，手段单一、安全性低；

(3) 炉前工人对铁水沟耐材的使用寿命(通铁量)统计基本依靠人工计算完成，准确性、及时性差；

(4) 铁水罐铁水装入量基本依靠炉前工人通过“人眼”观察控制，准确性差。

多年来高炉炉前生产一直处于传统生产管理模式，自动化程度低、工人劳动强度高、效率低、准确性和安全性差、人工成本高，与现代钢铁企业对生产管理的标准要求不相匹配，切实提高高炉炉前生产管理的自动化程度，提高劳动效率，加强安全生产是当前炉前生产的迫切需求。

高炉炉前数字化生产管理系统

大型高炉通常具有3～4个出铁场，采用摆动铁沟出铁方式，铁水采用铁水罐车运输，目前多采用“一罐到底”的方式进入转炉车间并兑入转炉，“一罐到底”的方式具有布置紧凑、物流简捷、铁水周转快、铁水温降小及粉尘排放少等优势[1]，这是目前铁钢界面组织铁水运输的常规模式。在此基础上，为了提高高炉炉前生产管理的自动化程度，增设炉前生产管理设备及检测仪器：

(1) 在铁水罐接铁水位置处的铁路线下方设置静态电子轨道衡，准确测量铁水罐空罐重量以及装入铁水的实时重量，方便炉前操作人员准确控制铁水罐的铁水装入量，并配置了雷达液面测量装置，保证铁水罐装载容量满足炼钢要求[2]；

(2) 在出铁场下设置铁水罐号识别系统以及铁水罐车定位系统，准确识别进入出铁场的每个铁水罐的编号，并准确控制铁水罐车在炉下接受铁水的位置；

(3) 配备铁水罐内衬温度红外测温仪，用于检测记录周转回来的铁水罐的空罐温度；

(4) 在出铁场下方铁路线沿线配置红外热像仪，对进出炉下的铁水罐外表面进行红外测温及成像，利用红外热像仪图像生成检测报告，以此为依据判断铁水罐耐材侵蚀情况。

静态电子轨道衡是比较难于安装的设备。对于已经建成的大型高炉，由于大型高炉通常有3～4个铁口，日常生产时只有2个铁口交替工作，其余1～2个铁口和对应的摆动铁沟处于检修和备用状态，因此可以在不影响生产的前提下，先行在备用铁口对应的出铁场下的铁路线上安装电子静态轨道衡等相应检测仪表设备，然后依次在其他铁口和炉前设备上再配置相应设备和检测仪表。对于只有两个铁口的高炉，可以组织在一段时间内，利用单铁口出铁的时间，在另一个铁口对应的铁路线上安装无基坑不断轨静态电子轨道衡，尽可能减少对高炉生产的影响。

铁水罐号识别仪器、铁水罐车定位仪器、红外热像仪、雷达液面测量装置等其他仪表的安装均很简单，不会影响高炉正常生产。铁水罐号识别仪器和红外热像仪可以安装在出铁场下方铁路线两侧的柱子上，安装和使用均很方便，不影响高炉的生产，可以在线安装。铁水罐在进、出炉下时，可以自动对铁水罐进行罐号识别并自动拍照成像，将相关信息自动传送到自动化系统中。上述设备和检测仪器安装完毕后，配合摆动铁沟以及炉前已有的铁水温度检测仪表，通过将这些新增的检测设备的输出数据与原有检测数据进行整合，可以形成一套炉前生产数字化管理系统，实现高炉炉前生产管理的数字化、自动化。

自动化管理功能

强化高炉生产管理

生产中，高炉的每个铁口都有编号，相对应的每个摆动铁沟都有编号，每个摆动铁沟下面的静态电子轨道衡也都有编号，摆动铁沟和静态电子轨道衡在工作状态时都可以输出信息进入管理系统，可以使炉内操作人员准确了解处于工作状态的铁口编号、对应的摆动铁沟编号、对应的铁路线静态电子轨道衡编号，以及铁水罐的铁水装入量的实时变化，通过这些信息可以在电脑屏幕上制作出模拟画面，动态描述出铁过程，将铁水罐内铁水重量的动态变化信号转化为铁水液位信号，使炉内人员更直观、生动地了解出铁信息。铁水罐车定位系统可以协助机车将铁水罐车停在静态电子轨道衡上的准确位置，实现在静态电子轨道衡的精确称量区间内进行称量，使铁水的称量精度不受影响，同时，还可以保证铁水罐车在摆动铁沟下面沿着罐车行进方向准确对位，使摆动铁沟内铁水安全流入铁水罐，减少反复调动机车的操作，既节省了时间，又保证了安全。改造前，高炉每次出铁量的信息通常是由设置在高炉—转炉区段间的动态电子轨道衡进行称量结算，然后将信息返回到高炉车间，这存在相当长时间的滞后性，特别是多高炉的生产组织，当出现不同高炉铁水罐需要混合编组去往转炉车间时，因为需要区分不同的高炉铁水产量，增加了信息传递的复杂性。而数字化系统的建立可以使炉内操作人员第一时间了解每次出铁出了几罐铁水、每次出铁量、每个罐的装入量、出铁过程中出铁速率的变化情况，便于分析掌握出铁对炉况的影响以及确定开、堵铁口的时机，同时，可以自动化生成炉前出铁过程数据管理表格，为高炉专家系统提供强有力的数据支撑。

快捷实现对铁水罐的管理

铁水罐是钢铁冶金企业运输铁水的重要工具，铁水罐具有一定的生命周期[3]。传统方式需要人工对铁水罐的使用次数进行计数，以使用次数作为铁水罐使用寿命长短的衡量。铁水罐内衬的传统检查方法是工人通过“人眼”观察铁水罐内部，并通过手持测温仪检测铁水罐外表壳体温度，两者相结合来判断铁水罐耐材侵蚀情况。上述方式具有及时性差、准确性差、劳动强度大的缺点。而铁水静态电子轨道衡和罐号识别仪器的使用，配合红外测温仪、红外热像仪检测铁水罐空罐内衬温度、铁水罐外表壳体温度，可以自动地精确统计铁水罐在一个生命周期内的使用次数、每次装入铁水量、总计装铁水量等信息。也可以自动统计单个铁水罐一天内以及生命周期内在单座高炉、多座高炉间的周转次数、周转周期、周转期间的罐温变化，为优化铁水罐周转时间和周转数量提供数据支撑，优化铁水的组织调度、改善铁水罐运行周期，是缩短运输或等待时间的有效手段。提高铁水罐利用率，对钢铁企业节能减排，改善技术经济指标和降低生产成本具有重要意义。铁水罐红外热像仪的使用，通过生成的铁水罐温度场图像，自动分析形成检测报告，及时掌握铁水罐耐材侵蚀变化情况，可以总结出铁水罐在使用过程中耐材侵蚀变化的规律，耐材侵蚀薄弱部位的分布规律，有针对性的采取维修措施，有针对性的完善铁水罐耐材的设计、砌筑，保障铁水罐的安全运转，也可以进一步提高铁水罐耐材的使用寿命，降低生产成本。综合上述检测数据，可以自动生成铁水罐数据管理表格。

提高铁水沟耐材管理的效率及准确性

高炉出铁场铁水主沟耐材维护通常以一个生命周期内的通铁水量作为衡量耐材设计、耐材质量，以及砌筑质量的依据，主沟及渣铁沟的通铁量能达到14～20万t[4]。现行统计办法是炉前操作人员根据耐材使用周期人工计算通铁量。大型高炉一般3～4条铁沟，生产时主铁沟交替出铁，因此给单条主铁沟的耐材通铁量计算带来了困难，需要人工进行区分并分别统计，计算量也比较大，容易出现计算错误。如果几条铁水沟在出铁过程中的交替有不规则性，工作人员很难及时跟进统计，这就给最终统计单条铁水沟通铁量的准确性、及时性带来了很大困难，不能准确评价铁沟耐材质量。摆动铁沟和铁水罐静态电子轨道衡的配合使用解决了上述问题，可以准确计算每条铁水沟的每次通铁量、生命周期内的通铁次数、累计通铁量。当铁水沟需要进行中期修补时，中期修补的通铁量、时间等信息也方便查询。统计的自动化程度高、及时性强、准确性高，能够准确建立对铁水沟耐材的评价体系，可以自动生成铁水沟耐材数据管理表格。

“一罐到底”工艺的有力支撑

近年来一种新型的铁钢界面生产组织模式“一罐到底”模式日益得到企业的认可，并在多家企业得到应用。在“一罐到底”生产模式中，高炉炉前摆动溜槽是炉前铁水装入铁水罐的重要设备，其工作效率的高低和自动化系统的优劣直接影响到铁水出铁效率[5]。铁水罐铁水装入量通常由炉前工人通过“人眼”观察，并操控摆动铁沟来控制铁水罐内最终液面高度，但人工方式通过控制液面高度来实现控制铁水装入量的方法误差大，并且随着铁水罐耐材的侵蚀，相同的液面高度，铁水装入量也会存在较大差异。因此，人工方式执行“一罐到底”操作模式时，转炉内铁水装入量难以准确控制，不能满足对铁水装入量要求严格的转炉炼钢工艺。摆动铁沟下方设计静态电子轨道衡，出铁时铁水罐的铁水装入量实时显示在出铁场上的显示屏幕上，在即将达到目标吨位的时候，可以通过报警的方式提醒炉前工人及时操作摆动铁沟，将铁水装入量的波动控制在允许的波动范围内，实现了铁水装入量的精确性控制，发挥了“一罐到底”操作模式的优势。

结束语

摆动铁沟、静态电子轨道衡、铁水罐罐号识别装置、红外热像仪均为目前在钢铁冶金行业使用成熟的工艺设备和检测仪器，能够保证高炉炉前数字化生产管理系统的运行。对于新建高炉，在进行设计时，可以同步配套设计高炉炉前数字化生产管理系统。高炉炉前数字化生产管理系统的建立，可以极大提高高炉炉前生产管理的及时性、准确性、安全性，降低生产成本、管理成本，建立丰富的数据库系统，全面改变传统的炉前操作以人工模式为主的方式，降低炉前操作人员的劳动强度，实现自动化、数字化管理，大幅提升高炉炉前生产管理的现代化程度，为进一步的炉前智能化生产管理打好基础，在高炉生产应用中具有较高的推广价值。