钢铁企业原料化检验系统智能化建设

张道光 ，张永丰 ，何泉 ，王丽晖 ，杨诺莎 ，岳帅 ，李奎 ，赵立章

（1.鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司，辽宁 营口 115007；2.鞍钢股份有限公司质检计量中心，辽宁 鞍山 114003）

钢铁企业原料化检验工作十分重要，化检验系统智能化水平直接影响该项工作的效率和质量，各钢铁企业都积极探索和实践如何提高化检验系统智能化水平。如刘楠［1］、李鹏芸［2］、王春生［3］、李晓曼［4］等人对全自动取样系统、全自动制样系统、化检验设施的现代化设计等进行了研究，提出了全流程自动化检测的理念等，但如何实现原料化检验系统实物流和信息流的智能化并没有进一步的研究。鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司（以下简称“鲅鱼圈分公司”）自2008年开工以来，原料化检验系统的设备、设施均未进行过系统性改造。随着信息化、数字化时代的到来，制造业向智能化转型，原料化检验系统智能化建设势在必行。为此，鲅鱼圈分公司对原料化检验系统进行了规划、设计和建设，通过构建“五位一体”的智能化化检验系统，大大提高了作业效率和作业质量，本文对此做一介绍。

1 原料化检验系统智能化建设理念

原料化检验系统智能化建设遵循“总体规划、适度超前、以点带面、逐步推进”的原则，以“取制化作业自动化、流程连续化、管理信息化、信息数字化”为目标，打造“五位一体”的智能化化检验系统。以化检验管理系统为中心，以自动取样系统、自动制样系统、自动分析系统以及样品管理系统为支撑，最终实现接收采购订单信息-组批-取样-制样-分析-结果发出-样品保管的全流程自动化。

1.1 实物流流程

实物流流程示意图见图1。

图1 实物流流程示意图Fig.1 Schematic Flow Sheet for Material Logistics

物料通过某种运输方式到达自动取样系统，按照指令进行取样作业，取样结束后进行封包，封包后的样品到达自动制样系统，解码后按照指令进行制样作业。制样之后产生两个样品：分别为分析样和保管样。分析样通过样品传输系统传输到自动分析系统，按照指令进行分析作业，结束后进入智能样品管理系统；保管样直接进入智能样品管理系统。整个实物流作业取样、制样、分析由各系统自动完成，最终实现实物流的自动化［5］。

1.2 信息流流程

信息流流程示意图如图2所示。

图2 信息流流程示意图Fig.2 Schematic Flow Sheet for Information Flow

化检验管理系统是信息流的源头和中心，取制化三级系统、样品管理系统与化检验管理系统均有信息交互，各级系统按照工艺流程逐级进行信息传递和核对，最终实现信息流的自动化。

2 原料化检验智能系统构成

通过应用自动化、网络化、信息化、AI视觉识别、人工智能等技术，建立起全自动取样、智能化制样、智能化分析、智能样品管理、化检验管理系统“五位一体”的智能化化检验系统。

2.1 全自动取样系统

根据生产工艺需要，规划建设汽车、火车和皮带远程全自动取样系统，实现远程全自动取样作业。

2.1.1 汽车远程全自动取样系统

根据现场物料状态及生产工艺技术要求，汽车远程全自动取样系统分为双采四制汽车取样系统和机器人智能取样系统。

（1）双采四制汽车取样系统

①系统概述

本系统的设计目标是实现对汽运散装物料的自动取样，从识别车号到取样、粗破、封包全流程自动化。主要包括双取样头桥式螺旋钻取样装置、车号识别系统、车辆定位系统、四工位粗破缩分系统、封包系统等。

②工艺流程

车辆通过车牌识别系统进入取样区域后，通过定位、视觉识别系统识别车辆的尺寸信息，控制系统在取样边界内随机选点取样，螺旋钻到达取样指定深度后，钻头提起，取样大小车回到卸料位置。样品卸出到样品缓存器中，由送样皮带给料机转运至制样系统中，制样系统按照设定程序作业，缩分后的弃料转入弃料皮带机送至车厢内，收集器中的样品由包装皮带机进行样品包装。

（2）机器人智能取样系统

机器人智能取样系统总体布局示意图见图3。

图3 机器人智能取样系统总体布局示意图Fig.3 Overall Layout Diagram for Robot Intelligent Sampling System

①系统概述

本系统的设计目标是实现对汽运袋装物料的自动取样，从识别车号到取样、粗破、封包全流程自动化。系统主要包括机器人取样系统、车号识别系统、车辆定位系统、视觉识别系统、取样器快换系统、制样系统、封包系统等。通过构建控制及管理系统连接，实现系统的互联和集成，实现作业的自动控制。该系统所采用的机器人倒置悬挂技术和汽运袋装物料自动取样技术均为行业首创。

②工艺流程

机器人智能取样系统工艺流程见图4。车辆到达后通过车号识别系统驶入取样区域，定位系统进行车辆定位，采样机器人根据物料信息选用匹配的取样器，视觉识别系统选定取样位置，取样机器人根据取样规则开始取样作业，取样结束后根据物料类型进行制样和封包。

图4 机器人智能取样系统工艺流程示意图Fig.4 Process Flow Diagram for Robot Intelligent Sampling System

2.1.2 火车远程全自动取样系统

该系统用于火车运输铁精矿、球团矿、石灰石、煤等物料，跨二条道轨对火车进行远程取样作业。主要由火车自动定位系统、取样系统、制样系统、样品收集、弃料返排、封包系统、风速检测及远程控制软件等系统组成［6］。能够自动完成车厢定位、随机选择取样点、样品自动采集，自动完成样品的破碎、缩分、集样和弃料返排等，还可以通过图像AI识别技术完成对车厢内物料的粒度检测。整个系统为全密闭结构，以保证所取样的真实性和代表性。

2.1.3 皮带远程全自动取样系统

（1） 系统概述

该系统集取样、制样、弃料、收集于一体，是PLC、变频器控制、工控机、工艺参数程序设定、料层监测系统、AI粒度识别系统、远程控制系统、取制样设备与运料皮带机连锁的机电一体化设备，具有高度自动化功能，能够全自动完成取样、破碎、缩分、样品收集、弃料返排等。

（2） 工艺流程

皮带机械取样装置安装在原料主供皮带机中部，取样机上配有物料检测系统，当检测到皮带机上有连续物料经过及主皮带启动时，取样机延时开启，并自动完成定时、定量、全断面截取皮带机上的物料，还可以利用AI视觉识别系统进行粒度分析。皮带取样系统按照工艺的要求，自动定时、定量取出原料，取样机旋转取样一周后自动停止在初始位置，等待下次取样。控制方式分为自动、半自动、手动三种状态，以满足不同情况需要。

2.2 智能化制样系统

智能化制样系统总体布局示意图见图5。

图5 智能化制样系统总体布局示意图（俯视图）Fig.5 Overall Layout Diagram for Intelligent Sample Preparing System(Top View)

（1） 系统概述

该系统主要用于铁矿石、易破碎合金、熔剂、辅料等样品的制备，可实现一键式全自动扫码、称重、破碎、缩分、烘干、研磨、密封、弃料、保管等功能。系统可以设置100种制样方法，研磨后的粒度具备200目能力，可以实现水分分析数据的上传，同时具备清扫功能，避免样品混质。该系统处于国内领先水平。

（2） 工艺流程

①样品密码桶来样登录：解码器解码后与化检验管理系统获取的信息比对，样品桶通过滚筒线进入系统排队。②自动开盖上料：机器人负责从输入定位取桶到开盖机工位开盖，称量位称量样品重量后，根据物料类别按流程进行处置。③制样：机器人依次按流程制备化学样、保留样、部分品种测水分。④样品封装标识：机器人负责保留样、分析样封装打码。⑤弃样：弃料桶通过滚筒线返回，弃样由弃料线输出系统分类收集回收。

2.3 智能化分析系统

智能化分析系统包括自动称量装置、自动研磨装置、自动压片装置和自动X射线荧光光谱仪、自动熔融系统、自动碳硫分析系统，完成对铁矿石、熔剂、合金、辅料等试样的分析［7］，能够集成样品传输系统，实现与自动制样系统的信息交互。系统接收到样品后根据指令进行分工，通过自动称量装置将样品分发给不同的子系统进行下一步作业。智能化分析系统总体布局示意图见图6。系统功能介绍如下。

图6 智能化分析系统总体布局示意图Fig.6 Overall Layout Diagram for Intelligent Analysis System

（1）自动研磨、压片系统

可以实现样品的自动研磨、压片，系统接到指令后自动称量、研磨 （可以自动添加粘结剂）、压片、除尘，并将制备完成的样品传递到X射线荧光光谱仪，分析完成后的结果自动上传至化检验管理系统，空料杯通过样品传输系统自动返回至制样系统。该设备全封闭、隔音，而且不需要更多的手动干预和维护。

工艺流程：①研磨：选择操作参数，启动后由内部传输装置将样品倒入研钵细磨，将磨好的样品倒回不锈钢样品杯中，样品传输到样品输入位置，利用压缩空气清洁相关部件。把盛有样品的样杯自动放在内置传输系统的进样位置。②压片：选择操作参数，启动后样品放入给料台，开始给料压片，内置传输系统把压好的样片送出。样片分析结束回收钢环，用于下一个样品制备。

（2）自动熔融系统

该系统可以实现自动熔融制样，快速灵活处理样品，能够实现样品制备过程管理和图形可视化。

工艺流程：①选择方法后自动称量、混匀。②熔融：启动熔融程序，坩埚在熔化过程中以圆周运动振荡，以保证熔融材料的均匀性且无气泡，保证样品熔融过程中彻底混合。③冷却：熔融试样倒入预加热的浇注盘中，分阶段冷却，凝固后的浇注盘被压缩空气精确吹扫，直到样品从盘子中取出。传感器检测玻璃片质量，确保完好的玻璃片到达分析设备。④输送：真空吸入装置将完整玻璃片经输送系统送至X射线荧光光谱仪。⑤清洗熔融完成后，坩埚和浇注盘可在超声波浴中自动清洗。

（3）自动碳硫分析系统

该系统基于一个机器人自动完成坩埚装卸、样品称重和自动投放样品的过程，利用碳硫分析仪自动进行固体样品的分析。

工艺流程：①把预热后的坩埚放到电子天平上；②把样品/标样放到坩埚内；③进行样品/标样的自动称重；④根据设定的量加入助熔剂；⑤进行样品/标样+助熔剂的再预热；⑥机器人把天平上的样品/标样送到碳硫分析仪的坩埚托上准备分析；⑦坩埚托落下，废坩埚被取出并丢入废坩埚箱；⑧燃烧管自动清扫；⑨上传分析结果进行数据处理。

2.4 智能样品管理系统

智能样品管理系统能够实现样品在线管理、实时监控，由样品柜、监控系统、控制系统等构成，主要功能包括样品的出入库管理、人脸识别管理、实时监控管理、自动报警等，可以与自动制样系统和自动分析系统信息交互，完成样品的自动入库管理，可以与化检验管理系统实现信息交互，通过人脸授权、即时录像，完成对样品的状态监测、调出、排放等工作，最终实现对样品的智能化管理，提高样品管控水平。

工艺流程：首先选择工作内容样品入库/样品出库，然后人脸识别权限验证，此时系统开始跟踪录像，录入/扫描样品编码，系统打开相应柜门，在规定时间内完成样品存放，否则报警系统会启动提示，最后关闭柜门完成整个作业。

2.5 化检验管理系统

化检验管理系统负责向各自动化系统下发作业指令，同时收集各系统反馈回来的信息并作出处理，能够为各级生产系统、管理系统、决策系统提供数据支持，为企业信息化提供基本数据保障［8］。功能完善而强大的化检验管理系统是全流程自动化、信息化的基础。由于各个企业管理职能分工的不同，化检验管理系统所承担的功能有所区别，主要业务功能包括原料组批、原料取样、原料制样、数据录入、数据审核和发布等，主要管理功能包括人、机、料、法、环的管理、实验室认可体系管理、质量管理、统计分析、数据的深度挖掘等。

通过构建“五位一体”全流程、一体化的原料化检验系统，加快了智能化建设和工艺技术创新，能够有效降低劳动强度，确保数据的客观性、准确性、及时性。

3 结语

随着数字化时代的发展，互联网、大数据、人工智能等技术的进步，传统的人工作业模式已经不能满足企业发展的需要，鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司通过构建“五位一体”全流程、一体化的原料化检验系统，加快了智能化建设和工艺技术创新，能够有效降低劳动强度，确保数据的客观性、准确性、及时性，实现全面质量控制，推进智能工厂建设。