浅析炼铁高炉生产过程的自动化控制

范俊慧

在炼铁高炉生产的过程当中，原料系统以及热风系统已经通过计算机技术的应用实现了自动化控制。目前，炼铁高炉生产过程的自动化控制已经取得了较大的发展。

1 相关概述

1.1 高炉自动化的简要回顾

高炉炼铁是钢铁生产中的非常重要的一个环节，也是炼铁工艺中最普遍使用的一个手法。这种炼铁方法是由古人发明的竖炉炼铁发展并逐渐改进而成的。采用高炉的技术来炼铁的话，炉的本体从上而下分为了5个部分，分别是炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸，当实际工作时，这5各部分分别做工，共同致力于钢铁的冶炼。高炉炼铁工艺长时间以来能够收到钢铁产业的青睐，甚至在全世界的钢铁生产中都占据着主导地位，主要是因为高炉炼铁技术具有操作工艺简单，生产效率高，产出高消耗少，经济效益高等优点。就目前我国的高炉炼铁技术发展情况来看，主要经历了以下几个阶段：从最开始的传统陈旧的操作技术，即通过外界的压力或操作来调控炉内的生产环境，并且通过大量的仪表盘以及人工的判断来监测炉内的各项情况与指标，再进行相应的流程调整，以增强成品的饱和度。随着科学技术的发展与进度，炼铁行业在新的科技环境下也有了新的需求，从以往的人工操作流程居多向自动化控制方向转变，并且由于自动化技术的进步与优化，近几年我国的炼铁技术已经有了突飞猛进的提高。从高炉技术自动化的发展历程可以看出，我国钢铁生产行业的发展在不断的顺应时代潮流，在优化与改进自身技术流程的同时，也在积极的学习与借鉴国外的其他优秀经验，例如引进设备、吸引优秀人才等，不断对自动化技术进行优化与调整。综合来看，我国目前的高炉炼铁技术基本处于国际市场上的常规水平，更重要的关注点已经开始向低耗减排进行侧重了。

1.2 炼铁高炉自动化控制系统的基本设置

炼铁高炉的自动化控制系统是一个强大的电子化维护体系，其中包括了生产设备的链接系统、电气装备、相关仪表仪器的监控装置等多个部分组成，形成一个流程完整、功能强大的自动化控制系统。自动化的系统最主要是的为了满足钢铁生产企业的生产要求，为生产目的服务，为顺应新技术时代搭建自动化生产体系，但不同的企业对于自动化控制系统的运用是有所差异的，这主要取决于企业的规模、经济实力与实际的需求，然后使用规模不一的系统。每个企业确定了需要的系统后，再根据具体的场地、生产环境进行设备的布控，在布控的环节中，要充分考虑到整体环境与场景，根据实际建设的难度然后有针对性的设计布控方案。同时为了保证自动化系统的整体运行的稳定性与安全性，在设置系统的时候要尤为注重整体环节效率的把控以及安全性能的监测，使整个系统能够自动排查与处理各项异常情况，即使系统出现故障时，局部也可正常工作，以此来保障生产进程的顺利有序进行。

1.3 炼铁高炉电气自动化系统功能和优点分析

1.3.1 具有自动化控制功能

炼铁高炉自动化控制系统是指使用熔炉炼铁的过程中，各个组成部分共同工作的同时能够由自动化控制系统实时并准确的测量、监督炉内的温度、压力、压强等，当检测到某一指标不符合已经设定好的固定范围指标时，可以通过智能化的算法自动调节或控制各项指标，最终达到安全、高效生产的目的，而非通过人工的判断来甄别整个生产流程的合规性。通过自动化的控制系统较于以往传统的老旧方法来看，除了生产效能更高之外，生产车间的安全性能也能得到大大的保账，这主要是由于当设备出现异常或问题时，自动化控制系统可以快速及时的找到问题源并作出相应的保护措施，以保证生产环境中人员、资产的安全，减少企业的经济损失。

1.3.2 具有生产过程监控功能

高炉炼铁对于钢铁的生产来说只是其中一个环节，因为钢铁的生产不是单一的制造环节，而是具有一些列的操作环节，涉及到诸多的生产工艺与技术。电气自动化的控制技术在炼铁环节中的使用是非常有必要的，自动化的技术能够提高生产的效率及安全性，此外，还有一个作用对于企业的管理层或监督部门来说是非常有意义的，即对生产中的各个环节进行监督与管理。一方面，监督生产设备性能的稳定性，自动化系统可以对生产过程中涉及到的所有设备进行关联与监测，每一台设备的运行路径与运行时间，并随时对机器的性能进行监督，当设备的性能出现问题或异常时，自动化系统就会进行预警提醒，提示操作人员可能发生的问题，以便相关负责人员能够在问题发生之前对设备进行检修与维护，降低生产安全事故的发生率与损失，一定程度上还可以减轻维修人员的检测工作量；另一方面项目管理人员还可以通过自动化设备随时监督生产工人的工作情况以及整条生产线的加工情况，为生产流程的调整与优化提供数据支撑。

2 创新绿色低碳炼铁技术

2.1 氢冶金技术

“低碳环保”是目前全球各个国家都在追求的目标，钢铁的生产从目前的技术手段来看，生产过程中主要使用的燃料是煤炭，在煤炭高温燃烧的过程中会产生大量的有害气体，这对于绿色及环保的追求来说，这些污染物质正是环境污染的主要来源。为了顺应绿色环保的时代潮流，我国各行各业都在积极的探索绿色能源的开发与利用，尤其是这些传统的耗能较高的行业，更应该积极转变理念，减少化石能源的消耗，从我国钢铁行业的领头企业宝武集团来看，该企业早就在2016年开始了绿色能源这一块的大量投入与研究，研究重点主要聚集在氢能的利用。钢铁生产中主要排放出来的污染气体就是二氧化碳，这是空气污染的主要物质，要节能减排，就要控制二氧化碳的排放，就当前相关专业人员的研究结果来看，基本可以确定的是氢气炼钢是现有技术中二氧化碳排放量最少的，也是最绿色的一项技术。除了宝武集团之外，我国其他的钢铁行业大企业，例如河钢宣钢、中晋太行等都已经在使用制氢、用氢的技术了，并且通过实际的运用可以看出氢能炼钢已经取得了比较满意的效果，碳排放量已经大幅度降低。

2.2 铁焦工艺

铁焦是指将低品位煤和铁矿石粉碎到规定粒度，并按一定比例混合后压制成型，经干馏、炭化，形成含有金属铁的一种新型焦炭。铁焦由于高反应性，可降低高炉热储备区温度，促进高炉内铁氧化物的还原，从而改善高炉的反应效率及碳利用率，进而降低高炉燃料比和实现CO2减排。目前，JFE钢铁、日本制铁、神户制钢三家企业联合开发了铁焦工艺，建设成日产300t的铁焦基地，能够降低高炉10%的能源消耗；通过数值模拟研究了高反应焦对高炉热储备区温度的影响规律，结果表明，每吨生铁能降低还原剂25kg～35kg。研究发现，高炉使用铁焦后，热储备区温度显著降低了150℃，每吨生铁节省还原剂35kg。发现铁焦的强度低于普通焦炭，在高炉中配加铁焦能够节约焦炭6%。因此，提高高炉中碳的反应性是降低炼铁过程中二氧化碳排放的一项创新措施，具有广阔的应用前景。但由于铁焦热强度低，替代焦炭量少，高炉CO2减排有限。

2.3 基于改质焦炉煤气的竖炉还原－电炉工艺

目前，国内外生产海绵铁所需的富氢还原气体主要通过天然气重整获得，然而我国天然气资源匮乏，难以满足钢铁行业的大规模应用。我国含有丰富的焦炉煤气资源，每年约产1916亿m3，焦炉煤气中含有大量H2、CH4和CO，其中H2、CH4含量分别为56%和27%左右。CH4遇高温会裂解成H2和C参与还原反应，但同时导致碳的大量沉积，抑制气固还原反应的进行，所以需要将甲烷重整改质，以进一步提高焦炉煤气中氢含量，从而改善竖炉的还原反应效率。当前焦炉煤气主要作为燃料使用，没有充分利用其还原性，造成了严重的资源浪费。为此，将改质焦炉煤气作为气基竖炉的还原气，不仅解决了焦炉煤气资源化利用问题，还为现阶段气基竖炉生产提供了一种获得富氢还原气的方法。

3 炼铁高炉生产过程自动化控制的方法

3.1 原料系统自动化控制

炼铁高炉运行时对原料系统的控制越来越稳定，原料系统可完整记录下高炉内进料量和消耗量数值，原料消耗期间会删除漏斗内所剩的原料值，以达到炼铁高炉装入原料的精准性，以防系统计数出现差异。炼铁高炉原料系统自动化控制可依照统计数据结果而进行补料。同时该系统还可提供精准的定值。如某正在运行中的炼铁高炉，我们重点研究了自动化控制在原料系统中的应用情况，炼铁原料系统自动化控制定值特指卸空后重量值，当输入进去称量漏斗数值后，系统会记录漏斗满载情况，炼铁原料自动化控制系统将所测定数值记录下来，对比每次称量数值，对存在较大误差数值进行矫正。矫正流程为：PC设备提供炼铁原料系统卸料设定值，设备依据不同原料品类给出设定值，原料自动控制系统内的传感器可给出漏斗中的原料数值，设定数值对比情况可发送至供料给料机。炼铁原料自动控制系统内磁力比较运算器可给出实际称量值，若原料的实际称量值达到给定值的95%时，供料设备会接收到系统发出的指令，减缓供料，可有效防止实际称量数量超出设定重量。当实际称量数量达到了给定值的100%时，供料设备会自动停运，PC设备提示“满”，最终显示的数值是称量值，若炼铁原料上料过程出现问题，供料给料机接收到自动化控制系统发出的满料信息后未停止供料，紧急制动命令会自动生效，上料设备会根据所接受到系统发出指令而进行关闭料斗，当料斗停止运行后，给料器可进行启动，依据实际情况决定是否可以运行，以达到精准给料。炼铁原料系统自动化控制重点是确保给料的准确性，防止给料过度或不给情况发生，以提升炼铁生产率。

3.2 技术设备的应用

成像设备这一应用，能够在很大程度上提高炼铁高炉自动化控制的准确性，这一设备主要通过在炉的顶部放置一个与之配套的成像设备，再加上用氩气流套筒的保护，在操作室中设置一个监视设备，从而做到时刻观察着高炉中的反应来做出全方位的安全保护。随着布料方式的样数增加，布料的精确性也相应提升，利用率增加，成本也随之降低。更有意思的是，如果有了成像设备，在进行高炉维护养护工作时，还能拥有更加真实有效的数据作为工作人员后续养护工作过程中的重要依据，这是目前各大炼钢高炉自动化控制发展的主要方向。有效利用人际界面功能，以实现炼铁高炉生产的集中自动化控制，最终对炼铁高炉的整个生产过程所运行的参数数据进行全方位的自动化控制。这也从侧面督促炼铁作业人员在生产过程中全面掌握各设备的功能及运行状态，通过人机界面的监控和显示能够将整个炼铁高炉生产设备生产的画面直接传输到配套的计算机上。这样一来，PC设备可对炼铁相关设备进行有效控制，当某个设备出现故障，自动控制系统接收指令及时发出报警信号，便于工作人员及时进行处理，这也为工作人员对设备进行日常检修工作提供维修依据，通过人机界面监控技术能够实现炼铁高炉生产过程自动化控制的资源和数据共享。经过研究发现，炼铁自动化控制系统加入了PLC系统，更便于对炼铁高炉在运行过程中的全方位管理与控制。不是单一的降低了炼铁高炉在运行期间所出现的故障率，还能够对整个炼铁高炉生产过程的自动化控制进行实时的监控和状态检测，这也在很大程度上增强了工作人员具体操作的便捷性和效率。

3.3 对计算机技术加强应用

目前，在钢铁企业的高炉炼铁设备当中，自动化控制系统的应用已经变得非常普遍，通过该系统的有效应用，能够针对各种高炉炼铁设备进行自动化控制及管理，包括上料设备、矿焦槽设备等等，其不仅可以减少设备运行当中的人工操作，将相关人员的工作量有效降低，还能实现高炉炼铁设备的自动化控制，从而将人员因素对设备正常运行的影响降到最低。最重要的是，运用计算机技术，能够针对高炉炼铁设备设置远程维护系统，相关人员只需要登录系统，通过远程诊断维护中心，即可对高炉炼铁设备进行实时的监控，且在设备出现故障问题以后，系统会及时发出故障警报，并向相关人员发送告警信息，包括故障位置分析、故障原因分析以及故障处理方法推荐等，使相关人员能够快速明确故障位置，并结合相关信息以及现场实际情况对问题进行及时、有效的处理，从而提高故障处理的效率和质量，将故障影响降到最低。除此之外，利用计算机技术，企业还可以通过诊断维护中心对高炉炼铁设备的各项问题进行咨询，而厂家技术管理人员则可以通过移动端在任何地点、任何时间接入网络，为用户提供相应的技术服务。满足用户的设备使用需求和维护管理需求。

4 高炉自动化技术在未来的发展趋势

高炉自动化技术在未来会充分利用现代化信息技术，充分利用计算机当中的通讯功能、图像处理功能，并且结合各种仪表技术，建立起一个现代化的工作平台，实现整个工作的网络化发展。在未来当中，高炉自动化控制系统会更加先进，设备会更为齐全，会朝向生态化、可视化等方向发展。首先，来看生态高炉。生态高炉主要立足的是环境保护理念，最大限度地降低生产过程当中能源的消耗，减少污染物的排放。而实现的渠道是通过降低高炉生产活动当中内反应的强度，以及强化检测和控制环节当中降低反应强度，不断提高高喷煤比，以此来优化操作流程，减少生产过程当中二氧化硫、一化硫等硫化物的排放力度。其次，来看可视化高炉。可视化高炉主要利用的是智能化检测技术、数据处理技术以及传感技术等，对于整个高炉工艺生产流程进行有效的监督，以及检测，再将所采集到的数据转化为图像。工作人员通过这些图像可以总结高炉内部生产的机理数据，总结相关的经验，对高炉的操作活动进行优化，以此来提高高炉运行过程当中的稳定性，提高高炉的使用寿命。最后，来看低成本高炉。低成本高度主要是在自动化的基础之上，进一步减少高炉建设活动当中的建设成本投入，生产过程当中，人力资源的投入。实现整个生产过程的自动化控制，来提高生产的质量和效率，减少工作当中劳动力的使用，同时还能够减少人工检测和故障排查方面的经费。

5 结语

随着高炉炼铁自动化系统不断完善，为工作人员营造良好的工作环境，通过远程控制不同设备，积极参与高炉炼铁不同环节，及时做好监测工作。