数字化时代背景下转炉集中控制系统的应用研究

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-7027

作者简介：李红象（1983—），男，本科，工程师， 研究方向为冶金工程技术管理。

摘要：数字化转型是时代赋予传统制造业的重大机遇，在这样的大背景下，转炉吹炼模式的提质升级十分必要，需要在原有的操作基础上进行大幅度优化升级，改变传统的操作模式，把原来的分散控制通过智能化、数字化来实现集中控制。贵溪冶炼厂作为江西铜产业链中加工制造的重要一环，在提升产业链的现代化水平方面积极探索。转炉炼铜必然要向集中控制发展，让生产智能化、产业数字化，打造创新发展的新动能。

关键词：铜冶炼  集中控制  智能化  数字化  智能炼铜

中图分类号：TP393

转炉主要担负着闪速炉冰铜吹炼、中间物料处理、行车吊运等工作，为下道工序提供合格的粗铜，为硫酸提供符合制酸条件的烟气等生产任务。作为中间工序，转炉的生产情况对于整个工序都有着重要的影响。

转炉通过优化操作和控制，对开停风操作程序、粗铜终点判断、炉后捅风眼作业、残极加入等方式进行优化升级，实现了由人工向自动的转变，大大提高了生产的安全性和效率，尽管如此，在向打造世界最好炼铜标杆工厂目标前进的进程中仍存在着较大的差距：转炉操作依赖于操作人员的经验和操作技能，受到人为因素的影响较大；操作人员需要通过观察来获得转炉的状态信息，反馈的及时性受到限制；一些参数需要人工干预和调整，人为操作无法及时响应转炉的快速变化等。

1转炉炼铜当前现状

1.1工作区域

转炉操作人员分散在交替作业的两台转炉旁的操作室内。在传统生产模式下设计建造的转炉工段，3台炉子的操作室紧挨炉体，距离仅有1.1 m，为阻隔炉体的高温辐射，在操作室外正对炉体侧加装了隔热水套。操作室上方的厂房顶部装有行车轨道，操作室正南侧为行车频繁吊运高温熔体的区域，为确保操作室安全，已对操作室南侧采用钢板封闭。行车向转炉进冰铜，加冷料时，操作室震动明显，炉前平台存在熔体或物料洒落的情况，为此，炉前平台靠近转炉炉口侧用钢板封闭，留有可开闭的小门和400 mm×300 mm的窗口用来取样和查看倒渣倒铜情况。转炉工段的排班室夹在东西走向的两台转炉锅炉之间，南侧5 m正对8号转炉，为阻挡噪音和粉尘，操作室窗户采用双层玻璃，确保噪音和粉尘值在工业接触安全范围内。

1.2数据管理和技术指标有待提高

转炉智能系统的初步应用，使转炉操作工获得了闪速炉和阳极炉的生产情况，但这些信息仍不够直观和具体。闪速炉的炉况如何、冰铜质量如何、最新品位的及时获取、放铜的具体进展、阳极炉浇铸进展、需要何种终点的粗铜、多久吹炼结束供阳极炉进料等信息都还不直观迅捷。转炉操作工需要通过更丰富全面的监控，更加完备的、经过整合的数字平台，获取及时详细的全流程生产现状，来指导物料的加入、温度和吹炼节奏的把控、粗铜终点的调整选取，来提高进一步提高炉产和送风时率，提升上下工序的工作效率，降低上下工序的生产成本，下好车间三大炉的一盘棋。

1.3传统的生产设备向数字化和智能化发展

对于制造企业而言，研发与创新是不断创造企业核心竞争力、保持竞争优势的源泉[1]。现在二系统转炉的造渣和炼铜过程，为操作工人工控制，吹炼中看温度、看烟气、用氧等，不同的操作工有各自的一套，这样各不相同“自成体系”的吹炼控制，物料的处理有多有少，终点和温度也存在差异，对追求简洁、高效、低成本的现代工业生产来说，是需要进行改变的。倒渣和出铜作业采用人工控制的方式，在安全和效率方面存在短板。倒渣时根据肉眼看渣和白铍，面临超过1 200 ℃的炉渣产生的高温辐射，以及用试渣板量渣，渣和白铍不能及时细致分离，存在倒渣不彻底未排净渣或倒渣过度出现白铍锅底的情况。倒铜时，可能出现的石英 “放炮”影响到铜的安全，石英、底渣倒出的情况，也限制了倒铜的效率和质量。

铜水温度的及时准确检测，对提高转炉物料处理量、吹炼中预防高温喷炉、延长耐火砖的使用寿命，控制出铜温度降低阳极炉能耗等具有十分必要的现实意义，而当前人工到炉后看火焰判断温度，无法很好地满足以上需求。

1.4推进智能炼铜大发展

当前转炉吹炼的各个环节，控制和决策都由人来主导。不论是工段的宏观作业指令，还是具体操作如进料、冷料加入、风量氧量调控、终点的判断、倒渣出铜等一系列小环节，都是一个一个经验，风格各异的操作工的经验和个人判断。这样差异化的生产控制，不能将这一炉产高达260 t的成套设备的潜力发挥彻底。生产过程的各项数据，各种情况的处理情况，是生产的一大宝库，缺乏一个学习型智慧型的决策中心，将这些数据积累、统计分析，优化出灵活准确应对各种生产情况的生产控制体系。

2转炉集中控制的思考与展望

2.1建设目标

按照《德国工业 4.0》《中国制造 2025》等新一代智能工厂的标准要求，按照“简单、高效、低成本”原则，转炉集控项目需建设成为集生产、质量、物流等多专业业务信息深度融合的智能化、信息化控制系统。

在集控中心内，通过大屏幕矩阵和调度工作站对主要生产工序、工艺流程、物流调度等业务进行远程监控和集中调度，实现对贵冶二系统转炉区域生产运营的监控、预警、指挥和管理。

集生产、操作、管理、数据等一体的智控中心，提升生产智能化控制水平，降低生产成本，提升操作效率，减少中间环节，提高生产高效化、数据准确化、管理可控化、数据共享化，不断提升智能化水平，提升作业环境，实现精益生产。

2.2总体设计

（1）本项目建设投用后，集控中心配操作人员2名，实现对贵冶二系统3座转炉的远程操控，岗位人员远离冶炼重大危险区，采用“大规模集中、远距离控制”提升炼铜的本质化安全。（2）基础管理再次提升。有效利用监控等装置与数字化平台，使岗位人员迅速掌握全流程生产现状、提高生产效率，促进经济指标的提升。（3）助力集团智能制造发展，全面提升生产数字化、智能化。（4）为打造一体化集中决策智慧中心，逐步呈现“智能炼铜”打下坚实的基础。（5）在本项目设计建设时，需充分考虑系统紧急情况下的运行安全， 单独设置应急操作控制系统，与各需应急操作区域的应急操作并联工作，确保在突发情况下转炉运行的安全性。

2.3建设子项

2.3.1建设转炉一体化集控系统

本项目在贵冶二系统建成转炉集控中心。基于工业IDC服务器重新梳理转炉基础自动化HMI画面，采用统一的风格进行升级完善，保证风格统一。对ABB DCS现有控制系统软件升级，完善优化与修改DCS控制程序；集控中心监控系统升级为ABB Ability?系统 800xA，通过更高的集成度，实现全厂的一体化监视与控制。

2.3.2建设转炉智能装备控制系统

（1）全自动炼铜系统。利用熔体多光谱测温探头，实现转炉内熔体温度监测；利用烟气采样探头，实现对烟道气体的采样机处理；利用气体分析仪检测烟道气体成分浓度。系统通过熔体温度、气体成分、烟气流量、吹氧量等实时冶炼数据，并结合人工数据分析与大数据自学习模型，不断优化分析冶炼过程数据，在已有转炉造铜期终点判断基础上，逐步实现造渣期终点精准判断，最终实现全过程自动炼铜。

（2）全自动出铜系统。利用自动化控制系统、倾角检测仪、炉衬测量仪、炉口溢渣高温计、转炉倾动模型、下渣检测系统、自动出铜模型等系统，实现无人值守自动出铜，提高出铜量、提高作业效率，实现冶炼的智能化。

（3）智能铜水测温系统。智能铜水测温系统代替人工实现冶炼高温铜水测温。主要利用机器人、智能装置、检测设备等，实现铜液面检测，自动拆装测温弹，实现高温铜水自动测温，实现无人化测温，降低安全事故，提高生产作业效率，使冶炼更加智能化。

（4）智能铜渣检测系统。智能铜渣检测系统分为取渣样机器人系统和铜渣检测分析系统。取渣样机器人系统实现无人化自动取渣样；铜渣检测分析系统实现渣样检测与成分分析。

（5）取渣样机器人系统代替人工实现冶铜渣自动取样。主要利用机器人、智能装置、检测设备等，实现铜液面检测，自动拆装取渣弹，实现铜渣自动取样，实现无人化取样，降低安全事故，提高生产取渣样的稳定性、准确性，提高作业效率，使冶炼更加智能化。

（6）铜渣检测系统利用图像及光谱仪进行渣样检测与成分分析，实现渣样自动分析、记录，并将分析结果反馈给铜冶炼模型，进行实时校正、调整及吹炼，提升铜冶炼质量及终点控制，降低人为因素，提高数据标准化及大数据记录分析，提升冶炼水平，进一步实现智能炼铜。

（7）智能下渣检测系统。智能下渣检测系统利用高清红外相机获取图像，通过图像处理模型进行分析，实现渣铜判断。下渣检测根据铜渣与铜水在特定光波波段的差异，自动分辨出铜流中的白铍和铜渣，进行预警并自动摇炉，减少下渣量。

（8）智能铜包检测系统。智能铜包检测系统利用高清红外相机获取图像，通过图像处理模型进行分析，判断铜包耐材厚度，并对铜包进行使用跟踪，测算铜包使用寿命与全生命周期管理，提升铜包的使用安全性。

（9）风动送样系统。利用收、发两端的收发装置，通过输送管道将装有铜、渣试样的样盒从车间发送点高速输送至化验室，再将空样盒返回车间发送点。通过智能工厂一期应用系统及时获取样品检验结果。

2.3.3建设集控工业视频系统

对二系统转炉区域原有的模拟摄像头进行整体更换升级，并在盲区新增高清摄像头，建设二系统转炉区域的视频集中管理平台，包含视频展示系统。

2.3.4建设集控与视频网络系统

对二系统转炉区域集控网络、视频网络升级改造及优化设计。集控网络：控制系统网络保留，现场控制网到集控中心采用千兆光纤冗余网络。整体网络架构采用双链路冗余，保障网络的高可用性。

2.3.5建设转炉集控对讲系统

为实现二系统转炉生产信息联动，构建二系统集控中心和现场人员的快速联络机制，满足二系统转炉集中控制中心的操控需求，设立一套无线集群对讲系统，通过申请频道分级来实现工业对讲机在二系统转炉区域的全覆盖，以此实现现场关键岗位与集控中心的生产信息共享。

2.3.6建设智慧转炉数字孪生平台

数字孪生技术系统可以提供可视化的信息支撑，从而使得决策更加科学、精准、及时[2]。智慧转炉数字孪生平台以3D可视化为主题，包含生产看板系统、三维数字化地图系统、数字化转炉系统等[3-5]。

3结语

在数字经济的新浪潮中，贵冶熔炼车间积极投身其中应势而为，勇于创新增强行业内的核心竞争力。有效利用当今数字技术搭建脉络，构建转炉炼铜集中控制体系，将熔体多光谱测温探头技术，大数据自学习模型，倾角检测仪、炉衬测量仪、炉口溢渣高温计、转炉倾动模型、下渣检测系统等先进技术给传统铜冶炼模式脱胎换骨，优化了转炉吹炼工艺，保障了吹炼安全，提升了作业效率，提高了核心竞争力。

参考文献

[1] 李建军，于志恒.数字经济时代制造业转型升级方法探究[J].产业研究，2021（22）：45-48.

[2] 焦勇，包龙杰.数字孪生技术优化制造业企业的决策机制研究：基于数字经济技术层面的考察[J].现代管理科学，2022（2）：60-67.

[3] 陈林，张玺文.制造业数字化转型升级的机理研究[J].暨南学报（哲学社会科学版），2023，45（3）：99-110.

[4] 刘检华，李坤平，庄存波，等.大数据时代制造企业数字化转型的新内涵与技术体系[J]. 计算机集成制造系统，2022，28（12）：3707-3719.

[5] 周嘉，马世龙.从赋能到使能：新基建驱动下的工业企业数字化转型[J].西安交通大学学报（社会科学版），2022，42（3）：20-30.