高炉炼铁过程炉料结构智能优化

高炉炼铁过程炉料结构智能优化

任彬

宝武集团新疆八一钢铁股份有限公司 新疆乌鲁木齐市 830022

摘要：在当代炼铁工艺中，高炉炼铁是最为常见的一种，其在现代钢铁工艺中占主导地位。目前，高炉生产的生铁仍占世界生铁总量的95%以上，在中国占99.5%以上。炼铁面临的主要挑战是在原燃料品种质量及价格的频繁波动，因此优化炼铁炉料结构尤为重要。高炉炼铁主要目的是获得符合炼钢工序质量要求的铁水。由于产量巨大，即使是小的改进过程也能带来可观的利润，更能节约能源和减少消耗。鉴于此，本文就高炉炼铁过程炉料结构智能优化展开探讨，以期为相关工作起到参考作用。

关键词：透烧结；高炉；炼铁；配料

1.高炉炼铁智能化平台的建立需求与目标　　

建立高炉炼铁工业智能化平台的目的是收集、处理所有的高炉炼铁数据，建立数据分析平台和智能应用，在数据科学各层面解决生产痛点，助力高炉炼铁数字化、智能化转型。从平台功能来说，需要满足高炉炼铁数据的采集和预处理、数据存储、数据分析、可视化等功能。从业务场景来说，满足不同高炉炼铁场景从业人员的数据分析、智能辅助和效率提升的需求。

1.1多源数据的采集需求

高炉炼铁数据包含可编程逻辑控制器(pro-grammable logic controller，PLC)系统数据、设备信息数据、生产操作数据、原料检测数据、成品质检数据、生产总结数据和音视频数据等多种类型数据｡企业内存在的高炉炼铁数据被存储在不同服务器中(国内某钢铁企业的高炉炼铁数据根据数据类型不同，分别存储于SQL Server数据库、Oracle数据库、Wonderware数据库和Microsoft Office之中)，设计平台的数据采集功能需满足对接所有数据来源的要求,并实现数据稳定､高效的传输。

1.2长生命周期历史数据的存储需求

一代高炉炉役周期时间普遍较长，并且大型钢铁企业内多以数座高炉同时生产为主要生产形式，而且每座高炉的辅助环节更加丰富，平台的数据存储功能不仅需要提供多种存储方式（文件存储，关系型存储，非关系型存储等），还需提供海量数据的自动化备份以保证数据完整性和安全性，同时提供便捷的扩展接口，满足后期业务增加的需求。

1.3专业数据的处理需求

炼铁数据有别于传统行业数据具有自身的特点，数据的关联、清洗和整合需通过专业知识进行辅助校正才能得到符合炼铁生产实际情况的数据，设计平台的预处理功能需基于炼铁冶金知识，对存储数据进行符合实际生产情况的清洗、匹配、聚合等工作，为平台的后续流程提供数据服务。

1.4实际需求的数据分析

需求数据分析功能是高炉炼铁工业智能化平台的整体功能体现，需将所有高炉炼铁数据进行拆分、重组、设计，融合工艺经验，提供完整的数据模型架构设计，实现分层次，分主题，分应用场景的组织数据。

1.5不同场景的数据应用需求

高炉炼铁工艺涉及诸多的生产流程（原料、焦化、球团、烧结、高炉、质检等），每个生产流程又包含许多生产环节，所有的从业者同时使用高炉炼铁工业智能化平台，这对平台应用的多样性提出更高的需求，需要涵盖基础的智能应用，如原料车间实现物料图像的在线粒度检测，烧结车间实现烧结终点及烧结矿质量在线检测及分析，高炉车间实现高炉状态评判、高炉风口成像分析、铁水温度及成分预测等。同时结合冶金知识构建铁前全流程智能应用，如炼铁物料全流程追踪实现入厂原料检测至铁水检测的铁前元素流关联对应，历史状态查询与复现完成对烧结和高炉等生产环节的不同状态的定义、归类、分析及总结，实现历史状态快速查询及历史操作动态显示。

1.6非功能性需求

针对高炉炼铁工业智能化平台的整体性能要求，利用工业智能化平台的先进架构与技术，实现平台的可用性、可维护性、可扩展性和稳定性。正常运行的高炉炼铁工业智能化平台，使用者可以通过简单操作降低使用门槛，方便快捷使用平台相关功能。平台业务需求发生改变时，灵活进行系统配置，且不影响原有的业务流程。平台需满足实时数据并行处理并保证数据在各流程中的准确性。

1.7高炉炼铁工业智能化平台的建设目标

根据上述不同角度对于高炉炼铁工业智能化平台的要求，建立大数据技术、人工智能技术和高性能云计算技术为核心的高炉炼铁工业智能化平台。在数据存储层面，采用分布式文件系统和集群存储技术，达到海量数据存储能力，并对各种数据类型实现完整存储，通过数据备份、容灾和平衡负载确保生产数据的完整和安全。在数据处理层面，搭建自动化分布式处理框架，提高海量数据处理效率的同时保障低故障率，并通过自动化调度管理工具降低运维成本。在数据分析层面，通过设计完整数据模型架构，实现数据的分层次、分主题、分场景的高效组织，利用批处理、流处理等辅助分析工具实现数据直观交互。在数据应用层面，利用私有云技术和容器技术，保障已建立应用的生产环境正常运行，利用工业智能化平台提供的专业工具实现智能化应用的组装式生产。

2.常见的高炉智能化与自动化技术

2.1高炉炼铁智能化与可视化技术

2.1.1高炉模拟与可视化操控技术

就当前而言，在进行高炉数学化模拟时主要是在对流体力学与离散元方法的基础上进行的。流体力学的作用是对连续性的相行为进行描述，而离散元方法主要的作用是对非连续性的相行为的评价。因为离散元方法能够更加合理地进行非连续性的相行为的具体描述，而且由于现代科学技术的发展以及建模方式的不断进步，对于高炉建立数学模型大都是将以上两种建模有效的结合从而产生的CFD-DEM的数学模型。对于CFD-DEM方法而言，利用CFD方法进行流体位置的预测工作，利用DEM方法进行颗粒部分的求解工作，把两种方法有机地耦合便能够解决掉流体到固态的两相之间实际流动数值的仿真。

2.1.2高炉专家系统

为了完成高炉炼铁自动化的生产目标，国际上使用最为广泛的系统为VAiron高炉专家系统。VAiron是一款集工艺模型、人工智能、闭环专家系统以及软件应用等功能为一体的高炉炼铁专家系统，VAiron高炉专家系统可以使工作人员清楚地观察到高炉内部的实际状况以及工艺流程。VAiron高炉专家系统主要是由诸多的模型进一步的有机组合而来的。通过实践表明viron高炉专家系统是一款对于高炉炼铁极为有利的系统，目前，在国际上得到了广泛的应用，并取得了非常好的实用效果。

2.2电气设备自动化技术

电气自动化技术中包含了诸多领域的综合成果而产生的，在高炉炼铁的过程中利用电气自动化技术进行日常的生产，不但可以促进我国的钢铁产业的稳定快速的发展，并且推动了我国的钢铁产业整体水平的提升，促进了整个行业的可持续发展。电气自动化技术不断的我国钢铁产业的电气设备朝着科技化、高效化的方向不断的发展，提升了炼铁的效率质量。

3.我国的高炉智能化与自动化技术的应用

为了能够更加准确地掌握高炉内部的信息以及对炉内信息的分析，高炉的可视化操控技术就是探测高炉内部实际状况的最为有效的手段之一。其中最为突出的就是北京科技大学和北京神网公司共同合作研发的高炉可视化与仿真技术，主要的作用是对高炉的布料与冶炼的实际状况进行检测，从而更好地指导高炉的具体操作，取得的成果是非常可观的，得到了广泛的使用。上述的技术中包含主要高炉顶部的摄像技术、高炉风口处的红外摄像以及图像的处理技术和热流强度的检测技术。其中高炉风口处红外摄像与图像信息处理技术能够同时对每个高炉风口上的实际工作的状况进行检测，从而能够及时地发现高炉内部的具体的状况，在出现异常状况时能够及时的解决。而三维热流强度检测技术能够对高炉的炉缸中的热流的实际强度进行检测，从而对高炉的实际炉型的好坏进行判断，进而确认对应高炉在冷却时的具体制度。以上新技术的广泛运用，不仅能够实现节能减排的目标，还能够在某种程度上提升我国钢铁产业的生产量，促进了整个行业的可持续发展。

结语

如今，中国钢铁工业已由产量化向绿色化、智能化方向发展。未来，钢铁行业将在绿色低碳冶炼工艺等方面持续创新，助力炼铁工业的绿色化发展，同时将深度智能化作为未来高炉发展的重要制高点，为铁前绿色化、数字化、一体化、智能化的生产奠定基础，为钢铁行业持续进步做出应有的贡献。

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