高爐專家系統在太鋼高爐的應用

陳樹文

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030003）

山西太鋼不銹鋼股份有限公司（全文簡稱太鋼）高爐專家系統引進自西門子奧鋼聯，系統中主要模型及專家診斷系統為太鋼與奧鋼聯共同開發，專家系統共包括14 個工藝模型和專家診斷系統，通過采集和統計眾多工藝變量數據，在經過模型計算、模糊邏輯控制、專家知識庫對比判斷爐況是否變化及其變化原因，并給出解決這些故障的矯正建議，最終完成診斷、建議和解釋三大任務，專家系統的預報和建議，可有效地統一各班間的控制思想，保證高爐操作的延續性，使高爐平穩順行。

1 太鋼高爐專家系統概況

太鋼高爐專家系統包括工藝信息系統、工藝模型、專家系統，具體結構見圖1。

圖1 太鋼專家系統結構

工藝信息系統主要包括高爐L2 級基本系統、與

L1 級或其他系統的通訊、人機界面。

高爐14 個模型分別是：熱量與質量平衡模型、能量與質量平衡模型、平衡核對模型、爐料控制模型、爐料分布模型、爐身仿真模型、鼓風模擬模型、間接還原模型、火焰溫度模型、出鐵管理模型、熱指數計算模型、熱風爐優化/控制模型、爐缸侵蝕模型、風口循環區計算模型。其中爐料控制模型、布料模型、熱風爐優化/控制模型，專家系統診斷，可以將設定值傳給L1 級，有開環、閉環兩種運行模式。

專家系統診斷系統通過觀察眾多的工藝變量，并基于這些觀察檢測主要的工藝故障，確定原因，最終給出解決這些故障的矯正建議。專家系統并不提供關于設備的診斷。工藝診斷系統提供以下診斷及操作建議，在閉路環境下，若對診斷不進行否決則會自動進行調整。

2 太鋼高爐專家系統應用情況

太鋼高爐專家系統中部分模型計算功能一級和二級系統中已經具備，如鼓風模擬模型、火焰溫度模型、出鐵管理模型和熱風爐控制模型，目前使用頻率最高的模型有：爐料控制模型、爐身仿真模型、爐缸侵蝕模型，專家系統診斷建議、半閉環專家系統等一些主要模型，爐渣成分控制、爐料跟蹤、爐熱控制、熱風爐優化/控制模型、爐缸監護等。日常操作中發揮了很好的作用。

2.1 爐料控制模型的應用

爐料控制模型是基于化學質量平衡計算基礎用于改善裝料矩陣設定值。質量平衡計算結果給出明確的裝料矩陣中所使用爐料的噸鐵消耗，基于這些具體噸鐵消耗比，計算裝料矩陣中的質量。另外，爐料控制模型也被專家系統調用。

爐料控制模型在使用時可以有兩種模式來進行運算，一種是半開環模型，根據檢化驗傳送過來的數據進行分析，數據波動情況超過設定值時（目前設定了幾種情況：燒結含硅量超過波動值、燒結堿度超過波動值、球團南非焦炭有新分析時），它將自動啟動爐料控制模型，為裝料系統計算新的爐料設定值，由專家系統的建議部分提出變料建議，操作人員根據實際情況來進行變料。變料后的結果傳送至一級系統，人工確認后執行新的爐料結構指令。

另一種是閉環模式，即根據檢化驗傳送過來的數據進行分析，數據波動情況超過設定值時，操作人員不參與控制，計算結果將自動傳送到裝料矩陣設定值，并且新的裝料矩陣被自動下載到一級，自動確認新的爐料結構指令，其操作界面見圖2。

2.2 爐身仿真模型

圖2 爐料控制模型界面

爐身仿真模型提供了爐內爐料組成的實際概貌，爐身仿真模型在爐料裝入高爐后直接對每批料進行質量平衡計算，計算關鍵數據如焦比，堿度和理論出渣量，見圖3。

圖3 爐身仿真模型界面

表1 爐身仿真模型需要數據

爐身仿真模型反應了爐料在爐身的分布。爐身分成幾個相等的體積區域。每個區域相當于在相等的時間間隔內裝入高爐的爐料。對每個單獨區域，計算焦炭消耗和渣堿度。根據爐料的比例決定爐料的體積，模型還能對高爐崩料現象進行檢測。模型主要使用數據見表1。

模型使用數據數據來自屬于活動矩陣的爐料控制模型計算。如果沒有爐料控制模型計算，就使用缺省值；對全部爐身爐料的總體計算通過總體參數來反應。

2.3 爐料分布模型

原料分布（爐料和焦炭）對于高爐有很大的影響。PW 無鐘爐頂設施使控制原料在爐內分布以達到所需要的爐料輪廓成為可能。爐料分布模型根據裝料的條件和爐料參數，模仿原料在高爐上部的分布并將其結果生動的展示出來，見下頁圖4。

模型可以在開路閉路兩種方式下運行，采用哪一種控制方式由操作人員決定。爐頂布料方式分為：多環布料、定點布料和扇形布料。比較模型的不同計算，可顯示從一種分布到另一種分布的變化。在線模式可配置中央和爐墻處不同的原料下降率。可以預設爐料下降輪廓，使用N（可配置參數）個為從中央到爐墻不同的爐料下降速度。模型的計算考慮了不同爐料粒度和堆密度。

圖4 布料模型料面計算結果示意圖

通過休風定檢時對實際料面的觀察，該模型計算結果與實際布料趨勢相同，具有很大的指導作用。

2.4 爐缸侵蝕模型

太鋼專家系統中爐缸侵蝕模型使用有限元的計算方法，基于爐缸熱電偶測量和爐缸等溫線材料性質以及實際的侵蝕輪廓進行計算。另外還計算爐缸渣皮。

計算從爐缸原始幾何尺寸和材料數據開始，一直進行到實際爐缸侵蝕為止。初始計算后，計算激活，從最后的計算結果開始計算，模型是在線的，自動從數據庫采集測量值，循環進行，每周自動計算1次。在爐缸溫度變化較大時，可手動啟動計算，計算結果見圖5。

圖5 爐缸侵蝕模型計算結果

通過使用爐缸侵蝕模型，高爐操作者及時掌控了爐缸耐材侵蝕情況，在高爐安全生產方面起到了很大的作用。

2.5 專家診斷系統

專家診斷系統基于前面所述的模型計算結果，在系統后臺對高爐的運行狀況進行評價分析，每5 min會提交一個分析報告，當分析結果超出系統管理人員設定的控制值時，便會從以下幾個方面提出建議：更改焦比、改變噴煤率、裝入凈焦、修正堿度、修正爐頂布料情況。在使用過程中，對高爐熱量方面和堿度的建議是最多的。

專家系統有兩種控制模式：開環模式和閉環模式。開環模式下，專家系統僅對高爐進行分析評價并提出建議，但是并不參與控制；閉環模式下，專家系統會對高爐進行分析評價并提出建議，在一定的時間內（目前設定5 min）操作人員不干預的情況下，專家系統將會參與控制。

專家系統目前參與控制的程序有：堿度的調整（實際堿度與目標堿度有偏差且超出一定范圍）、燃料比的調整（通過調整煤比來實現）、調整爐頂布料（通過十字測溫數據與目標值進行比較）。

表2 專家診斷系統診斷及矯正規則

目前高爐專家系統使用的是半開環狀態，即參考專家系統的建議來調整。堿度的調整操作人員接收到新的檢化驗數據時，使用配料計算模型來進行計算，當各種礦石之間的配比變化超過一定的控制值時，才進行變料；燃料比的調整由于使用專家系統的二級配料計算模型來進行變料，在保持焦比及焦丁比的穩定前提下，通過調整煤比來實現。調整煤比是根據下料情況換算出的理論出鐵量設定具體的煤比計算出煤量傳送給一級來進行實際煤量的控制。理論出鐵量的計算考慮到了近300 min 內的下料情況，具體的煤比設定根據實際控制的鐵水溫度、鐵水含硅量等數據進行人工設定；爐頂布料的調整因十字測溫的熱電偶容易出現故障，平時多作為參考，具體規則見表2。

3 結語

高爐專家系統在太鋼高爐投入使用后，高爐運行平穩，爐況無較大波動，基本杜絕了爐缸大涼、崩料等現象的發生，成為高爐冶煉實現“高效、穩定、節能、低耗、長壽”的重要措施。但一些客觀條件或多或少的影響了其運行，包括煤氣分析儀的穩定、專家系統的源代碼外方專家沒有提供影響專家系統的改進和優化等。雖然近年來大數據、智能制造比較熱門，不少鋼鐵企業跨越專家系統直接步入大數據時代，但是從生產實踐來看，專家系統在高爐操作中還是能起到很大作用，值得繼續完善與推廣。